相關概念
- PKI：Public Key Infrastructure，公鑰基礎設施。
- CA：Certificate Of Authority，認證中心。
- 數字證書：提供了一種發佈公鑰的簡便途徑；
一個數字證書包括：擁有者身份信息、公鑰、CA數字簽名、有效期等其他信息。 - 數字簽名：用來確認信息發送者的身份，保證信息的完整性和抗否認性。
數字簽名
圖1 數字簽名
- 數字簽名的生成：對於要傳輸的消息原文使用消息摘要算法（MD5、SHA）生成消息摘要，發送方使用自己的私鑰對摘要進行加密，生成數字簽名。
- 數字簽名的驗證：數字簽名同消息一通傳輸給接收方，接收方對簽名使用發送方的公鑰解密還原摘要，並對得到的原文進行hash計算出消息摘要，比對兩份消息摘要是否相同，可以保證消息的完整性和抗否認性。
用發送發私鑰生成數字簽名、用發送方公鑰解密，可以證明消息確實是由公鑰擁有者發出的。
兩份摘要的比對結果，可以證明消息在傳輸的過程中是否被改動。
數字證書
數字簽名要發揮作用，首先需要接收方獲取發送方的公鑰。如何證明獲取的公鑰確實是發送方的公鑰而不是假冒的呢？數字證書提供了一種發佈公鑰的簡便方法。
圖2 證書的申請、發佈、使用
圖3 數字證書的生成與驗證
簡單地來說，把上面的原文換成公鑰、身份信息、有效期等其他信息，就是數字證書的生成和驗證過程。
- 數字證書的生成：CA收到數字證書申請並認證申請者的真實身份後，把申請者的公鑰、身份信息、數字證書的有效期等信息作爲消息原文，進行hash生成摘要，並用CA的私鑰加密進行簽名；數字簽名與證書擁有者的公鑰、身份信息、證書有效期等其他信息共同組成數字證書。
- 數字證書的驗證：數字證書生成後，經歷圖2中3、4、5的傳輸過程，來到接收方。接收方收到消息證書後，使用CA公鑰對數字簽名解密生成消息摘要，對證書內容進行hash生成摘要，兩份摘要進行比對可證明證書內容的完整性與真實性。
使用CA私鑰進行簽名和解密，可以證明證書確實是由CA發佈的；
兩份摘要的對比結果，可以證明證書內容是否在傳輸過程中被改動；
如果消息原文中的公鑰和身份信息是CA的，則是CA自簽名的過程。
通信過程
數字證書提供了一種發佈公鑰的簡便途徑，大家通過向CA申請認證發佈自己的公鑰，通過向CA驗證來確認自己獲得了別人的公鑰。下圖展示了通信雙方互相獲得公鑰以後的通信過程。
圖4 通信過程
- 發送方對要傳輸消息原文進行hash，生成消息摘要，用發送方的私鑰生成數字簽名；
- 隨機生成對稱祕鑰，對原文加密，生成密文；
- 用接收方公鑰加密對稱祕鑰；
- 將加密後的對稱祕鑰、數字簽名與密文一通發送；
- 接收方收到後，用自己的私鑰解密對稱祕鑰；
- 用對稱祕鑰解密密文，得到原文；
- 對原文hash得到摘要，用發送方的公鑰解密簽名得到摘要，對方兩份摘要。
非對稱加密安全性高，但計算量大效率低，因此使用對稱祕鑰對通信的主要內容進行加密；對稱祕鑰每次使用隨機生成，用完即丟棄，降低風險；
用接收方公鑰加密對稱祕鑰，保證了只有接收方纔能對密文進行解密；
用發送發私鑰進行簽名，使得接收方可以驗證消息的發送方和消息是否被修改過，保證了信息的完整性和抗否認性。
PKI/CA架構
完整的PKI/CA系統如下部分：
- 安全服務器：安全服務器面向普通用戶，用於提供證書申請、瀏覽、證書撤銷列表、證書下載等安全服務；用戶需要首先得到安全服務器的證書（該證書由CA頒發）；
- 註冊機構RA：在CA體系結構中起承上啓下的作用，一方面向CA轉發安全服務器傳輸過來的證書申請請求，另一方面向LDAP服務器和安全服務器轉發CA頒發的數字證書和證書撤銷列表（CRL）。
- LDAP服務器：Lightweight Directory Access Protocol（輕量目錄訪問協議），提供目錄瀏覽服務，負責將註冊機構服務器RA傳輸過來的用戶信息以及數字證書加入到服務器上。用戶通過訪問LDAP服務器就能夠得到其他用戶的數字證書。
- CA服務器：整個證書機構的核心，負責證書的簽發。CA首先 產生自身的私鑰和公鑰，然後生成數字證書，並且將數字正常傳輸給安全服務器。CA還負責爲安全服務器、RA服務器生成數字證書。
- 數據庫服務器：CA中的核心部分，用於CA中數據（如密鑰和用戶信息等）、日誌、統計信息的存儲和管理。
圖5 PKI系統
證書申請過程
- 用戶申請：用戶獲取CA的數字證書（根證書），與安全服務器建立連接；生成自己的公鑰和私鑰，將公鑰和自己的身份信息提交給安全服務器，安全服務器將用戶的申請信息傳送給RA服務器。
- RA審覈：RA收到用戶的申請，用戶向RA證明自己的身份，RA進行覈對。如果RA同意用戶申請證書的請求，則對證書申請信息做數字簽名；否則拒絕用戶的申請。
- CA發行證書：RA將用戶申請和RA簽名傳輸給CA，CA對RA數字簽名做認證，如果驗證通過，則同意用戶請求，頒發證書，然後將證書輸出。如果驗證不通過，則拒絕證書申請。
- RA轉發證書：RA從CA得到新的證書，首先將證書輸出到LDAP服務器以提供目錄瀏覽，再通知用戶證書發行成功，告知證書序列號，到指定的網址去下載證書。
- 用戶證書獲取：用戶使用證書序列號去指定網址下載自己的數字證書，只有持有與申請時提交的公鑰配對的私鑰才能下載成功。
證書撤銷過程
- 用戶申請：用戶向RA發送一封簽名加密郵件，申請撤銷證書。
- RA審覈：註冊機構同意證書撤銷，並對申請簽名。
- CA更新CRL：CA驗證證書撤銷請求的RA簽名，如果正確，則同意申請，並更新CRL，並輸出。
- RA轉發CRL：註冊中心收到CRL，以多種方式將CRL公佈（包括LDAP服務器）。
- 用戶告知：用戶訪問LDAP服務器，下載或瀏覽CRL。
證書的管理
認證中心CA負責維護和發佈證書廢除列表CRL（certificate revocation lists，又稱爲證書黑名單）。
當一個證書，特別是其中的公鑰因爲其他原因無效時（不是因爲到期），CRL提供了一種通知用戶和其他應用的中心管理方式。CA系統生成CRL以後，放到LDAP服務器中或Web服務器的合適位置，供用戶查詢或下載。
作者：ZYJ2016
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來源：簡書
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