数字签名

数字签名是一种用于信息真实性完整性校验的手段,一套数字签名包含签名和验证两种运算。下面是一套简单的数字签名示意图。

Digital Signature diagram

原理

数字签名使用非对称加密技术。每个人都有一对钥匙,私钥只有本人知道,公钥公开,私钥签名,公钥验签。

在进行信息传递时,信息发送者用私钥生成签名并将公钥一起发送给信息接收者,接收者使用公钥验签。上述过程中信息完整性得到校验,但发送者的身份是否合法无法得知(因为任何人都可以声称自己是合法的),因此引入了身份认证机构

身份认证机构是信息接收者能信任的机构,所有的公钥必须向该机构进行注册。注册后身份认证机构给发送者颁发一数字证书。对文件签名后,发送者把此数字证书连同文件及签名一起发给信息接收者,接收者向身份认证机构求证是否真地是用发送者密钥签发的文件。

数字证书

数字证书是一种电子档案,用来证明公钥拥有者的身份。此档案包含了公钥信息、拥有者身份信息(主体)、以及数字证书认证机构(发行者)对该文件的数字签名。

证书的本质就是对公钥加数字签名,认证机构用自己的私钥对需要认证的人(或组织机构)的公钥进行数字签名并生成证书。

证书种类

我们需要了解以下几种类型的证书

  • 自签证书
  • 根证书
  • 中介证书
  • TLS 服务器证书
  • TLS 客户端证书

自签证书

用户可以自己生成数字证书,不过没有任何可信赖的人签名,它主要用于小范围测试,这种自签名证书通常不会被广泛信任,使用时可能会遇到电脑软件的安全警告。

根证书

根证书获得广泛认可,通常已预先安装在各种软体(包括操作系统、浏览器、电邮软件等),作为信任链的起点,来自于公认可靠的政府机关、证书颁发机构公司、非营利组织等,与各大软件商透过严谨的核认程序才在不同的软件广泛部署。由于部署程序复杂费时,需要行政人员的授权及机构法人身份的核认,一张根证书有效期可能长达二十年以上。在某些企业,也可能会在内部电脑自行安装企业自签的根证书,以支援内部网的企业级软件;但是这些证书可能未被广泛认可,只在企业内部适用。

中介证书

认证机构的一个重要任务就是为客户签发证书,虽然广泛认可的认证机构都已拥有根证书,相对应的私钥可用以签署其他证书,但因为密钥管理和行政考虑,一般会先行签发中介证书,才为客户作数位签署。中介证书的有效期会较根证书为短,并可能对不同类别的客户有不同的中介证书作分工。

TLS服务器证书

网站在互联网上提供服务时,域名就是服务器证书上主体,相关机构名称则写在组织或单位一栏上。证书和私钥会安装在服务器。客户端的软件(如浏览器)会执行认证路径验证算(Certification path validation algorithm)以确保安全,如果未能肯定加密通道是否安全(例如证书上的主体名称不对应网站域名、伺服器使用了自签证书、或加密算法不够强),可能会警告用户。

TLS客户端证书

客户端证书包含电子邮件地址或个人姓名,而不是主机名。客户端证书比较不常见,因为考虑到技术门槛及成本因素,通常都是由服务提供者验证客户身份,而不是依赖第三方认证机构。通常,需要使用到客户端证书的服务都是内部网的企业级软件,他们会设立自己的内部根证书,由企业的技术人员在企业内部的电脑安装相关客户端证书以便使用。在公开的互联网,大多数网站都是使用登入密码和Cookie来验证用户,而不是客户端证书。

根证书(自签证书)、中介证书和终端实体(TLS服务器/客户端)证书的形成如下信任链

chain-of-trust

证书格式

证书一般遵从X.509格式规范

  • 版本:现行通用版本是V3

  • 序号:用以辨识每一张凭证,特别在撤消凭证的时候有用

  • 主体:拥有此凭证的法人或自然人身份或机器,包括:

    • 国家(C,Country)
    • 州/省(S,State)
    • 地域/城市(L,Location)
    • 组织/单位(O,Organization)
    • 通用名称(CN,Common Name):在TLS应用上,此栏位一般是域名
  • 发行者:以数字签名形式签署此凭证的数字证书认证机构

  • 有效期开始时间:此凭证的有效开始时间,在此前该凭证并未生效

  • 有效期结束时间:此凭证的有效结束时间,在此后该凭证作废

  • 公钥用途:指定凭证上公钥的用途,例如数字签名、服务器验证、客户端验证等

  • 公钥

  • 公开密钥指纹

  • 数字签名

  • 主体别名

证书可以二进制或 Base64 形式储存,常见的文件扩展名有.cer、.crt、.der和.pem。如果把证书和私钥一起储存,则可以使用PKCS#12(.p12)格式。

  • DER用于二进制DER编码的证书。
  • PEM用于不同类型的X.509v3文件,是以“ - BEGIN …”前缀的ASCII(Base64)数据。
  • CER和CRT几乎同义,证书可以被编码为二进制DER或ASCII PEM。
  • PKCS7 文件,也被称为P7B,通常用于Java Keystores 和 Microsoft IIS(Windows)。它们是ASCII 文件,可以包含证书和CA 证书。
  • PKCS12 文件,也被称为PFX 文件,通常用于在Micrsoft IIS(Windows)中导入和导出证书链。

应用

我们在写对外 API 时,针对信息传递的安全考虑,做如下设计

  • 敏感信息脱敏,进行信息加密
  • 防止信息被篡改,进行数字签名

我们使用 SHA256withRSA 进行签名,下面是一个Java简单例子

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    public static String sign(byte[] privateKey, String content) {
        try {
            java.security.Signature signature = java.security.Signature
              .getInstance("SHA256withRSA");

            PrivateKey priKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey));

            signature.initSign(priKey);
            signature.update(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

            byte[] signed = signature.sign();
            return URLEncoder.encode(Base64.getEncoder().encodeToString(signed), "UTF-8");
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static boolean verify(byte[] publicKey, String content, String signatureToBeVerified) {

        if (StringUtils.isBlank(signatureToBeVerified)) {
            return false;
        }

        try {
            java.security.Signature signature = java.security.Signature.getInstance("SHA256withRSA");

            PublicKey pubKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(new X509EncodedKeySpec(publicKey));

            signature.initVerify(pubKey);
            signature.update(content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

            return signature.verify(Base64.getDecoder().decode(URLDecoder.decode(signatureToBeVerified, "UTF-8").getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }