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数字证书

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我们知道,摘要算法用来确保数据没有被篡改,非对称加密算法可以对数据进行加解密,签名算法可以确保数据完整性和抗否认性,把这些算法集合到一起,并搞一套完善的标准,这就是数字证书。

因此,数字证书就是集合了多种密码学算法,用于实现数据加解密、身份认证、签名等多种功能的一种安全标准。

数字证书可以防止中间人攻击,因为它采用链式签名认证,即通过根证书(Root CA)去签名下一级证书,这样层层签名,直到最终的用户证书。而Root CA证书内置于操作系统中,所以,任何经过CA认证的数字证书都可以对其本身进行校验,确保证书本身不是伪造的。

我们在上网时常用的HTTPS协议就是数字证书的应用。浏览器会自动验证证书的有效性:

cert

要使用数字证书,首先需要创建证书。正常情况下,一个合法的数字证书需要经过CA签名,这需要认证域名并支付一定的费用。开发的时候,我们可以使用自签名的证书,这种证书可以正常开发调试,但不能对外作为服务使用,因为其他客户端并不认可未经CA签名的证书。

在Java程序中,数字证书存储在一种Java专用的key store文件中,JDK提供了一系列命令来创建和管理key store。我们用下面的命令创建一个key store,并设定口令123456:

keytool -storepass 123456 -genkeypair -keyalg RSA -keysize 1024 -sigalg SHA1withRSA -validity 3650 -alias mycert -keystore my.keystore -dname "CN=www.sample.com, OU=sample, O=sample, L=BJ, ST=BJ, C=CN"

几个主要的参数是:

  • keyalg:指定RSA加密算法;
  • sigalg:指定SHA1withRSA签名算法;
  • validity:指定证书有效期3650天;
  • alias:指定证书在程序中引用的名称;
  • dname:最重要的CN=www.sample.com指定了Common Name,如果证书用在HTTPS中,这个名称必须与域名完全一致。

执行上述命令,JDK会在当前目录创建一个my.keystore文件,并存储创建成功的一个私钥和一个证书,它的别名是mycert

有了key store存储的证书,我们就可以通过数字证书进行加解密和签名:

import java.io.InputStream;
import java.math.BigInteger;
import java.security.*;
import java.security.cert.*;
import javax.crypto.Cipher;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] message = "Hello, use X.509 cert!".getBytes("UTF-8");
        // 读取KeyStore:
        KeyStore ks = loadKeyStore("/my.keystore", "123456");
        // 读取私钥:
        PrivateKey privateKey = (PrivateKey) ks.getKey("mycert", "123456".toCharArray());
        // 读取证书:
        X509Certificate certificate = (X509Certificate) ks.getCertificate("mycert");
        // 加密:
        byte[] encrypted = encrypt(certificate, message);
        System.out.println(String.format("encrypted: %x", new BigInteger(1, encrypted)));
        // 解密:
        byte[] decrypted = decrypt(privateKey, encrypted);
        System.out.println("decrypted: " + new String(decrypted, "UTF-8"));
        // 签名:
        byte[] sign = sign(privateKey, certificate, message);
        System.out.println(String.format("signature: %x", new BigInteger(1, sign)));
        // 验证签名:
        boolean verified = verify(certificate, message, sign);
        System.out.println("verify: " + verified);
    }

    static KeyStore loadKeyStore(String keyStoreFile, String password) {
        try (InputStream input = Main.class.getResourceAsStream(keyStoreFile)) {
            if (input == null) {
                throw new RuntimeException("file not found in classpath: " + keyStoreFile);
            }
            KeyStore ks = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
            ks.load(input, password.toCharArray());
            return ks;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    static byte[] encrypt(X509Certificate certificate, byte[] message) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(certificate.getPublicKey().getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, certificate.getPublicKey());
        return cipher.doFinal(message);
    }

    static byte[] decrypt(PrivateKey privateKey, byte[] data) throws GeneralSecurityException {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(privateKey.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    static byte[] sign(PrivateKey privateKey, X509Certificate certificate, byte[] message)
            throws GeneralSecurityException {
        Signature signature = Signature.getInstance(certificate.getSigAlgName());
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(message);
        return signature.sign();
    }

    static boolean verify(X509Certificate certificate, byte[] message, byte[] sig) throws GeneralSecurityException {
        Signature signature = Signature.getInstance(certificate.getSigAlgName());
        signature.initVerify(certificate);
        signature.update(message);
        return signature.verify(sig);
    }
}

在上述代码中,我们从key store直接读取了私钥-公钥对,私钥以PrivateKey实例表示,公钥以X509Certificate表示,实际上数字证书只包含公钥,因此,读取证书并不需要口令,只有读取私钥才需要。如果部署到Web服务器上,例如Nginx,需要把私钥导出为Private Key格式,把证书导出为X509Certificate格式。

以HTTPS协议为例,浏览器和服务器建立安全连接的步骤如下:

  1. 浏览器向服务器发起请求,服务器向浏览器发送自己的数字证书;
  2. 浏览器用操作系统内置的Root CA来验证服务器的证书是否有效,如果有效,就使用该证书加密一个随机的AES口令并发送给服务器;
  3. 服务器用自己的私钥解密获得AES口令,并在后续通讯中使用AES加密。

上述流程只是一种最常见的单向验证。如果服务器还要验证客户端,那么客户端也需要把自己的证书发送给服务器验证,这种场景常见于网银等。

注意:数字证书存储的是公钥,以及相关的证书链和算法信息。私钥必须严格保密,如果数字证书对应的私钥泄漏,就会造成严重的安全威胁。如果CA证书的私钥泄漏,那么该CA证书签发的所有证书将不可信。数字证书服务商DigiNotar就发生过私钥泄漏导致公司破产的事故。

练习

使用数字证书

小结

数字证书就是集合了多种密码学算法,用于实现数据加解密、身份认证、签名等多种功能的一种安全标准。

数字证书采用链式签名管理,顶级的Root CA证书已内置在操作系统中。

数字证书存储的是公钥,可以安全公开,而私钥必须严格保密。


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