RSA(五) PKI (Public Key Infrastructure) 公钥基础设施

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前言

在上一篇《RSA(四) 签名 Signature》章节签名 Signature 中提到，要使用签名(Signature)机制来保证信息再传递过程中没有被第三方所篡改，有一个前提，就是必须保证，在公钥的传递过程中不被他人篡改，否则，整个签名机制就形同一张白纸，毫无用处；那么又该如何保证公钥的合法性，保证公钥本身没有被篡改过呢？这就是 PKI 公钥基础设施要完成的工作和达到的目的；

备注，本文是作者的原创作品，转载请注明出处。

公钥被篡改

首先，我们来看看，在通讯过程中，公钥是如何被他人所篡改的？也就是 Man in Middle Attack 是怎么做到的？

先来看一个正常的，通过公钥和私钥加密通讯的场景，

服务器端生成公钥和私钥，并将公钥通过网络发送给客户端，客户端使用公钥加密 DES 对称加密密钥，然后将 DES 密钥发送给服务器端，之后，双方便可以进行加密通讯了；备注，这也是基于 RSA 加密通讯的基础；但是，这样做，并不可靠，下面我们再来看一个公钥被挟持并被篡改的场景；

这次通讯的时候，不幸的是，客户端与服务器通讯的时候，正好经过了一个黑客的路由器，通过网络嗅探，它截获了服务器所发送的公钥，并利用自己的私钥，生成了一个新的公钥，并替代原有的公钥并将这个新的公钥发送给了客户端，这个过程就是公钥被截获，被篡改的过程；而后，客户端将使用被篡改过后的公钥进行加密通讯，所以，凡是经过客户端加密的信息，全部可以被黑客的私钥解密，也就导致了，加密通讯彻底失效；正是在这种背景之下，PKI (Public Key Infrasture) 公钥基础设施孕育而生；

后记，发现还漏了一环，首先要知道的是，当通过 RSA 建立好 SSL 通讯通道以后，实际上，为了效率，该通道上数据实际上是通过对称加密密钥 AES 进行加密传输的，所以，能否保证数据通讯的安全性的重中之重的环节就是保证 AES 密钥在传输过程中的安全性，正如上图所描述的那样，当黑客截获到加密后的 AES 密钥以后，首先需要通过黑客自己的私钥对其解密，然后再通过黑客所截获的服务器的公钥对该 AES 密钥进行加密，然后再传输给服务器端，如果不这样做的话，服务器是无法通过它自己的私钥解密出 AES 密钥的；（后记于 2018-01-30 10:45AM）

PKI

PKI 的核心职责就是通过一些列的措施保证公钥的合法性，那么它是如何保证公钥不被篡改，是合法的呢？

如何保证公钥不被篡改的

比如 Alice 通过 RSA 生成了公钥 $K_{p}$ 和密钥 $K_{s}$，她需要与 Bob 进行网络通讯，而且她必须通过网络将公钥 $K_{p}$ 发送给 Bob；那么 PKI 是如何保证此公钥 $K_{p}$ 在传输过程中不被篡改的呢？

简而言之，PKI 的策略就是通过一个第三方机构 $M$，该机构 $M$ 也有自己的公钥 $K_{p(m)}$ 和密钥 $K_{s(m)}$；

首先通过该机构 $M$ 进行如下的操作，

  1. Alice 将自己的公钥 $K_{p}$ 提交给 $M$；
  2. $M$ 使用签名算法，比如 MD5，对 Alice 的原生公钥 $K_p$ 进行签名得到 $S_p$；
  3. 然后再通过 $K_{s(m)}$ 对 $S_p$ 进行加密得到加密后的签名 $E_{sp}$；
  4. 最后将 $E_{sp}$ 颁发给 Alice；

Alice 如何将公钥发送给 Bob？

  • Alice 将加密后的签名 $E_{sp}$ 和公钥 $K_p$ 一起发送给 Bob；
    备注，其实签名 $E_{sp}$ 和公钥 $K_p$ 被纳入一张证书(Certificate)中，Alice 发送给 Bob 的其实就是这么一张证书；但是，整整 X.509 证书包含的内容比这个复杂许多，不过概念上是等价的；这里，也就是证书的由来了。不仅要知其然，更要知其所以然..

Bob 如何保证接收到的 Alice 的公钥没有被篡改过？

Bob 拿到 Alice 的证书以后，做如下操作，(为了区分，这里将传输过程中 Alice 的公钥命名为 $K_p’$)

  1. 通过 $M$ 的公钥 $K_{p(m)}$ 对 $E_{sp}$ 进行解密，得到 $S_p$；
    注意，如果 $E_{sp}$ 被篡改了，这里是无法解密得到 $S_p$，也就是说，要保证解密成功，$E_{sp}$ 一定是没有被篡改过的；
  2. 然后使用双方所约定好的签名算法，比如 MD5，对 $K_p’$ 进行签名，得到 $S_p’$
  3. 最后比较 $S_p$ 与 $S_p’$ 是否相等，若相等，则表示发送过程中的公钥 $K_p’$ 没有被篡改过，否则，则可以断言，$K_p’$ 被篡改过，于是整个通讯不安全、不可靠；

（备注，这里的机构 $M$ 有个行业用语叫做 $CA$ 既是 Certification Authority；）

等等，第三方机构 CA，在 Bob 端使用 CA 的公钥 $K_{p(ca)}$ 对 $E_{sp}$ 进行解密，得到签名 $S_p$，那如果 CA 的公钥 $K_{p(ca)}$ 在传输过程中也被篡改了呢？好问题，第三方机构 CA 自身如何保证其公钥的合法性？如果不能保证 CA 公钥的合法性，上述基于签名保证 Alice 公钥合法性的措施也就是是一纸空谈。

那么，CA 又是如何保证自己的公钥的合法性的呢？

这里将谈到的就是 KPI 的又一大特征，基础设施；

为了保证 CA 公钥的合法性，通常，CA 机构的公钥是随系统、浏览器等预安装到客户电脑上的，也就是说，你在装系统的时候，或者在安装浏览器的时候，CA 机构的公钥(一般是包含在 CA 证书中的) 被预装到了你的系统或者是浏览器中了；这样，黑客就没有办法通过网络拦截的办法去篡改 CA 机构的公钥了；这也就是基础设施命名的由来，既 Infrastructure；这样，也就保证了通过 CA 机构签名的证书即使是在不安全的网络环境中传播，依然是可靠并且是有效的；

概念流程图

真实过程中，用户是通过 $CSR$ 证书向 $CA$ 机构申请 $X.509$ 证书，申请过程中会包含申请者的地址，单位，邮箱等信息，比下图要复杂；这里，主要是化繁为简，通过如下的概念图，将其核心逻辑阐述清楚，下面的逻辑流程图一一对应如何保证公钥不被篡改的中所描述的步骤；

注意两个关键步骤

  • Step 6.1.1: 断定签名 $E_{sp}$ 被篡改过；
    要能够断定这种情况，保证 $E_{sp}$ 一定没有被篡改过，需要公钥基础设施(既 PKI )的保证，保证签名颁发机构 $M$ 的公钥是无法被篡改的

  • Step 8.1: $S_p != S_p’$，则可以断定公钥是被篡改过得；
    这里面更深层次的原因是，通过公钥认证机构得到的签名 $S_{p}$ 与 Bob 自己得到的公钥签名 $S_{p}$ 不匹配，则可断定，Alice 的公钥 $K_p$ 被篡改过；

KPI 包含哪些元素

在章节如何保证公钥不被篡改的中，作者用最通俗易懂的言语描述了 KPI 公钥基础设施是如何保证公钥的合法性的，以及其重要性；不过，在官方定义中，严格的定义了如下的角色，

  1. CA (Certificate Authority)，证书认证机构
    对公钥、用户身份信息、域名等信息进行签名，生成相关的电子证书；并将电子证书颁发给申请用户；
    另外还会通过其专有的协议来判断证书是否有效（是否超过使用有效期）,如果证书失效，将会生成证书回收列表既是 certificate revocation list ，该部分内容涉及到 Authority revocation lists 的相关内容，从 https://en.wikipedia.org/wiki/Certificate_authority 摘要其核心内容如下，

    An authority revocation list (ARL) is a form of certificate revocation list (CRL) containing certificates issued to certificate authorities, contrary to CRLs which contain revoked end-entity certificates.

    https://tools.ietf.org/html/rfc5280#section-4.1.2.6 标注中也描述了有关 CRL 协议和标准；

  2. RA (Registration Authority)，注册认证机构
    看下 https://en.wikipedia.org/wiki/Public_key_infrastructure 中的描述，

    A registration authority which verifies the identity of entities requesting their digital certificates to be stored at the CA

    是用来验证证书申请机构的身份的；不过现在 CA 和 RA 并没有完全区分，往往两者表示同一个角色；
    用户需要像该机构提交一张 CSR 格式的证书(该证书的后缀名为 .csr)，既是 certificate signing request 来申请，里面需要填写诸如你的域名，公司名，部门名称，城市名，地区名，国家名，电子邮件等等证明你身份的信息；

从 #1 中，我们知道，CA 不但会对用户的身份信息以及公钥进行签名，而且会生成相应的电子证书来保存这些签名信息，最终将该证书颁发给用户；而事实上，该电子证书经过数个版本的变化，现在已经形成了一个事实标准，那就是 X.509 证书；作者会在后续的文章中对其进行详细的介绍；

CA 机构

这里描述一下国际知名的 CA 机构有哪些，

如下内容可以从 https://en.wikipedia.org/wiki/Certificate_authority 获得

Reference

Public key infrastructure: https://en.wikipedia.org/wiki/Public_key_infrastructure
Certificate Authority(CA): https://en.wikipedia.org/wiki/Certificate_authority