https基础 - 关于签名证书CA的那些事
“我报名参加金石计划1期挑战——瓜分10万奖池，这是我的第2篇文章，点击查看活动详情”
前言
- 本篇属于理论知识篇，适合于所有人进行学习。
- 本篇属于基础入门，如果您是大神，可以快速划过。
- 本篇的内润循序渐进，跳跃可能会影响阅读体验。
- 相信你看完本篇，会有一些不一样的认识。
话不多说；
So，let's start tossing!
本文总字数
2510字，预计阅读需要花费9分钟。
背景
在搭建https的环境中，经常会看到一些名词，例如签名、认证、密钥、证书这类的名词，一时半会儿晕头转向，好像知道它在说些什么，但是又好像什么也不知道。
这些盲区好像拦路石一样，阻碍我们前进的步伐，如果你也跟博主一样有这样的困惑，那么就跟着步伐，一起去探索网络世界的奥妙吧！
知识储备
CIA Triad/信息安全三要素
- 保密性（Confidentiality）：信息在传输时不被泄露
- 完整性（Integrity）：信息在传输时不被篡改
- 有效性（Availability）：信息的使用者是合法的
我们在研究一项技术的时候（例如：签名），设法把它带入到这个CIA的模型中，就会更好的理解这项技术的设计初衷。
消息需要保密安全，那怎么实现呢？当然是加密和解密了。毕竟一切关于安全的问题，本质上都是加密和解密的事情。拆分下来就是：
- 如何加密如何解密（加密算法）
- 谁来加密和谁来解密（有效性）
- 怎么保证解密后的是加密前的（完整性）
- ......
一切安全的基础 - 加密算法
常见的加密算法，根据其算法的特征，主要分为两类：对称加密和非对称加密。
对称加密
对称加密 = 单钥加密 = 单密钥加密
算法特征
- 加密方和解密方使用同一个密钥
- 加密解密的速度比较快，适合数据比较长时的使用，也适合消息发送方有大量数据需要加密的场景
- 密钥传输的过程不安全，且容易被破解，密钥管理也比较麻烦，密钥丢失后会造成很大的麻烦
非对称加密
非对称加密 = 双钥加密 = 公私钥
算法特征
- 公钥和私钥总是成对出现的
- 公钥可以解开用私钥的加密的消息，反之也成立
- 公钥/私钥不能通过自己来解密自己加密过的消息（私钥本身持有公钥）
- 公钥和私钥是成对的，并没有明确的定义，你选择公开哪个，哪个就是公钥
- 公钥和私钥无法互相推出，（私钥无法导出公钥，之所以“可以”，是因为私钥文件里面顺便保存了公钥信息）
DES/AES/RSA
DES和AES是常见的对称加密的算法
RSA是经典的非对称加密算法
非对称加密的应用
由于非对称加密的特性，导致其在安全的领域内大放异彩。
其最主要的特性就是其私钥只有一份，其他任何人都不能获取到，拥有这个私钥，就可以成为其身份的象征，其他任何人都无法冒充。利用这个独特的性质，就可以产生一些奇妙的应用，例如下面的两个方面：
加密通信
由于通信的特征，导致非对称加密在通信领域中的实现原理较为简单，如下。
提示一下，这是一个思想实验，如果您看起来比较绕的话，建议您拿着纸笔画一画。
我们假设有A和B两个角色，需要进行通信，其中消息的流向是 A --> B，我们来模拟一下非对称加密算法在加密通信中的应用。
Step 1: 准备阶段
B生成来一个密钥对，其中公钥为x，私钥为y。
A持有B的公钥x。
Step 2:消息加密阶段
A利用公钥x对消息m进行加密，生成来加密消息m‘
即：x + m = m’
Step 3:消息解密阶段
B利用私钥y对消息m‘进行解密
即： y + m' = m
Step 4:其他人C尝试解密
由于C持有公钥x，m'是有x加密而来，不能再次使用x进行解密，所以这个消息C是无法破解的。
即：x + m‘ ≠ m
这样就完成了一次单向通信中的加密过程。 这个特性利用了只有一方持有私钥，那么发送方将消息利用持有方的公钥进行加密，就确定了这个消息的两个方面：
- 这个消息明确了接收方，其他任何人都无法接收到这一条消息
- 这个消息是具有保密性的，因为除了持有私钥的那一方，其他任何角色都无法对消息进行解密。
总结下来就是：利用公钥加密，私钥解密，就可以实现加密通信。
数字签名
或许你在想，那么我使用私钥加密，使用公钥进行解密，这样会有什么使用场景吗？
我们可以想一下，非对称加密的特征，在想一想场景，是不是有一些眉目了呢！
无论如何，是消息的发送方进行加密，消息的接收方进行解密，私钥唯一，而公钥不唯一。
让我们带入到加密通信的章节里进行对比分析：
| 公钥加密，私钥解密 | 私钥加密，公钥解密 | |
|---|---|---|
| 发送方 | 能唯一确定接收方 | 能唯一确定发送方 |
| 接收方 | 只有接收方能解密，消息的保密性得到保证 | 任何人都能解密，保密性不行 |
那么有什么场景下是适用这种模式呢？
也可以换一个问法，那种类型的消息能确定来源，而且任何人都能读到，对公众开放？
那么就是元信息。
在互联网的场景下，这个元信息随着消息一起发送，接收方对元消息进行解密，校验。
我们称这个元消息为数字签名。
具体数字签名是怎么设计的呢？
为了理解清晰，以下忽略了加密通信的过程，实际上通信过程中使用了双向加密，即A，B双方各持有对方的公钥，消息传递过程中也会重复
加密通信的流程。
假设 A --> B，消息为m的场景：
Step 1：签名阶段
A：
`m` -hash函数处理-> `m‘（摘要）`
`m‘（摘要）`-A的私钥->` m''（签名）`
Step 2: 传输阶段
传输过程中传输两部分
分别是原消息`m`和`m‘’（签名）`
Step 3: 验证阶段
B：
` m''（签名）` -A的公钥-> `m‘（摘要）`
`m` -hash函数处理-> `m‘（摘要）`
如果两步骤的m‘（摘要）是相同的，则说明
- 消息是完整的，因为两次hash后得到的结果是相同的
- 消息是A发送的，因为只有A的公钥才能解密
m''（签名）
所以，数字签名解决了CIP中的I（完整性）和P（有效性）。
加密通信配合数字证书就可以解决大部分的安全问题。
问题
什么是单向认证，什么是双向认证
在通信领域中，有可能B只需要接受消息，而不用主动的发送消息，那么这个过程就是单向认证。
角色B自身不生成密钥对，持有其他角色的公钥，从而被动的接受其他角色发来的消息，这种流程就是单向认证。
如果B也需要发送消息，那么B也需要生成密钥对，持有自己的私钥，而把公钥广播出去。这种的通信就是双向认证。
什么是数字签名，为什么需要数字签名
数字签名本质上就是 消息体m hash处理成为摘要，然后将摘要使用消息发送发的私钥进行加密后的产物。
主要是为了解决消息的完整性和有效性的校验，代表了这个消息是由A发出，具有可信度。
为什么说公钥加密，私钥签名
公钥加密是为了加密通信，解决了CIA模型中的保密性；
私钥签名是为了确定消息的完整性和有效性。
什么是数字证书，为什么需要数字证书
数字证书简称CA，它由权威机构给某网站颁发的一种认可凭证。
数字证书的颁发流程
有一个顶级机构root，它有自己的公钥和私钥。
Step 1: 申请阶段
A：
A的公钥 + A的一些信息（例如域名） 发送给 root
Step 2: 颁发阶段
root：
A的公钥 + A的一些信息（例如域名） + -root的私钥-> 中间体 + 签名 = A的证书
数字证书的使用流程
Step 1: A,B的通信阶段
A 消息m + 签名m‘ + 数字证书ca 发送给 B
Step 2: B的验证阶段
A证书ca = root的签名 + 证书内容
root的签名 + root的公钥 --> 验证证书的有效性和完整性
root的签名 + 证书内容 --> A的公钥 + A的一些信息（例如域名）
对A的消息进行比对（例如域名）
这个就完成了数字证书的整个流程。
为什么需要数字证书
中间人攻击：
在加密通信和数字签名的过程中，很有可能存在中间人攻击的状况，具体的就是 A <-> B <-> C这样的通信链路， A的消息先发送给B，B在发送给C，反过来也是一样， A和C都不知道对方的存在，他们都只知道B的存在。
B在建立连接的时候对连接进行拦截，形成了中间人攻击。 B就会看到所有的消息。所以需要数字证书对通信的对方进行置信。 后续详细会有文章详细的介绍一下中间人攻击。