一文弄懂关于证书的一切，ssl协议，android包签名机制。

程序员文章站 2022-07-10 14:33:39

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所有的概念都基于一个非常重要的基础：

rsa 非对称加密算法 ：
1. 在加解密上，两个秘钥是对等的任何一个可以加密，另一个可以用来解密。
2. 用openssl创建一个秘钥，然后可用该秘钥可以生成另一个秘钥。但是反过来不可以。所以创建的秘钥叫私钥，而根据私钥生成的秘钥叫公钥。
3. 一个私钥只能对应一个公钥。

先感受下几个概念

PKI。

PKI是公钥基础设施（Public Key Infrastructure) 包括PKI策略、软硬件系统、证书机构CA、***构RA、证书发布系统和PKI应用等。

我们关注就俩东西： PKCS 证书机构CA 。前者是定义加密算法，签名，证书相关的各种事情采用的协议。后者可以为我们颁发权威的证书。

PKCS ：
PKCS（The Public-Key Cryptography Standards ）是由美国RSA数据安全公司及其合作伙伴制定的一组公钥密码学标准，其中包括证书申请、证书更新、证书作废表发布、扩展证书内容以及数字签名、数字信封的格式等方面的一系列相关协议。RSA算法可以做加密、解密、签名、验证，还有RSA的**对存储。这些都需要标准来规范，如何输入，如何输出，如何存储等。

PKCS。全称是公钥密码学标准，目前共发布过 15 个标准，这些标准都是协议。总结一下就是对加密算法，签名，证书协议的描述。下面列举一些常用的协议，这些协议在本文都会对应上。

PKCS#1定义了RSA公钥函数的基本格式标准，特别是数字签名。它定义了数字签名如何计算，包括待签名数据和签
名本身的格式；它也定义了RSA公/私钥的语法。

PKCS#10：证书请求语法标准。证书请求包含了一个唯一识别名、公钥和可选的一组属性，它们一起被请求证书的实
体签名。

PKCS#7 是一种将数据加密和签名（正式名称是“enveloping”）的技术标准。 它描述数字证书的语法和其他加密
消息——尤其是，数据加密和数字签名的方法，也包含了算法。但PKCS#7不包含私钥信息。 

PKCS#8：私钥信息语法标准。PKCS#8定义了私钥信息语法和加密私钥语法，其中私钥加密使用了PKCS#5标准。

PKCS#12：个人信息交换语法标准。PKCS#12定义了个人身份信息（包括私钥、证书、各种秘密和扩展字段）的格
式。简单来说，PKCS#12 定义了一个用于保存私钥和对应公钥证书的文件格式，并由对称**加密保护。PKCS#12
通常采用PFX,P12作为文件扩展名。 PKCS#12文件可以存放多个证书，并由密码保护。

这些协议具体的实现就体现在openssl等工具中，以及jdk工具keytool jdk java第三方库bouncycastle。

比如用openssl 如何生成公/私钥(PKCS#1)、签名(PKCS#1 )、签名请求文件（KCS#10）、带口令的私钥（PKCS#8）。含私钥的证书（PKCS#12）、证书库（PKCS#12）

其中涉及到算法的基础协议PKCS#1等，由于涉及到密码学原理所以我们并不需要深究它，只要知道怎么做就可以了。

现实中我们要解决这样一种情况:

客户端和服务器之间的数据要进行加密。需要两个达成同一个对称秘钥加密才行，那么这个秘钥如何生成，并在两边都能拿到，并保证传输过程中不被泄露。这就用到非对称加密了。后续的传输，就能用这个对称秘钥来加密和解密了。

还有这样一个问题：

就是客户端如何判断服务端是否是合法的服务端。这就需要服务端有个id来证明它，而这个id 就是证书，而且必须是权威机构颁发的才能算是合法的。
因为客户端即浏览器，认定证书合法的规则必须通过第三方来确认即ca颁发的证书。否则就我可能进了一个假网站。

而这两个问题都是ssl协议要解决的内容。

所以ssl协议做了两件事情，一是验证身份，二是协商对称秘钥，并安全的传输。而实现这个过程的关键数据模型就是证书，通过证书中的ca对证书的签名，实现了身份验证，通过证书中的公钥，实现对对称秘钥加密，从而实现数据保密。其实还顺手做了一件事情就是通过解密签名比对hash，保证了数据完整性。

明白ssl协议首先明白几个重要的概念：

证书： 顾名思义就是提供了一种在Internet上验证通信实体身份的方式，数字证书不是数字身份证，由权威公正的第三方机构，即CA（例如中国各地方的CA公司）中心签发的证书，就是可以认定是合法身份的。客户端不需要证书。证书是用来验证服务端的。

一般的证书都是x509格式证书，这是一种标准的证书，可以和其他证书类型互相转换。完整来说证书包含，证书的内容，包括版本号，证书***， hash算法，发行者名称，有效期，公钥算法，公钥，签名（证书原文以及原文hash一起签名）而这个内容以及格式都是标准化的，即x509格式是一种标准的格式。

签名: 就用私钥对一段数据进行加密，得到的密文。这一段数据在证书的应用上就是对证书原文+原文hash进行签名。
谁签的名，就是用谁的私钥进行加密。就像身份证一样，合法的身份证我们都依据是*签的，才不是假证，那就是浏览器会有*的公钥，通过校验（解密）签名，如果能够解密，就可以确定这个就是*的签名。就对了。

ca机构： 权威证书颁发机构，浏览器存有ca的公钥，浏览器以此公钥来验证服务端证书的合法性。

证书的获取： 生成证书申请文件.csr（涉及到PKCS#10定义的规范）后向ca机构申请。或者自己直接通过生成私钥就可以一步到位生成自签名证书。自签名证书就是用自己的私钥来签名证书。

那么为了体现到证书身份认证、数据完整、保密性三大特性，证书的简化模型可以认为包含以下两个要素：服务器公钥，ca的签名（被ca私钥加密过的证书原文+原文hash），

身份认证：
浏览器存有ca公钥，用ca公钥解密网站发给你的证书中的签名。如果能解密，说明该证书由ca颁发，证书合法。否则浏览器就会报警告，问你是否信任这个证书，也就是这个网站。这时候的证书可以是任何人签发的，可以自己签发的。但是中间人攻击。完全伪造新的证书，这就没有办法了。所以还是信任证书的时候要谨慎。

数据完整：
如果你信任该证书的话，这时候就会用证书中的公钥去解密签名，如果是ca签发的证书，那么之前就已经通过ca的公钥去解密签名了。然后得到证书hash，然后在浏览器重新对证书做hash，两者比对一致的话，说明证书数据没有被篡改。

保密性：
使用证书的公钥对对称秘钥加密保证传输安全，对称秘钥生成后，后续的传输会通过对称秘钥来在服务端和客户端的加解密。

那么ssl协议的具体过程就是：

客户端请求建立SSL连接，将协议版本，随机数，支持的一套加密规则，压缩方法发给服务器。
服务器收到客户端请求后，确定协议版本如果不一致则关闭通信。如果一致则生成随机数，确定的加密方法，返回证书给客户端。证书里面包含了网站地址，公钥，原文hash 签名以及证书的颁发机构等信息
获得网站证书之后浏览器先验证证书的合法性，再生成一个随机数，然后把对称**（三个随机数通过一个**导出器生成），编码改变通知，前面发送的所有内容的hash值。用服务器公钥加密以上内容，发送给服务器。那个hash值是用来服务器校验这个阶段的数据完整性。

4.网站接收浏览器发来的数据之后使用自己的私钥解密信息，并进行hash 与原文中的hash 做比对检查完整性。然后发送编码改变通知，服务器握手结束通知（所有内容做hash ）。发送给客户端校验。

5 客户端校验成功后，之后就用对称秘钥进行通信了。

总共的过程是 c-s-c- s-c 四次握手。

四次握手简单来说分别是：
1.请求获取证书
2.服务端返回证书，客户端验证了证书的合法性和完整性，同时生成了对称秘钥。
3.客户端把加密的对称秘钥发给服务器。服务器检查真实性和完整性。
4.服务端返回握手结束通知，客户端再检查一次真实性和完整性。

前两次握手是明文，后两次握手是密文。所以都要检查数据的真实性和完整性。

ca的作用：
ca起到一个权威中间人的角色，如果脱离了ca，那么证书还是证书，还能加密，保证数据完整性。但是无法应用在客户端去认定服务器身份合法这个场景下。

下面就详细说下脱离了ca签发的证书的应用：

自签名证书：

证书如果没有权威机构的签名，就是没有权威机构给你签发身份证。那么这时候身份认证的场景变了。
这时候的认证场景就变成了，不再是某个官方权威说了算，而是假设第一次碰到这个证书，会认为，这个证书与之捆绑的实体之间是合法的并做记录。如果当这个实体下次捆绑了另一个证书，那么就是非法的。

这种情况常用于android中安装和校验app的时候，会先假设第一次安装的是合法的应用，认定这个app证书中的公钥是合法的公钥。然后通过自签名的证书，校验签名，就能实现后续安装是否合法以及完整性。

android中的如何对app进行身份认定和不被篡改：

android系统在安装app时候会进行校验applicationId，applicationId 不同会认定为不同应用。相同应用，第二次安装会校验证书是否和之前app的证书相同，如果相同则两个包很可能来自同一个身份。如果证书不同，也就是该包被另一个身份用自己的私钥重新签名过，就会拒绝安装。然后通过公钥来解密签名，如果能解密，说明身份是ok的。否则拒绝安装。比对解密签名后的hash 与apk包内的cert.sf文件(该文件是apk内所有文件生成的hash文件)是否一致，如果相同则认定为没有被篡改。

android在提交应用商店的问题：

应用商店也会校验后续的上传和第一次上传时的证书，以及类似上述的后续的一系列校验。防止合法的开发者平台被盗后，上传非法应用。

android在接入第三方sdk的问题：

接入第三方sdk 会提交applicationId 和 sha1 值。这个sha1值就是对证书原文的签名后的sha1，也就是证书指纹。这个证书是证书库里最初的那个证书（x509格式），而不是对apk签名后生成的证书(PKCS#7)。一般的证书签名的主体是证书原文本身，而对apk签名还额外会对apk所有文件生成的hash值文件（cert.sf）进行一次签名。

第三方平台会记录 applicationId 与sha1 的对应关系。当有假冒app试图接入时候，由于会对app内的PKCS#7证书转换为原始的x509格式证书，重新生成sha1值，与用户提交sha1 比对，如果相同则说明证书很可能是ok的。因为sha1就是证书的指纹。之后就会通过证书中的公钥来校验签名，从而最终确认身份合法性以及信息完整性。

第三方平台之所以需要用户去提交证书指纹sha1值，多了这一步，就意味着你的证书是可以更换的，一旦更换了证书，就必须提交新的指纹给我，然后我来做匹配。而应用商店没有这个功能，一旦你的证书的私钥丢了，那就必须重新建一个新的app。

总结来看证书的身份认定机制：

在ssl协议下，这种场景是浏览器用于认定合法的服务器身份。在自签名证书下，需要用户选择是否信任该证书。

在android app采用自签名证书的场景下，证书起到了假设第一次的证书合法，公钥合法，后续如果证书不一致或不能够完成签名校验，就是非法。

证书库：

证书库应该满足PKCS#12协议。但是jdk提供了制作证书的工具keytool 可以生成keystore类型的证书库，后缀为jks。 keystore pk12可以通过keystore命令互相转换。

证书库是个证书的容器，可以用来创建数字证书。在keystore证书库中，所有的数字证书是以一条一条(采用别名alias区别)的形式存入证书库的。证书库中的证书格式为pk12，即包含私钥。如果导出证书的话，可以导出为x509不包含私钥的格式或者pk12包含私钥的证书。也可以也可以用-import参数加一个证书或证书链到信任证书。

android中一般都采用读取证书库的方式，通过证书库来创建一个证书，通过alias来区分。所以在签名的时候，一个alias是一个证书，不同的alias是不同的证书，不要搞错了。

几个关系：

证书和非对称加密算法的关系：
证书代表一个身份的主体，包含了非对称秘钥体系中的公钥，以及用私钥对证书签名。这种组织结构，把非对称加密算法从加密的功能，拓宽到了用于身份认证，信息完整性上。这体现在了证书的作用。本质还是利用了非对称加密算法的特性。

ssl协议和证书的关系。
因为证书解决了客户端对服务器的身份认证（自签名证书除外），同时也解决了加密，和信息完整性，所以ssl协议基于证书来实现。