密码系统和数字证书

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来源：W3xue　　发布时间：2018/3/15 13:36:14

信息传输过程中，总是容易发生安全问题的地方，传统的通讯方式是如此，例如古代战争中的信使可能被截杀，信鸽可能被捕获，现代信息技术中的通讯也是如此。在一个典型的C/S架构中，服务器与浏览器之间的通讯容易受到很多的攻击，包括：

• 网络监视。攻击者利用软件或设备截获通讯数据包，如果数据包没有加密，攻击者就可以看到全部的传输信息。当然，此类软件或设备也可以用来作为安全诊断工具，但在很多时候，它们是被攻击者使用的。
• 数据篡改。攻击者修改传输中的数据包，并篡改数据，使接收方接受不到正确信息。
• 密码破解。攻击者使用被盗用的密码或密钥，或直接破解密码。
• 地址欺骗。攻击者使用特殊的程序构造IP包，使得这个包看起来像是来自受信任的传输者的IP地址。
• “中间人”攻击。攻击者在不了解受影响方的情况下，监视、获取并控制两台正在通宵的计算机之间的传输数据，例如，攻击者而会为数据传输重新制定路由。

为了保护通信的信息安全，维持信息的完整性，我们需要对传输的信息进行加密，防止攻击者的截获和篡改。

一、密码系统

1、密码系统概述

密码学是一门古老的学问。从古代的密文军报、虎符（一种兵符）到日常生活中的锁和钥匙，无一不是密码学的应用。而现代通讯过程中，需要对信息进行加密和解密，这就涉及到密码系统的相关知识。

古代时，最经典的两个加密技巧是：一、置换（Transposition cipher）：将字母顺序重新排列，例如‘help us’变成‘ehpl su’。二、替代（substitution cipher）：有系统地将一组字母换成其他字母或符号，例如‘go to secret road’变成‘hp up tfdsfu spbe’（每个字母用下一个字母取代）。

在现代计算机体系中，简单的加密方法显然已经不能满足日益增长的安全需求。我们需要更加复杂、健壮的密码系统。这个密码系统必须做到以下几点：一、保护用户身份和数据不被读取；二、保护数据不被篡改；三、确认数据来源于确定的用户，而不是不受信任的第三方。

众所周知，密码系统有对称和不对称（又称非对称）两种方式。这取决于加密和解密的方式。

加密的过程就是将数据变的不规则的数据的过程，加密使得攻击者想要解密密文变的更加困难且耗时。在实际环境中，email、电子商务数据、文件存储、数据库链接、客户端与服务器端连接常常会用到加密过程。

加密数据通常需要使用加密算法（密码）和机密数据（密钥），密钥可以防止信息被解码（即使加密算法是公开的）。但是，如果一旦密钥被泄露，即使是功能最强大的算法也会变的无济于事。所以，密钥系统是整个密码系统的关键，密钥的生成、存储、交换都必须受到严格的保护。切忌在密钥交换过程中使用明文进行传输。

2、对称加密算法

对称加密算法使用数据发送方和接收方都认同的单一私钥（又被称作“会话密钥”），此密钥即被用来加密数据，也用来解密数据。

对称加密算法的优点在于，快速、有效，适合对大流量数据进行加密。其缺点也显而易见，密钥在交换时很难受到严格的保护，需要经常更换回话密钥，为每条加密信息创建不同的回话密钥。

3、不对称加密算法

不对称加密算法使用2种密码：即公钥和私钥，私钥必须对未经授权的用户保密，公钥则可以向所有人公开。需要注意的是：

• 每个用户都持有私钥和公钥。
• 用公钥加密的信息只能用私钥解密。
• 用私钥加密信息时，任何公钥持有者都能确认，此消息由私钥所有者发出。
• 由于算法较为复杂，不对称加密的安全性要高于对称加密，但其效率不如对称加密。

公钥和私钥很显然存在某种规律，或者说联系。一般情况下，它们是存在数学关联性的，这种数学关联性必须足够复杂，这样，只要密钥的长度足够长，以现有的计算机计算速度，想要短时间内破解是不可能的。例如，以一个足够长的半质数（两个质数的乘积）作为公钥，以其中一个质数因子作为私钥，就算攻击者知道了公钥，但想要破解这是哪两个质数的乘积需要做海量的运算。当然，如果真正意义上的量子计算机被制造出来，现有的基于电子计算机的密码系统将被秒杀，就算算法不变，其强度要以指数级上升。

4、交换和存储密钥

由于对称加密的安全性问题，和不对称加密的效率问题，在实际使用中，2种加密方式通常混用。

一个常用的混用方式是，利用不对称加密的安全性，传输一个会话密钥，利用这个会话密钥再对剩下的信息进行对称加密解密。而会话密钥也常常变更。

密码系统中，最难的部分就是对私钥进行保护，因为公钥是公开的，私钥成了整个系统的关键点和薄弱环节。可以把密钥存储在一个被访问控制列表（即ACL，之前的文件系统安全章节有介绍）保护的位置（例如文件系统或注册表），这个ACL一般被设置成只给应用程序读取该资源，而完全控制权只属于创建者和系统管理员。这样，就可以利用操作系统的安全性增强私钥的安全性。

Windows 2000以上操作系统还可以使用DPAPI（数据保护API）存储密钥。DPAPI能够消除使用密码的应用程序所带来的密钥管理问题。DPAPI 使用与 DPAPI 函数（CryptProtectData和CryptUnprotectData）的调用代码关联的用户帐户的密码，以便派生加密密钥。因此，是操作系统而非应用程序管理着密钥。不需要显式的密钥管理，可以利用系统提供的函数生成用户特定或计算机特定的加密数据。只有其登录凭据和最初加密数据的用户凭据相匹配才能解密该数据，而且通常只能在加密该数据的计算机上进行解密。如果使用SYSTEM账户（如ASP页）运行进程，则可以使用特定的函数将密钥存储到本地安全机构（LSA），不过LSA只能存储少量的密钥。而且，诸如LSADump2.exe这样的管理员用工具仍然能够看到存储的密钥。

密钥存储是设计安全系统时最难的部分，通常的原则是：尽可能避免存储密钥。

如果一味的追求性能，使用一些追求方便与速度的办法，例如将密码存储到程序的源代码中，就算程序经过编译，人们无法读取源代码，但破解这样的密码还是很容易的。

如果密钥是类似一串简单的字符串，使用某些工具来转储dll或exe中的字符串，使用这种方法就可以确定密码，攻击者通过不停的尝试和程序显示的错误信息,来确定哪个是密钥字符。由于代码是遵循一定的规律编写的，静态的数据也是固定的，但密钥是随机的，如果把随机的密钥存储在源代码中，可以通过某些寻找信息熵密度的工具，来一步步确定密钥的存储位置。因此，总的来说，把密钥存储到源代码中或者程序的配置文件中，都是极其不安全的。

按有效时间来说，密钥分为两类：短期密钥和长期密钥。短期密钥又被成为临时密钥，并被诸如IPSec、SSL/TLS、RPC（Remote Procedure Call，远程过程调用）和DCOM（分布式组件对象模型）等很多网络协议所采用。密钥的生成和管理过程，应用程序和用户是不可见的。长期密钥一般用于身份验证、完整性检查和认可，或者是建立临时密钥。例如，使用SSL/TLS时，服务器使用被其公钥证书标识的私钥，为每个加密的SSL/TLS会话生成临时密钥。长期密钥也可以用来保护数据库和文件中的永久数据，因为这些数据会长期保存，所以攻击者在很长一段时间内会尝试破解密钥。因此，长期密钥最好采取强度更大、更私有化的方式生成和保护。

5、密钥管理方法

密钥是整个密码系统的核心，对密钥的管理也是重中之重，下面列出一些较好的密钥管理办法：

一是使用适当的密钥长度。密钥越短，越容易被破解。对不同的算法生成的密钥有不同的破解方式。例如，破解大多数的对称密码（例如DES和RC4，本站工具里有在线加密解密工具），攻击者需要尝试每个密钥；破解RSA密钥，攻击者需要获取用来创建公钥和私钥的随机数值，这个过程叫做因子分解。所以，不能说112位3DES（TripleDes）密钥的安全性就低于512位的RSA密钥，因为生产它们的方式不同，破解它们的方式也随之不同。实际上，对512位的RSA密钥破解，要快于对112位3DES密钥的暴力破解。

如果用不对称密钥保护对称密钥，应该使用适当长度的不对称密钥。如果用来保护对称密钥的不对称密钥长度不够，那么，暴力破解这个不对称密钥要来的更加容易。下表表述了它们应有的长度关系：

从上表可以看出，要用RSA保护80位的对称密钥，RSA密钥长度至少需要1228位。

二是使密钥接近数据源。这样做的原因是，“移动性”很高的机密只能在较短的时间内保密，所有的代码都有缺陷，访问机密信息的次数越多，留给攻击者的机会就越多。安安静静的把密钥存储在某地，永远都比读取或移动它来的安全。

一个糟糕的编程方式是，通过某一串函数，读取永久存储区的密钥，然后通过一系列处理函数，对密钥进行处理，最后通过加工的数据执行某些程序。这样做的缺点是，每个函数和执行过程都有可能成为攻击者攻破系统的薄弱环节。

我们应该采取的方式是，用函数取得密钥的句柄（智能指针，标识由系统分配，不直接指向内存），并只传递句柄，最后由一个关键的函数读取密钥，如果中间过程中某个函数被攻破，那么攻击者也只能获得密钥的句柄，而不能直接获得密钥。

三是密钥交换要谨慎。密钥交换一直是一个令人头疼的问题，如果攻击者能够威胁密钥交换的过程，TA就有可能获得密钥，并破解整个系统。密钥交换过程中面临的两大威胁是信息泄露和信息篡改。如果密钥用来验证终端的身份，或者用来对某些数据进行签名，这两种威胁都能导致加密系统的失效。

因此我们在交换密钥时，应注意以下几点：（1）某些密钥绝对不能交换。进行数据签名的密钥是私有的，还有其他一些私有密钥也不需要与别人共享。（2）不要将密钥嵌入代码。嵌入代码的密钥确实不存在交换的问题，但是如前文所述，一旦被攻击者锁定位置，那么问题就严重了。（3）该使用人工时还是要使用。土办法有时比网络传输来的更加靠谱，虽然其成本会略显高昂，但在一个系统的安全性成本高于人力运输成本时，就应该这么做。（4）使用可执行密钥交换的协议，这样就可以在本地进行密钥的生成，无需进行传输。这个方法只适合短期或临时性的密钥。如SSL/TLS何IPSec在通信前进行密钥交换，而在交换完成后，传输的大量数据就无需再进行密钥交换。如果数据保存在注册表或数据库中，就不能使用这个模式。（5）不要创建自己的密钥交换协议。除非你是世界级的大神，创建自己的密钥交换协议来保护十分重要的数据是十分危险的，建议使用已有的成熟交换协议，如Diffe-Hellman协议，RSA等。

6、使用哈希值校验数据完整性

使用网络传输数据的时候，可以哈希值来确保数据的有效性，以防止数据被篡改，以及某些恶意和非法的数据提交。

哈希值是一种数据“指纹”，其基本原理是，通过散列函数，将一串数据压缩成摘要，使得数据量变小（当然，如果不压缩也是可以的，但最重的哈希值长度将非常长）。并用函数将数据打乱混合，重新创建一个哈希值（又被称为散列值，hash values，hash codes，hash sums，或hashes）。散列值通常用一个短的随机字母和数字组成的字符串来代表。哈希值取决于一段数据中每个可能的位置的值，因此，理论上，修改任意一个地方都会引起哈希值的改变。但由于压缩的应用，哈希值会出现冲突（即2个不同的值，最重哈希值会是相同的）。好的散列函数在输入域中极少出现散列冲突。

举个简单的生成哈希值的例子，这里我们不用压缩，只打乱次序。我们要取得一个字符串“abmk”的哈希值，首先，我们找到a、b、m、k的ASCII字符，分别是：61、62、6D、6B，然后我们将其打乱，将第3个字符m拉到最前面，ASCII码的次序变成：6D、61、62、6B，然后，我们采取一个简单的算法，即当前位的哈希值为前一位ASCII码与当前位的ASCII码的十六进制和，第一位则保持原样，于是我们就得到下面这个序列：6D、CE（6D+61）、C3（61+62）、CD（62+6B），“6DCEC3CD”就是一串哈希值。

当然，这个例子讲述的是很简单的办法。一些较流行的哈希算法如MD5会进行补位、压缩等操作。由于存在MD5数据库，因此，我们在使用MD5等流行的加密算法时，一定要对其进行适当的变更，如增加任意字符串混进结果、3MD5甚至4MD5等。当然，对安全要求高的企业用系统还是尽量避免使用MD5算法，而采用RSA等强度更高的算法。

现在，我们来看看如何利用哈希值校验数据。例如，我们要向一个接口传输一些参数，“id”参数的值为“120”，“number”参数的值为“5”，“token”参数的值为“cbadfaec”，我在本地将参数传递给接口服务器的同时，还传递一个哈希值参数“hashcode”，其算法是：先把参数名按字母顺序排列，然后使用“&”连接它们，再利用等号将键值连接，再使用1次MD5加密，于是，我们需要传输到服务器的值是：id=120&number=5&token=cbadfaec&hascode=b564e4de8f2c7fc38f44facd77cbe534。服务器端在收到这串数据后，将会对hashcode参数外的其他3个参数进行同样的算法，将得到的哈希值与传递的哈希值进行比对，相同则允许进行操作。

另一个利用哈希值校验的常见场景是，将用户的密码以哈希值的方式存储在服务器端的数据库上。在验证时，将用户输入的密码的哈希值与服务器的进行比对，比对成功则予以授权。

7、使用数字签名

数字签名将哈希值与加密相结合，以确保数据的完整性，并验证数据发送方的身份。

使用数字签名加密的大致步骤如下：首先，将数据转换为哈希值，然后，使用用户私钥加密哈希值，由此生成数字签名，并将此签名与数据一同发送到接收方（如一台服务器）。

解密的大致步骤如下：首先，接收方使用发送方的公钥进行签名解密，得到原来的哈希值。如果可以解密，则说明数据来源于可信方（即私钥所有者）。然后，对其他的数据运行哈希算法得到哈希值，并将其与解密出的哈希值进行比对，如果两个哈希值相同，则可以确信数据没有被篡改。

二、数字证书

数字证书可以使不对称加密、公钥交换更加的安全，从而保护Web应用程序。数字证书是将个人和单位的详细信息，与个人或单位的公钥绑定的信息项，可用数字证书确认客户端和服务器的身份。

1、基本定义

数字证书是包含公钥持有者信息的二进制结构，最通用的证书是X.509证书，它有3个版本：1、2、3。以X.509的版本3为例，它至少包含了下表中列出的信息：

使用数字证书的一些通用协议包括：

• SSL/TLS。用来保护客户端应用程序和服务器应用程序之间连接安全的协议
• 安全多用途Internet电子邮件扩展（S/MIME，Secure Multipurpose Internet Mail Extensions）。用来发送安全的电子邮件。
• IPSec。支持保密性、身份验证和数据完整性的计算机之间的协议

2、证书颁发机构

数字证书由证书机构颁发，这个机构是众所周知的受信任的第三方，它的职责是确认证书的内容和所有权。证书颁发机构向一个主体颁发证书时，会完成以下步骤：

1. 进行背景检查来确认主体的真实身份。例如，对物理地址的检查，或者对主体发送过来的电子邮件进行检查。检查的过程也可能只是简单的确认一下，但由于证书通常用在重要敏感的地方，所以更严格的背景检查是明智的。
2. 使用私钥创建证书并签名
3. 颁发证书给主体
4. 让所有感兴趣的用户知道该证书（这一步也可以由主体来完成）

而在用户这边，可以自由的选择信任哪些证书颁发机构，这往往取决于以下几个因素：

• 证书颁发机构自身的权威性。
• 证书颁发机构为确认主体身份进行的各种检查。这个检查过程必须公开，使用户可以确定对该机构颁发的证书的信任程度。
• 证书本身的种类。这个指标反映了颁发机构所提供的担保等级。例如，只浏览某个网页的证书的等级会低于网银系统的证书等级。如果两个实体信任同一个证书机构，它们就可以交换证书以获得彼此的公钥，从此，这两个实体可以确保相互之间的安全传输。

3、证书链和层次结构

与根证书相连的一系列证书称为叶子证书，这些叶子证书和根证书一起，组成了证书链和等级结构。根证书是等级结构最顶层（也可以说是最基层）的证书，它也被称为自签名证书，因为它是证书颁发机构颁发给自己的证书。

通常情况下，根证书会颁发多个下级证书，下级证书再颁发下级证书。下级证书可以基于不同的部门、地理位置或证书用途（如客户端验证或服务器端验证）。

为了使数字证书生效，证书用户必须高度信任这些证书。但有些时候，用户并不是十分相信这些证书颁发者。如果用户不知道这个证书颁发机构，可能只会勉强的接受该机构颁发的证书，也可能不信任该证书。这个问题可以在信任过程中，通过信任等级结构解决。

信任等级结构是指，信任过程至少要从一家可信任的授权机构开始。这个权威机构可能是政府的某个代理，或是独角兽级别的大公司，它被称为“根权威机构”。根权威机构可以认证其他证书颁发机构（称为第一层证书颁发机构），然后这些第一层颁发机构可以接着颁发证书，也可以认证其他机构为第二层颁发机构。

4、证书的存储

在浏览器所能访问的证书存储区中，存放着客户端证书和服务器证书。证书存储区是一个永久存储的位置，如某个磁盘位置或注册表，可以在系统内存中创建和开放证书存储区。内存存储区提供临时的证书存储区，用来保存不需要永久保存的证书。证书存储区包括下列信息：

• 证书。
• 证书撤销列表（CRL，Certificate Revocation List），是由证书颁发机构保留和发布的文档，该文档列出证书颁发机构颁发的但已经无效的证书。
• 证书信任列表（CTL，Certificate Trust List），是一个预定义列表，其中的项目经过了受信任实体的签名。表中所有项目都经过签名实体验证和认可。

系统存储区是由一个或多个预定义的物理存储区组成的存储区集合，它包括以下类型：

• 个人存储区。个人存储区包括某个用户的证书。个人存储区可位于多种物理位置中的任一位置，包括本地或远程计算机中的注册表、磁盘文件、数据库、目录服务、智能卡或其他位置。虽然任何证书都可以存储在个人存储区中，但这个存储区理应只存储个人证书。浏览器一般使用当前系统用户的个人存储区，而服务器软件则使用本地计算机系统的个人存储区。
• 受信任存储区（其他存储区）。这个存储区包括你信任的人的证书，当某个人的证书放到此区域后，将不再提示你确认是否信任此人。
• 根存储区。受信任的证书颁发者的证书通常保存在根存储区（注册表子键）。根存储区是受保护的，用户应只在其中存储受信任的证书。在企业环境中，管理员可以将证书从域控制器复制到客户端计算机的根存储区，该过程可向域的所有成员提供相似的信任列表。
• CA存储区。CA存储区包括可信任的CA颁发的证书。需要拥有CA的证书来建立证书链，使用户可以信任此CA颁发的所有证书。

除了这些预定义的存储区，也可以使用用户定义存储区存放证书信息。

在Windows系统中，微软还提供了.net Framework SDK的证书管理工具Certmgr.exe，此工具可以进行一系列的证书管理。

5、获取个人证书

为了保护电子邮件的安全性，个人可以向商业证书颁发机构（比如VeriSign）购买个人证书，然后可以对邮件进行加密，或者进行数字签名，以证明邮件的真实性，或向WEB应用程序标明自己的身份。在购买证书，并将其对邮件进行加密或签名后，信息接收方可以确认信息在传送的过程中没有被篡改，并且它来自于你（前提是信息接收方信任证书颁发机构）。

那么如何获取个人证书呢？有两种类型的证书颁发机构（CA）：企业和个人。两种CA都有公开的网站用来开放申请，并提供证书申请向导，在申请成功后，根据提示安装自己的证书即可。如果是Windows系统，企业CA还可以使用Active Directory目录服务，来向企业内部的员工颁发个人证书。

个人可以使用证书向导生成CSR（证书签名申请，Certificate Signing Request），然后提交给CA来获取证书。CSR生成步骤如下：

1. 在证书MMC（控制台）中，展开“控制台根”节点，然后展开“证书”文件夹。
2. 右击“个人”文件夹，指向“所有服务”，然后单击“申请新证书”。
3. 证书申请向导引导你按步骤申请证书，需要依次指定证书模板、加密服务提供者、证书颁发机构、证书的通俗名称和描述。

Windows系统下，.net Framework SDK的工具Makecert.exe可以用来创建证书，但是它生成的证书只能用来测试。此工具创建用于数字签名的公钥/私钥对，并将其存储在证书文件中。此工具还将密钥对和某个指定的发布者相关联，并创建X.509证书，该证书将用户指定的名称与密钥对的公共部分绑定。

6、获取服务器证书

服务器证书安装在Web服务器上，服务器证书对发送给客户端浏览器的信息进行加密，并解密从浏览器接收的信息。

为获得服务器证书，需要证书颁发机构（CA）的站点提交CSR。CA确认你的公司是有效的后，向你颁发服务器证书，然后就可以将此证书安装到Web服务器上。需要注意的是，用户如果连接上你的网站，也必须安装该CA的根证书，否则就会看到该证书不可信任的安全性对话框，需要用户手动去选择信任。

不同的CA，其证书申请过程可能有差异。现在的可信CA，颁发的证书一般都是收费的，随着强度的不同，国内的证书价格一般以500元左右/年起步，随着强度和CA授予的可信级别的不同，价格相差比较大。这里大致介绍下向CA申请证书的步骤。

1. 使用Web服务器证书向导生成CSR。CSR创建私钥/公钥对，并将其保存在扩展名为.csr的文件中。建议备份此.csr文件，因为这是私钥的唯一副本。

2. 访问CA的站点，并提交生成的CSR。在本地使用记事本（不要用Word这样带有格式的文本编辑器）打开CSR文件，然后选中以下列文字为开头（包含下列文字）：

   --BEGIN NEW CERTIFICATE REQUEST--

   并以如下文字结束（包含）的字符串：

   --END NEW CERTIFICATE REQUEST--

   复制选中的文本，然后将其粘贴到CA的联机登记表中。

3. 将此申请与必需的身份标识凭据一起发送给CA。CA接收到此申请时，会确认这些凭据并颁发证书。
4. 定期访问CA的站点，检查的申请是否通过。申请通过后，可以从CA的站点下载证书文件。这里建议下载后做一个备份以防丢失。
5. 最后，通过Web服务器证书向导安装此证书即可。

在Web服务器上安装证书会启用Web服务器的SSL端口，一般为443端口。启用SSL端口后，用户可以访问Web服务器上的所有页面，但原来的http://开头的网址，会变成https://开头。

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