這是道哥的第012篇原創(chuàng)

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文章目錄

• • 前言
  • 一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品
  • 數(shù)據(jù)加密
  • • • 明文傳輸?shù)娜秉c(diǎn)
      • 加密傳輸
      • 加密方式
      • • • 可逆加密
          • 不可逆加密
          • 公鑰和私鑰
  • 證書(shū)
  • • • 如何申請(qǐng)證書(shū)
      • 如何確認(rèn)證書(shū)的合法性
      • • • 單向認(rèn)證和雙向認(rèn)證
      • 認(rèn)證機(jī)構(gòu)
      • 證書(shū)鏈
      • 證書(shū)文件的后綴名
      • 證書(shū)文件的格式
      • • • PEM格式(Privacy Enhanced Mail)
          • DER格式(Distinguished Encoding Rules)
          • X.509標(biāo)準(zhǔn)
          • 證書(shū)格式
      • OpenPGP協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn)
      • • • OpenPGP是什么？
          • OpenPGP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
          • OpenPGP的使用流程
  • SSL/TLS
  • • • 協(xié)議分層
      • 握手過(guò)程
      • HTTPS與SSL的關(guān)系
  • OpenSSL
  • • • OpenSSL是什么？
      • 密碼算法庫(kù)
      • 信息摘要算法
      • 秘鑰和證書(shū)管理
      • SSL協(xié)議庫(kù)
      • 應(yīng)用程序
  • OpenSSH又是什么？
  • • • SSH
      • SSH中基于口令的安全驗(yàn)證
      • SSH中基于秘鑰的安全認(rèn)證
      • SSH協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
  • 總結(jié)

前言

在一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，終端設(shè)備在連接云平臺(tái)(服務(wù)器)的時(shí)候，云平臺(tái)需要對(duì)設(shè)備的身份進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證這是一個(gè)合法的設(shè)備之后才允許接入。這看似很簡(jiǎn)單的一句話(huà)，背后包含了很多相關(guān)的概念，例如：加密、證書(shū)、證書(shū)標(biāo)準(zhǔn)、簽名、認(rèn)證機(jī)構(gòu)、SSL/TLS、OpenSSL、握手等一堆容易混淆的概念。

之前我在做智能家居項(xiàng)目時(shí)，每次遇到證書(shū)以及加密的問(wèn)題時(shí)，都是滿(mǎn)大街的查資料，但是由于每次都是解決問(wèn)題之后就停止下來(lái)，沒(méi)有進(jìn)行完整、系統(tǒng)的梳理，因此對(duì)這些概念始終感覺(jué)自己都理解了，但是又說(shuō)不出所以然來(lái)。

這篇文章我們就把這些概念以及相關(guān)的使用步驟進(jìn)行梳理，就像聯(lián)想記憶一樣，很多分散的東西總是記不住，但是如果把這些東西按照特定的關(guān)系組織在一起，那么記憶起來(lái)就非常容易了。

做個(gè)小游戲：在1分鐘內(nèi)記下這十個(gè)東西：茶杯、猴子、玻璃、垃圾桶、魚(yú)竿、鳥(niǎo)窩、和尚、汽車(chē)、醫(yī)院、飲水機(jī)。這里可以暫停一下，看看自己的記憶力是不是不如以前了。

我們?cè)贀Q個(gè)記憶方法，把這十個(gè)東西以任意荒誕的邏輯聯(lián)系在一起，比如：一只猴子，左手拿著茶杯，右手拿著玻璃，往垃圾桶走去。在垃圾桶旁邊，看到一只魚(yú)竿，于是它就用魚(yú)竿去戳樹(shù)上的鳥(niǎo)窩。鳥(niǎo)窩里掉下來(lái)一個(gè)鳥(niǎo)蛋，正好砸在了和尚的頭上，流血了，趕緊攔下一輛汽車(chē)去醫(yī)院。到了醫(yī)院，和尚失血太多口渴了，正好看到一臺(tái)飲水機(jī)。

把這個(gè)荒誕的故事想幾遍，然后再試著把這十個(gè)東西說(shuō)出來(lái)，這回是不是感覺(jué)很容易？而且連順序都不會(huì)記錯(cuò)！這就是聯(lián)想記憶的魔力。

那么學(xué)習(xí)知識(shí)也是這個(gè)道理：分散的知識(shí)是記不住的，只有梳理成體系，把相互之間的聯(lián)系和脈絡(luò)掌握了，再去理解這些分散的點(diǎn)就很容易記住了。這里的關(guān)鍵就是把這些知識(shí)點(diǎn)相互之間的關(guān)系掌握了，就像一張網(wǎng)一樣，隨便把一個(gè)知識(shí)點(diǎn)拎出來(lái)，都可以根據(jù)這張網(wǎng)把其他的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)想起來(lái)。

這篇文章的內(nèi)容包括：

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，是如何驗(yàn)證設(shè)備端的合法性？
SSL/TLS是什么？有什么作用？在哪些場(chǎng)合下使用？
OpenSSL是什么？它與SSL是什么關(guān)系？
OpenSSH又是什么？它與OpenSSL又有什么區(qū)別？
HTTPS中是如何利用SSL來(lái)交換秘鑰的？握手步驟是什么？
證書(shū)是什么？有什么作用？在哪些場(chǎng)合下使用？
證書(shū)是如何得到的？它的標(biāo)準(zhǔn)格式是什么？包含哪些內(nèi)容？
認(rèn)證機(jī)構(gòu)是什么？什么是鏈?zhǔn)阶C書(shū)？
證書(shū)與SSL有什么關(guān)系？
簽名是什么意思？與加密是什么關(guān)系?
什么是單向認(rèn)證？雙向認(rèn)證?

另外補(bǔ)充一點(diǎn)：這篇文章只描述“是什么”，而不會(huì)描述“為什么”。“為什么”的事情留給那些數(shù)學(xué)家、密碼學(xué)家來(lái)搞定就可以了。

一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品

在實(shí)際的項(xiàng)目中，如果用到云平臺(tái)，一般來(lái)說(shuō)選擇性就那么幾個(gè)：國(guó)外就用亞馬遜，國(guó)內(nèi)就用阿里云，最近也碰到一些項(xiàng)目使用華為云。這里就以之前做過(guò)的一個(gè)空氣凈化器項(xiàng)目來(lái)舉例：

首先，亞馬遜提供了一套SDK，這個(gè)SDK中包含了一組API函數(shù)供應(yīng)用程序調(diào)用，向云平臺(tái)進(jìn)行安全連接、收發(fā)數(shù)據(jù)。在調(diào)用API函數(shù)的時(shí)候，必須提供一些必要的設(shè)備信息，這其中最重要的就是設(shè)備證書(shū)文件，也就是說(shuō)，證書(shū)必須要預(yù)先存儲(chǔ)在設(shè)備的文件系統(tǒng)中。

那么，證書(shū)是在什么時(shí)候被放到空氣凈化器設(shè)備中的？當(dāng)然是生產(chǎn)階段，看一下這個(gè)流程：

生產(chǎn)工具軟件運(yùn)行在產(chǎn)線(xiàn)的PC機(jī)上，通過(guò)串口連接到空氣凈化器設(shè)備，從設(shè)備中讀取唯一識(shí)別碼(例如：MAC地址);

生產(chǎn)工具軟件上傳必要的信息(廠(chǎng)商基本信息、廠(chǎng)商秘鑰、空凈設(shè)備的唯一識(shí)別碼)給AWS云平臺(tái)，申請(qǐng)得到一個(gè)證書(shū)文件;

AWS云平臺(tái)根據(jù)廠(chǎng)商預(yù)先在平臺(tái)上的部署程序，產(chǎn)生一個(gè)證書(shū)文件，返回給生產(chǎn)工具軟件;

生產(chǎn)工具軟件把證書(shū)文件通過(guò)串口發(fā)送給空氣凈化器設(shè)備;

空氣凈化器設(shè)備接收到的證書(shū)文件之后，存儲(chǔ)到本地的文件系統(tǒng)中。

以上這個(gè)流程是在設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)完成的，這里的描述還是屬于粗線(xiàn)條的，其他一些重要的信息沒(méi)有列出來(lái)，比如：AWS后臺(tái)如何產(chǎn)生證書(shū)、在連接階段后臺(tái)是如何通過(guò)證書(shū)來(lái)驗(yàn)證設(shè)備的合法性的、廠(chǎng)商的秘鑰是如何工作的等等，這些問(wèn)題等到這邊文章的末尾就自然明白了。

下面，就按照這些概念之間的相互關(guān)系來(lái)一步一步的梳理，每一個(gè)概念是按照相互之間的關(guān)系來(lái)逐步引入的，因此建議按照順序來(lái)理解。

數(shù)據(jù)加密

明文傳輸?shù)娜秉c(diǎn)

我們知道，client端與server端之間傳輸數(shù)據(jù)，要么是明文傳輸、要么是加密傳輸。明文傳輸?shù)娜秉c(diǎn)顯而易見(jiàn)：

數(shù)據(jù)容易比第三方截獲；
第三方可以篡改數(shù)據(jù)；
第三方可能會(huì)冒充server與你進(jìn)行通信。

總之一句話(huà)：明文通信就像裸奔一樣，任何東西都被別人看的一清二楚，惡意的第三方很容易利用明文通信來(lái)做一些違法的事情。

所以，最好還是穿上衣服，最好還是帶密碼鎖的，這樣別人就看不到了！這就是加密傳輸。

加密傳輸

client端對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，server端接收到密文后再進(jìn)行解密。例如上圖中：

client想發(fā)送字符串"hello"，那么就先加密成"ifmmp"，然后發(fā)送出去;
server接收到"ifmmp"，進(jìn)行解密，得到"hello"。

但是示例中的加密方式太弱智了，稍微研究下就會(huì)搞明白，這里的加密方式就是把明文字符串中的每一個(gè)字符變成ascII碼表中的下一個(gè)字。server在解密時(shí)操作相反：把每一個(gè)字符變成ascII碼表中的前一個(gè)字符即可，只要client和server事先商量好這樣的加密和解密算法就可以通信了。

但是，這樣的加密方式太簡(jiǎn)單了，惡意的第三方不會(huì)吹灰之力就可以破解出來(lái)，因此client與server之間需要更加復(fù)雜的加密算法，這就是SSL要解決的問(wèn)題，這部分內(nèi)容稍后再表。

加密方式

根據(jù)是否可以把密文還原成明文，加密方式分為兩類(lèi)：

可逆加密;
不可逆加密。

剛才描述的加密、解密過(guò)程(“hello”->“ifmmp”->“hello”)是屬于可逆加密，也就是說(shuō)可以把密文還原成明文，主要應(yīng)用在通信場(chǎng)景中。如果一個(gè)密文不能還原成明文，就稱(chēng)為不可逆加密，不可逆加密也非常重要。

可逆加密

剛才已經(jīng)說(shuō)到，可逆加密就是可以把密文還原成明文，只要client端和server端商量好加密算法(例如剛才所說(shuō)的利用ascII表的下一個(gè)字符)就可以達(dá)到目的，也就是說(shuō)：client端的加密算法和server端的解密算法是一樣的，當(dāng)然了這里的算法太簡(jiǎn)單。

我們可以稍微復(fù)雜一點(diǎn)點(diǎn)，先定義一個(gè)固定的字符串“258”，然后把明文"hello"中的每一個(gè)字符，用固定的字符串進(jìn)行計(jì)算：先加2，再減5，最后加8，得到加密后的字符串"mjqqt"，server接收到之后再執(zhí)行相反操作就解密得到明文“hello”。從算法角度看，這兩個(gè)加密方式是一樣的，但是第二種算法利用了一個(gè)獨(dú)立的、固定的字符串“258”，這個(gè)字符串就叫做秘鑰，當(dāng)然，實(shí)際通信中使用的秘鑰更復(fù)雜。通信雙方是通過(guò)算法+秘鑰的方式來(lái)進(jìn)行加密和解密。而且，通信雙方使用的秘鑰是相同的，這就叫做對(duì)稱(chēng)加密。

既然存在對(duì)稱(chēng)加密，那肯定就存在非對(duì)稱(chēng)加密，也就是說(shuō)，根據(jù)通信雙方使用的秘鑰是否相同，可逆加密分為2種：

對(duì)稱(chēng)加密；

非對(duì)稱(chēng)加密。

對(duì)稱(chēng)加密常用算法有：DES、AES；非對(duì)稱(chēng)加密常用算法有：RSA、DH、ECC。

對(duì)稱(chēng)加密的特點(diǎn)：

計(jì)算速度快;

加密強(qiáng)度高;

能處理的數(shù)據(jù)量大。

非對(duì)稱(chēng)加密的特點(diǎn)：

效率低；

能處理的數(shù)據(jù)量大小有限制。

既然非對(duì)稱(chēng)加密的缺點(diǎn)這么明顯，那么它有什么作用呢？

回到剛才的通信示例場(chǎng)景中：client與server需要使用同一個(gè)秘鑰“258”，那么它們雙方應(yīng)該如何協(xié)商得到這個(gè)對(duì)稱(chēng)秘鑰呢？難道是使用固定的秘鑰嗎？顯然這個(gè)答案不太可能，需要通信的設(shè)備那么多，不可能像網(wǎng)卡的MAC地址那樣預(yù)先分配，而且秘鑰很容易泄漏。因此，這個(gè)對(duì)稱(chēng)秘鑰一般都是在通信的剛開(kāi)始的握手階段，由client與server動(dòng)態(tài)的協(xié)商得到的。在這個(gè)協(xié)商的過(guò)程中，為了防止協(xié)商內(nèi)容被第三方截獲，就需要使用非對(duì)稱(chēng)加密來(lái)保證握手階段的數(shù)據(jù)安全性。

因?yàn)槲帐謹(jǐn)?shù)據(jù)只發(fā)生在通信的剛開(kāi)始階段，即使效率低一點(diǎn)也沒(méi)關(guān)系，安全比效率更重要。

一句話(huà)：非對(duì)稱(chēng)加密在通信初始階段的協(xié)商過(guò)程中使用，用來(lái)得到一個(gè)對(duì)稱(chēng)秘鑰，這個(gè)協(xié)商過(guò)程就叫做握手，在后面的HTTPS通信過(guò)程中，我們?cè)僭敿?xì)看一下握手過(guò)程。

不可逆加密

顧名思義，不可逆加密就是說(shuō)把明文加密之后得到密文，但是不能從密文還原得到明文。從術(shù)語(yǔ)上來(lái)說(shuō)，一般不把這個(gè)加密結(jié)果稱(chēng)作密文，而是稱(chēng)作摘要或者指紋。

不可逆加密原理：把一個(gè)任意大小的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一定的算法，轉(zhuǎn)換成規(guī)定長(zhǎng)度的輸出。如果數(shù)據(jù)的內(nèi)容發(fā)生了一絲絲的變化，再次加密就得到另一個(gè)不同的結(jié)果，而且是大不相同。從這個(gè)角度看，是不是稱(chēng)作指紋更形象一些？

不可逆加密最常用的算法就是：MD5、SHA1。

回想一下：我們?cè)谙螺d一些軟件的時(shí)候，在服務(wù)器上除了看到軟件的下載地址，一般還會(huì)看到該軟件的MD5碼。我們把軟件下載到本地之后，計(jì)算得到MD5，也就是文件的指紋，然后把這個(gè)MD5與服務(wù)器上公布的MD5進(jìn)行比較，如果這兩個(gè)MD5不一致，就說(shuō)明下載的文件被別人修改過(guò)。

這是glib庫(kù)的下載頁(yè)面：

補(bǔ)充：SHA相關(guān)知識(shí)

SHA

SHA安全哈希算法，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院發(fā)布的一組加密函數(shù)。它是一種常用的摘要算法，就是輸入一段數(shù)據(jù)，輸出合法的證書(shū)一個(gè)摘要信息，包括SHA0、SHA1、SHA2等不同的版本。

SHA1

代表安全哈希算法1，接收輸入，輸出一個(gè)160位的哈希值，稱(chēng)作信息摘要。在2005年之后，SHA1被認(rèn)為不安全。

SHA2

SHA2指的是具有兩個(gè)不同塊大小的相似哈希函數(shù)的族，其中包括：SHA256，SHA512。SHA256可以輸出一個(gè)256位的哈希值，安全級(jí)別更高。

一個(gè)實(shí)際的使用場(chǎng)景：OTA升級(jí)

首先服務(wù)器推送一個(gè)upgrate.json格式字符串給設(shè)備，文件中包括：新固件的下載地址URL，新固件的MD5值；

設(shè)備根據(jù)URL下載新固件到本地；

設(shè)備計(jì)算下載的新固件MD5值，與upgrade.json中的MD5值進(jìn)行比較；

如果這兩個(gè)MD5值一致，說(shuō)明下載的固件沒(méi)有問(wèn)題，那么就開(kāi)始升級(jí)。

再來(lái)了解一下不可逆加密的特點(diǎn)：

不可逆：除非使用窮舉等手段，原則上不存在根據(jù)密文推斷出原文的算法；

雪崩效應(yīng)：對(duì)輸入數(shù)據(jù)敏感，原始數(shù)據(jù)的極小改動(dòng)會(huì)造成輸出指紋的巨大差異；

防碰撞：很難找到兩段不同的數(shù)據(jù)，輸出相同的指紋。

公鑰和私鑰

上面說(shuō)到了非對(duì)稱(chēng)加密，那么就必須再補(bǔ)充一下私鑰和公鑰。從字面上就可以看出：它倆是一對(duì)兄弟，都是秘鑰，必須成對(duì)使用，稱(chēng)作：秘鑰對(duì)。我們可以通過(guò)一些軟件工具(例如：OpenSSL)生成自己的公鑰和私鑰。

公鑰：就是公開(kāi)告訴別人的；私鑰：就是自己的，作為寶貝一樣自己私藏起來(lái)，千萬(wàn)不要告訴別人。

公鑰和私鑰的作用有2個(gè)：

數(shù)據(jù)加密：公鑰加密，私鑰解密，用于通信場(chǎng)景；

數(shù)字簽名：私鑰加密，公鑰解密，用于不可耍賴(lài)場(chǎng)景。

數(shù)據(jù)加密就是上面描述的非對(duì)稱(chēng)加密，例如：

張三想發(fā)一個(gè)文件給我，為了防止文件被其他人看到，于是張三用我的公鑰對(duì)文件進(jìn)行加密，然后把加密后的文件發(fā)給我。我拿到密文后，用我的私鑰就可以把密文還原成原始的文件，其他人即使拿到了密文，但是沒(méi)有我的私鑰，就解不開(kāi)文件。 如下面這張圖：

數(shù)字簽名與我們?nèi)粘Ｉ钪械慕钘l上的簽名類(lèi)似，一旦簽名了，就具有法律效力，不能耍賴(lài)說(shuō)：這個(gè)不是我簽名，我不認(rèn)。具體流程是：我寫(xiě)了一個(gè)文件，然后用我的私鑰對(duì)文件進(jìn)行加密，那么如果以后我耍賴(lài)說(shuō)：這個(gè)文件不是我寫(xiě)的，其他人就可以用我的公鑰來(lái)嘗試對(duì)加密后的文件進(jìn)行解密。如果成功解密了，就說(shuō)明這個(gè)文件一定是用我的私鑰進(jìn)行加密的，而私鑰只有我才有，那就說(shuō)明這個(gè)文件一定是我寫(xiě)的。如下圖：

證書(shū)

前面談到了公鑰是公開(kāi)給別人的，本質(zhì)上就是一段數(shù)據(jù)，那么這段數(shù)據(jù)是以什么樣的形式或者說(shuō)以什么樣的載體發(fā)送給別人的呢？答案就是：證書(shū)。

如何申請(qǐng)證書(shū)

我們以一個(gè)網(wǎng)站為例，瀏覽器在訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站的時(shí)候，在握手階段，網(wǎng)站會(huì)把自己的證書(shū)發(fā)送給瀏覽器。那么這個(gè)證書(shū)是如何產(chǎn)生的呢？

Step1

在網(wǎng)站上線(xiàn)之初，需要把自己的相關(guān)信息放在一個(gè)請(qǐng)求文件中(server.req)，把請(qǐng)求文件發(fā)送給一個(gè)權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)。請(qǐng)求文件的內(nèi)容包括：

網(wǎng)站的域名
申請(qǐng)者信息
公鑰
以及其他一些相關(guān)信息

Step2

認(rèn)證機(jī)構(gòu)通過(guò)其他途徑來(lái)確定申請(qǐng)者是合法的。

Step3

認(rèn)證機(jī)構(gòu)使用某個(gè)算法，對(duì)請(qǐng)求文件server.req中的信息進(jìn)行計(jì)算，得到一個(gè)數(shù)字摘要。

算法包括：

MD5
SHA-1
SHA-256

信息包括：

申請(qǐng)者的基本信息：網(wǎng)站使用的加密算法、網(wǎng)站使用的hash算法；
申請(qǐng)者的公鑰；
認(rèn)證機(jī)構(gòu)的信息：認(rèn)證機(jī)構(gòu)的名稱(chēng)，證書(shū)到期時(shí)間。

Step4

認(rèn)證機(jī)構(gòu)用自己的私鑰，對(duì)Step3中得到的數(shù)字摘要進(jìn)行加密，得到數(shù)字簽名(也就證書(shū)簽名)。

Step5

認(rèn)證機(jī)構(gòu)把以上這些信息進(jìn)行匯總，得到最終的證書(shū)文件server.crt，然后發(fā)給申請(qǐng)者。

最終，證書(shū)server.crt中的內(nèi)容包括這幾個(gè)大類(lèi)：

申請(qǐng)者的基本信息：網(wǎng)站使用的加密算法、網(wǎng)站使用的hash算法；

申請(qǐng)者的公鑰；

認(rèn)證機(jī)構(gòu)的信息：認(rèn)證機(jī)構(gòu)的名稱(chēng)，證書(shū)到期時(shí)間。

認(rèn)證機(jī)構(gòu)的證書(shū)簽名。

如何確認(rèn)證書(shū)的合法性

現(xiàn)在，客戶(hù)端拿到了服務(wù)器發(fā)來(lái)的證書(shū)文件，應(yīng)該如何驗(yàn)證這是一個(gè)合法的證書(shū)呢？

Step1

讀取證書(shū)中的明文信息，包括：申請(qǐng)者的基本信息，申請(qǐng)者的公鑰，認(rèn)證機(jī)構(gòu)的信息。

Step2

從瀏覽器或者操作系統(tǒng)中查找這個(gè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的相關(guān)信息，得到這個(gè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的公鑰。

補(bǔ)充：瀏覽器或者操作系統(tǒng)中，一般都會(huì)預(yù)裝一些可信任的權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)的證書(shū)列表，所以能拿到認(rèn)證機(jī)構(gòu)的公鑰。

Step3

使用認(rèn)證機(jī)構(gòu)相同的算法，對(duì)Step1中的明文信息進(jìn)行計(jì)算，得到摘要1。

Step4

使用認(rèn)證機(jī)構(gòu)的公鑰，對(duì)證書(shū)中認(rèn)證機(jī)構(gòu)的數(shù)字簽名進(jìn)行解密，得到摘要2。

Step5

比較摘要1與摘要2是否相同，如果相同，說(shuō)明這個(gè)證書(shū)是合法的，也就證明當(dāng)前訪(fǎng)問(wèn)的是一個(gè)合法的服務(wù)器。

單向認(rèn)證和雙向認(rèn)證

上面描述的認(rèn)證過(guò)程，是瀏覽器用來(lái)確認(rèn)所訪(fǎng)問(wèn)的網(wǎng)站是否是一個(gè)合法的網(wǎng)站；文章開(kāi)頭所舉的例子：一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在連接云平臺(tái)的時(shí)候，是云平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)想連接進(jìn)來(lái)的設(shè)備是否為一個(gè)合法的設(shè)備。

這兩個(gè)場(chǎng)景中都是單向認(rèn)證，也就是通信的一方來(lái)驗(yàn)證另一方是否合法。那么雙向認(rèn)證就很好理解了：通信的每一方都要認(rèn)證對(duì)方是否合法。

至于如何選擇使用單向認(rèn)證或者雙向認(rèn)證，甚至是不使用證書(shū)(只使用用戶(hù)名和密碼來(lái)鑒權(quán))，這就需要根據(jù)實(shí)際的使用場(chǎng)景、安全等級(jí)、操作的難易程度來(lái)決定了。比如：在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中，每一個(gè)產(chǎn)品都需要在生產(chǎn)階段把動(dòng)態(tài)生成的證書(shū)燒寫(xiě)到設(shè)備中，增加了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的流程和成本，為了安全性，萬(wàn)萬(wàn)不可偷懶。如果沒(méi)有證書(shū)來(lái)驗(yàn)證，那么黑客就可以模擬無(wú)數(shù)個(gè)設(shè)備，頻繁的連接到云平臺(tái)，這就存在極大的安全隱患。

認(rèn)證機(jī)構(gòu)

證書(shū)本質(zhì)上就是一個(gè)文件，只不過(guò)這個(gè)文件具有特殊的一個(gè)性質(zhì)：可以被證明是合法的。那么應(yīng)該如何來(lái)證明呢？這就要來(lái)說(shuō)一下認(rèn)證機(jī)構(gòu)。

認(rèn)證機(jī)構(gòu)(CA: Certificate Authority)是一個(gè)權(quán)威的組織，是被國(guó)家、行業(yè)認(rèn)可的權(quán)威結(jié)構(gòu)，不是隨便一個(gè)機(jī)構(gòu)都有資格頒發(fā)證書(shū)，不然也不叫做權(quán)威機(jī)構(gòu)。只要能證明一個(gè)證書(shū)是由CA機(jī)構(gòu)頒發(fā)的，我們就認(rèn)為這個(gè)證書(shū)是合法的，也就是說(shuō)：證書(shū)的可信任性基于信任機(jī)制。

就像銀行貸款給個(gè)人一樣，銀行在放款之前，會(huì)到征信系統(tǒng)中查詢(xún)這個(gè)人的信用報(bào)告，如果征信系統(tǒng)中表明這個(gè)人的信用沒(méi)有問(wèn)題，銀行相信征信系統(tǒng)，所以銀行就相信這個(gè)人，可以貸款給他，這是一個(gè)信任鏈的傳遞。

CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)就類(lèi)似于征信系統(tǒng)，相當(dāng)于CA結(jié)構(gòu)給證書(shū)進(jìn)行了背書(shū)，它保證從它手里頒發(fā)的證書(shū)都是合法有效的，那么我們只要能證明證書(shū)是從CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒發(fā)的，就可以認(rèn)為證書(shū)是有效的。

證書(shū)鏈

CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)是一個(gè)樹(shù)狀的結(jié)構(gòu)，最頂部的稱(chēng)為根認(rèn)證機(jī)構(gòu)。往下層是：二級(jí)認(rèn)證機(jī)構(gòu)、三級(jí)認(rèn)證機(jī)構(gòu)…。

根認(rèn)證機(jī)構(gòu)給二級(jí)認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒發(fā)證書(shū)，二級(jí)認(rèn)證機(jī)構(gòu)給三級(jí)認(rèn)證結(jié)構(gòu)頒發(fā)證書(shū)…。不同等級(jí)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)審核的要求也不一樣，于是證書(shū)也分為免費(fèi)的、便宜的和貴的。

你可能會(huì)問(wèn)：那么根認(rèn)證機(jī)構(gòu)的證書(shū)是由誰(shuí)簽名的？答案是：根認(rèn)證機(jī)構(gòu)自己簽名的，這也叫做自簽名。因?yàn)楦J(rèn)證機(jī)構(gòu)是由國(guó)家或者行業(yè)組織認(rèn)可的，已經(jīng)是一個(gè)可以信賴(lài)的權(quán)威機(jī)構(gòu)，所以可以為自己簽名。

另外，我們?cè)跍y(cè)試的過(guò)程中，也常常利用OpenSSL中提供的程序來(lái)產(chǎn)生自簽名的證書(shū)，當(dāng)然，這個(gè)測(cè)試的自簽名證書(shū)只能你自己玩，因?yàn)閯e人不信任你。

證書(shū)文件的后綴名

剛接觸到證書(shū)概念的小伙伴，常常被眼花繚亂的后綴名所迷惑。

首先要明確一點(diǎn)：證書(shū)文件的后綴名只是為了見(jiàn)名識(shí)意，實(shí)際上可以取任意的名字。常見(jiàn)的后綴名包括：

.crt：per格式的證書(shū)
.der: der格式的證書(shū)
.key：pem格式的私鑰
.pub：pem格式的公鑰
.req：申請(qǐng)證書(shū)時(shí)發(fā)送給CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)的請(qǐng)求文件
.csr：也表示請(qǐng)求文件

證書(shū)文件的格式

所有證書(shū)內(nèi)容格式有兩種：pem格式和der格式，這兩種格式的證書(shū)文件可以相互轉(zhuǎn)換，利用OpenSSL中的程序就可以完成。

PEM格式(Privacy Enhanced Mail)

pem格式的證書(shū)內(nèi)容是經(jīng)過(guò)加密的文本文件，一般是base64格式，可以用記事本來(lái)打開(kāi)一個(gè)base64格式的證書(shū)，例如下面這個(gè)證書(shū)文件的內(nèi)容：

-----BEGIN CERTIFICATE----- MIIGbzCCBFegAwIBAgIICZftEJ0fB/wwDQYJKoZIhvcNApQELBQAwfDELMAkGA1UE BhMCVVMxDjAMBgNVBAgMBVRleGFzMRAwDgYDVQQHDAdIb3VzdG9uMRgwFgYDVQQK DA9TU0wgQ29ycG9yYXRpb24xMTAvBgNVBAMMKFNTTC5jb20gUm9vdCBDZXJ0aWZp ... Nztr2Isaaz4LpMEo4mGCiGxec5mKr1w8AE9n6D91CvxR5/zL1VU1JCVC7sAtkdki vnN1/6jEKFJvlUr5/FX04JXeomIjXTI8ciruZ6HIkbtJup1n9Zxvmr9JQcFTsP2c bRbjaT7JD6MBidAWRCJWClR/5etTZwWwWrRCrzvIHC7WO6rCzwu69a+l7ofCKlWs y702dmPTKEdEfwhgLx0LxJr/Aw== -----END CERTIFICATE-----

補(bǔ)充：base64算法就是把原始數(shù)據(jù)中按照每3個(gè)字節(jié)進(jìn)行拆分，3個(gè)字節(jié)是24bit，然后把24bit分成4組，每組6bit，最后在每個(gè)6bit的簽名添加2個(gè)0，這樣得到的4組字節(jié)碼就可以用ascII碼來(lái)表示了。

DER格式(Distinguished Encoding Rules)

der格式的證書(shū)文件內(nèi)容是經(jīng)過(guò)加密的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)文件內(nèi)容打開(kāi)后是亂碼。

X.509標(biāo)準(zhǔn)

上面說(shuō)到證書(shū)中包含了必要的信息，那么這些信息在文件中并不是隨意擺放的，而是要根據(jù)固定的格式來(lái)存儲(chǔ)，只有這樣才能通過(guò)軟件生成或解析。
那么這個(gè)固定的格式是由誰(shuí)來(lái)規(guī)定的呢？這就是X.509標(biāo)準(zhǔn)與公共秘鑰證書(shū)。

X.509是一個(gè)體系、標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)規(guī)定一個(gè)證書(shū)的格式標(biāo)準(zhǔn)，CA認(rèn)證結(jié)構(gòu)在生成證書(shū)的時(shí)候，就根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)把每部分信息寫(xiě)入到證書(shū)文件中。

X.509包括3個(gè)版本：V1, V2和V3。每一個(gè)版本中頒發(fā)證書(shū)時(shí)，必須包含下列信息：

版本號(hào)：用來(lái)區(qū)分版本；
系列號(hào)：由CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)給每一個(gè)證書(shū)分配一個(gè)唯一的數(shù)字編號(hào)；
算法簽名標(biāo)識(shí)符：用來(lái)指定CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)在頒發(fā)證書(shū)時(shí)使用的簽名算法；
認(rèn)證機(jī)構(gòu)：頒發(fā)證書(shū)的機(jī)構(gòu)唯一名稱(chēng)；
有效期限：證書(shū)有效期(開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間)；
主題信息：證書(shū)持有人的基本信息；
公鑰信息：證書(shū)持有者的公鑰；
認(rèn)證結(jié)構(gòu)簽名：以確保這個(gè)證書(shū)在頒發(fā)之后沒(méi)有被篡改過(guò)；

證書(shū)格式

總之：證書(shū)的核心功能就是安全的傳遞公鑰！

OpenPGP協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn)

加密和證書(shū)的概念介紹完了，再來(lái)了解一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：OpenPGP。

OpenPGP是什么？

OpenPGP是一種非專(zhuān)有協(xié)議，為加密消息、簽名、私鑰和用于交換公鑰的證書(shū)定義了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

OpenPGP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

OpenPGP協(xié)議有2個(gè)實(shí)現(xiàn)：

PGP(Pretty Good Privacy)

GPG(GNU Privacy Guard)

PGP是一個(gè)加密程序，為數(shù)據(jù)通信提供了加密和驗(yàn)證功能，通常用于簽名、加密和解密文本、電子郵件和文件。

GPG是PGP的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)。

OpenPGP的使用流程

Step1: 公布自己的公鑰

每個(gè)人把自己的公鑰上傳到公鑰服務(wù)器上(subkeys.pgp.net)，然后通過(guò)交換機(jī)制，所有的公鑰服務(wù)器最終都會(huì)包含你的公鑰，就類(lèi)似域名服務(wù)器同步域名解析信息一樣。

由于公鑰服務(wù)器沒(méi)有檢查機(jī)制，任何人都可以用我的名義上傳公鑰，所以沒(méi)有辦法來(lái)保證服務(wù)器上的公鑰一定是可靠性。通常，我可以在網(wǎng)站上公布一個(gè)公鑰指紋，讓其他人下載我的公鑰之后，計(jì)算一下公鑰指紋，然后與我公布的指紋進(jìn)行比對(duì)，以此來(lái)確認(rèn)證書(shū)的有效性。

Step2: 獲取別人的公鑰

為了獲得別人的公鑰，可以讓對(duì)方直接發(fā)給我，也可以從公鑰服務(wù)器上下載。為了安全起見(jiàn)，需要對(duì)下載的公鑰使用其他機(jī)制進(jìn)行安全認(rèn)證，例如剛才說(shuō)的指紋。

Step3: 用于加密

用對(duì)方的公鑰加密文件，發(fā)送給對(duì)方，對(duì)方用他自己的私鑰進(jìn)行解密。

Step4: 用于簽名

用我的私鑰進(jìn)行加密，把加密后文件發(fā)送給對(duì)方，對(duì)方用我的公鑰進(jìn)行解密，只要能正確解密，就證明這個(gè)文件的確是我加密的。

SSL/TLS

SSL全稱(chēng)是Secure Socket Layer(安全套階層協(xié)議)，它是一個(gè)安全協(xié)議，目的是用來(lái)為互聯(lián)網(wǎng)提供安全的數(shù)據(jù)傳輸。

SSL在工作過(guò)程中，就利用了前面描述的概念：對(duì)稱(chēng)加密、非對(duì)稱(chēng)加密、證書(shū)等。如果前面的概念都梳理清楚了，那么理解SSL也就不成問(wèn)題了。

SSL協(xié)議有1，2，3這個(gè)三個(gè)版本，TLS是SSL V3標(biāo)準(zhǔn)化之后的產(chǎn)物。事實(shí)上現(xiàn)在用的都是TLS，但是大家都習(xí)慣了SSL這個(gè)稱(chēng)呼。

協(xié)議分層

SSL協(xié)議最大的優(yōu)點(diǎn)就是與應(yīng)用層無(wú)關(guān)，在SSL協(xié)議的上層，可以運(yùn)行一些高層應(yīng)用協(xié)議，例如：HTTP, FTP, TELNET…，也就是說(shuō)這些高層協(xié)議可以透明的建立在SSL協(xié)議層之上。

握手過(guò)程

SSL使用X.509標(biāo)準(zhǔn)，握手就是指客戶(hù)端與服務(wù)端在通信的開(kāi)始階段進(jìn)行鑒權(quán)和協(xié)商，最終目的是：

確認(rèn)對(duì)方是合法的通信對(duì)象;

與對(duì)方協(xié)商得到對(duì)稱(chēng)加密秘鑰。

我們來(lái)一步一步梳理握手過(guò)程:

Step1

Client向Server發(fā)送如下信息：

隨機(jī)數(shù)1；
Client端支持的SSL版本號(hào)；
Client端支持的加密算法列表。

Step2

Server分析接收到的信息，返回如下信息給Client:

隨機(jī)數(shù)2；
選擇的加密算法；
Server證書(shū)

Step3

Client端驗(yàn)證Server發(fā)來(lái)的證書(shū)是否有效，具體過(guò)程上面已經(jīng)描述過(guò)。

如果驗(yàn)證失敗，通信結(jié)束；
如果驗(yàn)證通過(guò)，就產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)3，并使用剛才的隨機(jī)數(shù)1、隨機(jī)數(shù)2，然后用選擇的算法生成一個(gè)對(duì)稱(chēng)加密秘鑰，這個(gè)秘鑰就用于后面正常的數(shù)據(jù)通信中。

然后發(fā)送如下信息給Server:

隨機(jī)數(shù)3，并且用server證書(shū)中的公鑰進(jìn)行加密；

此時(shí)，Cliend端的握手流程結(jié)束，因?yàn)橐呀?jīng)達(dá)到了握手的最終目的：確認(rèn)Server合法，得到對(duì)稱(chēng)加密秘鑰。

Step4

Server端在接收到加密后的隨機(jī)數(shù)3時(shí)，用自己的私鑰進(jìn)行解密，然后和之前的隨機(jī)數(shù)1、隨機(jī)數(shù)2一起，使用相同的算法生成對(duì)稱(chēng)加密秘鑰。

至此，Server端的握手過(guò)程也就結(jié)束，下面就可以用對(duì)稱(chēng)加密秘鑰來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密了。

注意：上面描述的握手過(guò)程中是單向認(rèn)證，也就是Client端驗(yàn)證Server是否合法的。
如果需要雙向認(rèn)證，那么客戶(hù)端也應(yīng)該把自己的證書(shū)發(fā)送給Server，然后Server來(lái)驗(yàn)證這個(gè)證書(shū)是否合法，確認(rèn)證書(shū)合法之后才繼續(xù)執(zhí)行后面面的握手流程。

HTTPS與SSL的關(guān)系

HTTPS拆開(kāi)來(lái)就是：HTTP+SSL，就是在HTTP的下面增加了SSL安全傳輸協(xié)議層，在瀏覽器連接到服務(wù)器之后，就執(zhí)行上面描述的SSL握手過(guò)程。握手結(jié)束之后，雙方得到對(duì)稱(chēng)加密秘鑰，在HTTP協(xié)議看來(lái)是明文傳輸數(shù)據(jù)，下面的SSL層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。

OpenSSL

OpenSSL是什么？

上面描述的SSL中這么多的東西都是協(xié)議(或者稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn))，協(xié)議只是規(guī)定了應(yīng)該怎么做，但是具體的代碼實(shí)現(xiàn)應(yīng)該由誰(shuí)來(lái)做呢？我們?cè)趯?xiě)相關(guān)的SSL程序時(shí)好像從來(lái)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)這個(gè)協(xié)議，都是直接調(diào)用第三方提供的庫(kù)就達(dá)到了加密傳輸?shù)哪康摹．?dāng)然了，如果你實(shí)現(xiàn)過(guò)SSL協(xié)議，請(qǐng)?jiān)试S我對(duì)你表示佩服，給你一萬(wàn)個(gè)贊！

在編程領(lǐng)域，永遠(yuǎn)都存在熱心腸的人！OpenSSL就是一個(gè)免費(fèi)的SSL/TLS實(shí)現(xiàn)，就是說(shuō)：OpenSSL實(shí)現(xiàn)了SSL/TLS協(xié)議中定義的所有功能，包括：

SSL2
SSL3
TLSv1
TLSv1.1
TLSv1.2

而且，OpenSSL是用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，具有優(yōu)秀的跨平臺(tái)特性，在Linux、Windows、BSD、MAC等平臺(tái)上可以執(zhí)行。

具體來(lái)說(shuō)，OpenSSL實(shí)現(xiàn)中，包括下面幾個(gè)功能模塊：

密碼算法庫(kù)

密碼算法庫(kù)中包括：

對(duì)稱(chēng)加密算法: AES、DES等。
非對(duì)稱(chēng)加密算法: DH、RSA、DSA、EC等。

信息摘要算法

信息摘要算法包括：MD5、SHA等。

秘鑰和證書(shū)管理

OpenSSL提供的CA應(yīng)用程序就是一個(gè)小型的證書(shū)管理中心，實(shí)現(xiàn)了證書(shū)簽發(fā)的整個(gè)流程和證書(shū)管理的大部分機(jī)制，我們?cè)趯W(xué)習(xí)的時(shí)候一般都會(huì)用OpenSSL中提供的CA程序來(lái)生成秘鑰對(duì)、自簽名等等。具體的內(nèi)容包括：

證書(shū)秘鑰產(chǎn)生、請(qǐng)求產(chǎn)生、證書(shū)簽發(fā)、吊銷(xiāo)和驗(yàn)證功能；
對(duì)證書(shū)的X.509標(biāo)準(zhǔn)解碼、PKCS#12/PKCS#7格式的編解碼；
提供了產(chǎn)生各種秘鑰對(duì)的函數(shù)；

SSL協(xié)議庫(kù)

實(shí)現(xiàn)了SSLv2、SSLv3、TLSv1.0協(xié)議。

應(yīng)用程序

OpenSSL的應(yīng)用程序是基于密碼算法庫(kù)和SSL協(xié)議庫(kù)實(shí)現(xiàn)的，是非常好的OpenSSL的API函數(shù)使用范例，主要包括：秘鑰生成、證書(shū)管理、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密和簽名、SSL測(cè)試以及其他輔助配置功能。

OpenSSH又是什么？

SSH

首先說(shuō)一下SSH：Secure Shell(安全外殼協(xié)議)，又是一個(gè)協(xié)議，用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)，我們通常利用SSH來(lái)傳輸命令行界面和遠(yuǎn)程執(zhí)行命令。

比如：在調(diào)試一個(gè)ARM系統(tǒng)時(shí)，可以通過(guò)串口助手連接到ARM板子上；但是更常用的調(diào)試場(chǎng)景是在PC機(jī)上遠(yuǎn)程登錄到ARM系統(tǒng)中，執(zhí)行ARM中的任何指令，這就是利用SSH來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

SSH提供2種級(jí)別的安全驗(yàn)證：

基于密碼；
基于秘鑰。

SSH中基于口令的安全驗(yàn)證

只需要知道賬號(hào)和密碼，就可以遠(yuǎn)程登錄到系統(tǒng)，我們一般常用的就是這用方式。但是不能保證我正在連接的設(shè)備就是我想連接的那臺(tái)設(shè)備，可能會(huì)有別的服務(wù)器冒充真正的服務(wù)器，也就是受到“中間人”這種方式的攻擊。

當(dāng)然還經(jīng)常遇到另一種錯(cuò)誤：在局域網(wǎng)中有多臺(tái)設(shè)備，本想遠(yuǎn)程連接到設(shè)備A中，由于IP地址記錯(cuò)了，結(jié)果遠(yuǎn)程登錄到另外一臺(tái)設(shè)備B上了，如果你的同事也正在調(diào)試設(shè)備B，接下來(lái)就是悲劇發(fā)生的時(shí)刻！

SSH中基于秘鑰的安全認(rèn)證

Step1

首先為自己創(chuàng)建一個(gè)秘鑰對(duì)，并提前把公鑰放在需要訪(fǎng)問(wèn)的服務(wù)器上，例如：放在賬號(hào)的家目錄中。

Step2

通過(guò)客戶(hù)端遠(yuǎn)程登錄到服務(wù)器，把自己的公鑰發(fā)給服務(wù)器，并請(qǐng)服務(wù)器進(jìn)行安全驗(yàn)證。

Step3

服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，在登錄賬號(hào)的家目錄下查找公鑰，然后與接收到的公鑰進(jìn)行比對(duì)。

Step4

如果比對(duì)不一致，通信結(jié)束；如果比對(duì)一致，服務(wù)器就用公鑰加密一段數(shù)據(jù)(challenge)，并發(fā)送給客戶(hù)端。

Step5

客戶(hù)端接收到challenge，用私鑰進(jìn)行解密，然后把結(jié)果發(fā)給服務(wù)器。

Step6

服務(wù)器把接收到的結(jié)果與Step4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果一致則驗(yàn)證通過(guò)。

SSH協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

既然SSH是一個(gè)協(xié)議，那么就一定存在對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，這就是OpenSSH，它是一個(gè)免費(fèi)開(kāi)源的SSH實(shí)現(xiàn)。

OpenSSH實(shí)現(xiàn)中，利用了OpenSSL中的加密和算法庫(kù)函數(shù)，這就是它倆之間的關(guān)系。

總結(jié)

到這里，與加密、證書(shū)相關(guān)的基礎(chǔ)概念都介紹完畢了，不知道你是否有所收獲。

如果你是初次接觸到這些東西，敬請(qǐng)放心，即使現(xiàn)在明白了，一個(gè)星期之后肯定忘記一多半了。只有經(jīng)歷過(guò)幾個(gè)項(xiàng)目的歷練之后，才會(huì)有更深刻的理解和記憶，最后，祝您好運(yùn)！

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的关于加密、证书的那些事的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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