HTTPS的数字证书验证原理

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一、概述

网络请求方式通常分为两种，分别是HTTP请求和HTTPS请求，其中HTTP的传输属于明文传输，在传输的过程中容易被人截取并且偷窥其中的内容，而HTTPS是一种在HTTP的基础上加了SSL/TLS层（安全套接层）的安全的超文本传输协议，其传输的内容是通过加密得到的，所以说是一种安全的传输

二、加密算法

说到加密算法，先来了解一下两种常用的加密方式，分别是对称加密和非对称加密：

1.对称加密：加密使用的秘钥和解密使用的秘钥是相同的，也就是说加密和解密都使用同一个秘钥，加密算法是公开的，秘钥是加密者和解密者绝对保密的

2.非对称加密：加密使用的秘钥和解密使用的秘钥是不相同的，HTTPS在数字证书验证的时候，采用的RSA密码体制就是一种非对称加密

RSA是一种公钥密码体制，现在使用非常广泛，这个密码体制分为三部分，公钥、私钥、加密算法，其中公钥和加密算法是公布的，私钥是自己保密的。这种机制最大的特点是，通过公钥加密的密文只有对应的私钥才能解密，同样通过私钥加密的密文也只有对应的公钥才能解密。下面我们将会讲到HTTPS是如何通过RSA这种密码体制去验证身份的

三、数字证书

数字证书是Https实现安全传输的基础，它是由权威的CA机构颁发的，证书的主要内容有：公钥（Public Key）、ISSUER（证书的发布机构）、Subject（证书持有者）、证书有效期、签名算法、指纹及指纹算法

在网络中，要想实现自己的数据能够安全地传输，就必须向权威的CA机构申请数字证书，有了数字证书就相当于有了一把安全秘钥，这里先认识一下证书是长啥样的，之后再解析证书是如何进行安全认证的

下面是CSDN博客的证书内容：

可以看到公钥是一串很长的2048 Bits的字符串，同时也可以看到<使用者>的内容包含了csdn.net网址，在后面验证URL链接是否正确的时候用到，还有颁发者、有效期、签名算法等等。当然还有指纹及指纹算法等其他内容，我们滚动到下面看看另一个截图

上面展示了CSDN网站的CA证书内容，颁发者是GeoTrust，它就是传说中的权威的CA机构了。这里特别说明一下，CA机构除了给别人颁发证书以外，它也有自己的证书，这个证书是机构自己颁发给自己的，为了区分我们称它为根证书，根证书也有自己的公钥和私钥，在本文中我们称之为根公钥和根私钥，根公钥和加密算法是对外公布的，而根私钥是CA机构自己绝对保密的。这个根证书在验证证书的过程中起着核心的作用

哪里可以看到机构的根证书呢？在浏览器中可以看到，打开步骤：浏览器——工具——Internet选项——内容——证书，打开如下图：

在受信任的根证书颁发机构中我们看到一系列的CA机构，如上面CSDN的证书的颁发者GeoTrust机构也在其中，这些权威机构的根证书都是浏览器预先嵌入到其系统中的，点开看看GeoTrust的根证书，如图

可以发现颁发者和使用者都是一样的，其中里面的公钥就是根公钥，在验证数字证书的时候非常关键

四、证书的指纹和签名

在解析数字证书的验证之前，先来解析一下什么是指纹和数字签名？

在上面的CSDN的证书中可以看到有一个叫指纹的字符串，指纹可以理解为证书身份的唯一代表，是用来保证证书的完整性的，确保证书没有被修改过。证书在发布之前，CA机构对证书的内容用指纹算法（一般是sha1或sha256）计算得到一个hash值，这个hash值就是指纹。为什么用hash值作为证书的身份代表呢？首先，hash值具有不可逆性，也就是说无法通过hash值得出原来的信息内容；其次，hash值具有唯一性，即hash计算可以保证不同的内容一定得到不同的hash值

签名是在信息后面加上的一段数字串，可以证明该信息有没有被修改过。数字证书在发布的时候，CA机构将证书的指纹和指纹算法通过自己的私钥加密得到的就是证书的签名了

先简单阐述一下证书的指纹和签名的作用，我们在验证证书的时候，首先通过机构的根公钥去解密证书的签名，解密成功的话会得到证书的指纹和指纹算法，指纹是一个hash值，它代表着证书的原始内容，此时再通过指纹算法计算证书内容得到另外一个hash值，如果这两个hash值相同，则代表证书没有被篡改过，否则就是被篡改了

五、证书的验证

下面基于一个简单的图例，去分析HTTPS的数字证书的验证过程

假设这是一个浏览器的HTTPS请求

一：首先浏览器通过URL网址去请求服务端，服务端接收到请求后，就会给浏览器发送一个自己的CA数字证书

二：浏览器接收到证书以后，就要开始进行验证工作了。首先从证书中得知证书的颁发机构，然后从浏览器系统中去寻找此颁发机构的根证书。上面我们也看到，世界上权威CA机构的根证书都是预先嵌入到浏览器中的，如果在浏览器系中没有找到对应的根证书，就代表此机构不是受信任的，那么就会警告无法确认证书的真假，比如以前打开12360网站就会提示，现在不会了

如果我们找到了证书颁发机构的根证书，那么就从根证书中取得那个根公钥，用根公钥去解密此证书的数字签名，成功解密的话就得到证书的指纹和指纹算法，指纹是证书内容通过指纹算法计算得到的一个hash值，这里我们称之为h1，h1代表证书的原始内容；然后用指纹算法对当前接收到的证书内容再进行一次hash计算得到另一个值h2，h2则代表当前证书的内容，如果此时h1和h2是相等的，就代表证书没有被修改过。如果证书被篡改过，h2和h1是不可能相同的，因为hash值具有唯一性，不同内容通过hash计算得到的值是不可能相同的

有人说假如证书上的指纹是不法分子伪造的，伪造是没有用的，因为你伪造的指纹不可能用CA机构的根私钥去加密（根私钥是CA机构绝对保密的），伪造者只能拿自己的秘钥去加密这个伪造的指纹，但当我们拿机构的根公钥去解密伪造指纹的时候是不可能成功的（加密内容只能由一对公钥私钥解密）

在证书没有被修改过的基础上，再检查证书上的使用者的URL（比如csdn.net）和我们请求的URL是否相等，如果相等，那么就可以证明当前浏览器链接的网址也是正确的，而不是一些钓鱼网之类的

但如果浏览器的连接被某个中间人截取了，中间人也可以发一个由权威的CA机构颁发的证书给浏览器，然后也可以通过证书没有被篡改的验证，但是在证书没有被篡改的前提下，通过对比证书上的URL和我们请求的URL是否相同，我们还是可以判断当前证书是不是服务器发的证书。可以这么理解，因为URL具有唯一性，所以中间人的证书的上的URL和我们的证书的URL是不可能相同的，如果中间人修改了自己证书上的URL，那么就通过不了证书没有被篡改的验证，所以中间人的证书也是欺骗不了我们的

到这里我们认证了三点信息：

1.证书是否为受信任的权威机构颁发的

2.证书是否被篡改

3.证书是否为服务器发过来的，而不是第三方发的

三：基于上面的三点信息认证都没有问题的情况下，下一步我们有一个重要的任务就是，如何将一个对称加密算法的秘钥安全地发给服务器

首先随机生成一个字符串S作为我们的秘钥，然后通过证书公钥加密成密文，将密文发送给服务器。因为此密文是用公钥加密的，这是一个非对称加密，我们知道，这个密文只有私钥的持有者才能进行解密，在这里私钥的持有者当然是服务器了，所以说任何第三方截取到密文也是没用的，因为没有对应的私钥无法解密得到我们的密文

还有一个关键步骤，发送密文的时候也会对消息内容进行签名操作。签名上面讲解过，就是对密文内容进行hash计算得到的hash值再通过公钥或私钥加密得到的一段数字串，这个签名和消息内容一起发送出去。接收方收到消息以后，通过私钥或公钥解析出密文和签名的hash值，同时也会对接收的消息内容进行同样的hash计算得到另一个hash值，比对两个hash值是否相同来判断消息有没有被篡改过

四：通过了上面的步骤以后，此时客户端和服务端都持有了对称加密算法的同一个秘钥，然后兄弟俩就可以愉快地安全通信了

六、总结

数字证书的验证有两个重要的步骤，第一是客户端验证服务器发的数字证书有没有被篡改，以及没有被篡改的证书是否为服务器发的证书，而不是任何第三方假冒服务器发的证书；第二是客户端将对称加密算法的秘钥安全地发送给服务器。这两步都完成以后，整个HTTPS的数字证书的验证就算是成功了

好了，通过上面 的讲解，相信我们已经掌握了Https的数字证书验证原理了

本人开发的Socket框架：https://github.com/jiusetian/EasySocket