Autosar之自签名证书与CA证书

一、安全传输

1.框架

2.如何实现传输安全？

“加密 + 签名 + 证书”，本质上就是在非安全信道中实现数据安全传输的解决方案。

• 1、加密 —— 防窃听 ： 将明文转换为密文，只有期望的接收方有能力将密文解密为明文，即使密文被攻击者窃取也无法理解数据的内容；

• 2、验证完整性 —— 防止篡改： 对原始数据计算摘要，并将数据和摘要一起交付给通信对方。接收方收到后也对数据计算摘要，并比较是否和接受的摘要一致，借此判断接收的数据是否被篡改。
  不过，因为收到的摘要也可能被篡改，所以需要使用更安全的手段：数字签名（对摘要的加密即数字签名）；

• 3、认证数据来源 —— 防止伪装： 数字签名能够验证数据完整性，同时也能认证数据来源，防止伪装。

3. 对称加密和非对称加密的区别？

• 1、密钥管理： 对称加密算法中需要将密钥发送给通信对方，存在密钥泄漏风险；非对称加密公钥是公开的，私钥是保密的，防止了私钥外传；

• 2、密钥功能： 公钥加密的数据，只可使用私钥对其解密。反之，私钥加密的数据，只可使用公钥对其解密（注意：公钥加密的数据无法使用公钥解密，因为公钥是公开的，如果公钥可以解密的话，就失去了加密的安全性）；

• 3、计算性能： 非对称加密算法的计算效率低，因此实际中往往采用两种算法结合的复合算法：先使用非对称加密建立安全信道传输对称密钥，再使用该密钥进行对称加密；

• 4、认证功能： 非对称加密算法中，私钥只有一方持有，具备认证性和抗抵赖性（第 3 节 数字签名算法 应用了此特性）。

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考虑到性能的因素，在 HTTPS 协议中采用的是 “对称加密” 和 “非对称加密” 结合的 “混合加密” 方案 ：在建立通信时，采用非对称加密的方式来协商 “会话密钥”，在通信过程中基于该密钥进行对称加密通信。

4.伪随机数和真随机数

随机数是计算机安全领域中非常重要的一个点，很多场景中都需要一个随机数来生成随机事件，比如密钥的生成、文件名、sessionId/orderId/token 等。现代的随机数生成模型依然采用的是 1946 年冯·诺依曼设计的随机数模型：

• 1、输入任意一个数作为 “种子”，通过随机数算法得到一个随机数；
• 2、将生成的随机数作为新的种子，代入下一轮计算；
• 3、重复 1、2 步骤，就可以生成多个具有统计意义的随机数。

然而，通过这种模型生成的随机数并不是绝对随机的。只要取样范围足够大，随机结果一定会陷入循环，因此这种模型生成的随机数只能称为 “伪随机数”，而随机结果陷入循环的周期称为 “随机周期”。

要得到真正意义的随机数，需要硬件层面支持。

• 1999 年 Intel 在其 i810 芯片组上集成了世界上第一款真随机数生成器，它的方案是将电路的热噪声（分子的不规则运动）作为数据来源，缺点是效率太低，因此目前计算机中采用的随机数依旧是软件实现的伪随机数。
• 虽然软件无法做到真随机，但可以提高生成器的随机性。比如采用更强壮的随机算法（Java#SecurityRandom）、采用更复杂的种子（系统时间、鼠标位置、网络速度、硬盘读写速度）、扩大随机数的取值范围、组合多个随机算法等。

5.数字签名 —— 验证完整性 & 认证数据来源

数字签名（Digital Signature）也叫作数字指纹（Digital Fingerprint），它是消息摘要算法和非对称加密算法的结合体，能够验证数据的完整性，并且认证数据的来源。

数字签名算法的模型分为两个主要阶段：

• 1、签名： 先计算数据的 [摘要]，再使用私钥对 [摘要] 进行加密生成 [签名]，将 [数据 + 签名] 一并发送给接收方；
• 2、验证： 先使用相同的摘要算法计算接收数据的 [摘要]，再使用预先得到的公钥解密 [签名]，对比 [解密的签名的摘要] 和 [计算的摘要] 是否一致。若一致，则说明数据没有被篡改。
  

如果用「公钥」对数据加密，用「私钥」去解密，这是「加密」； 反之用「私钥」对数据加密，用「公钥」去解密，这是「签名」。

• 由于所有人都持有公钥，所以「签名」并不能保证数据的安全性，因为所有人都可以用公钥去解密。
• 但「签名」却能用于保证消息的准确性和不可否认性。因为公钥和私钥是一一对应的，所以当一个公钥能解密某个密文时，说明这个密文一定来自于私钥持有者。

6.为什么使用摘要算法的数字签名可以验证完整性？

验证完整性主要依赖于消息摘要算法的特性，摘要算法的原理是根据一定的运算规则提取原始数据中的信息，被提取的信息就是原始数据的消息摘要，也称为数据指纹。

• 对一份数据，进行一个单向的 Hash 函数，生成一个固定长度的 Hash 值，这个值就是这份数据的摘要
• 著名的摘要算法有 MD5 算法和 SHA 系列算法。

摘要算法具有以下特点：

一致性： 相同数据多次计算的摘要是相同的，不同的数据（在不考虑碰撞时）的摘要是不同的；
不可逆性： 只能正向提取原始数据的摘要，无法从摘要反推出原始数据；
高效性： 摘要的生成过程高效快速；

摘要算法的模型分为两个主要步骤：

生成摘要： 先计算数据的 [摘要]，再将 [数据 + 摘要] 一并发送给接收方；
验证摘要： 使用相同的摘要算法计算接收数据的 [摘要]，对比 [收到的摘要] 与 [计算的摘要]是否一致。若一致，则说明数据是完整的。

单纯依靠摘要算法不能严格地验证数据完整性。因为在非安全信道中，数据和摘要都存在篡改风险，攻击者在篡改数据时也可以篡改摘要。因此，摘要算法需要配合加密算法才能严格验证完整性。

消息摘要的好处：

• 例如我们在下载文件时，数据源会提供一个文件的MD5。文件下载好之后，我们本地计算出文件的MD5，和数据源提供的MD5做对比，如果相同则文件是完整的。 但独立使用消息摘要时，无法确保数据没有被篡改，因为无法保证从数据源获取的MD5有没有被中途篡改。
• 相比加密算法，摘要算法速度都相对较快。

7.为什么数字签名可以认证数据来源？

这是因为签名时引入了发送方的私有信息（私钥），只有 ”合法的发送方“ 才能产生其他人无法伪造的一段数字签名（加密字符串），这个数字签名就证明了数据的真实来源。

• 当接收方采用 ”合法途径“ 获得发送方的公有信息是（公钥），并且成功验证数字签名，那么正说明数据来自 ”合法的接收方“。
  另外，在签名时引入发送方私有信息，在验证时使用发送方公有信息，这正好符合 “非对称加密” 的特点。
  因为签名时引入的私有信息正是私钥，验证时使用的公有信息正式公钥。

8.可以先使用私钥对原数据签名，再对签名进行摘要吗？

不可以，主要有两个原因：

• 1、可行性： 接收方需要通过摘要验证数据完整性，然而接收方无法对数据进行签名，因此无法验证数据摘要一致性；
• 2、时间效率： 对原始数据进行签名（加密）时间太长，而摘要算法本身是压缩映射，可以缩短签名消耗的时间。

9.接收方怎样才能安全地获得发送方公钥呢？——数字证书

什么是数字证书？

• 数字签名和数字证书总是成对出现，二者不可分离。数字签名主要用来验证数据完整性和认证数据来源，而数字证书主要用来安全地发放公钥。
• 数字证书主要包含三个部分：用户的信息、用户的公钥和 CA 对该证书实体信息的签名。

数字证书的模型主要分为两个步骤：

• 1、颁发证书：

(1) 申请者将签名算法、公钥、有效时间等信息发送给 CA 机构；
(2) CA 机构验证申请者身份后，将申请者发送的信息打成一个实体，并计算摘要；
(3) CA 机构使用自己的私钥对摘要进行加密，生成证书签名（Certificate Signature）；
(4)CA 机构将证书签名添加在数字证书上，构成完整的数字证书。

• 2、验证证书

(1) 验证方使用相同的摘要算法计算数字证书实体的摘要；
(2)使用 CA 机构的公钥（浏览器和操作系统中集成了 CA 的公钥信息）解密数字证书签名；
(3) 对比解密后的数据与计算的摘要是否一致，如果一致则是可信任的证书。

（1）生成CA根证书

根证书预先安装在操作系统中，我们认为根证书是一定正确的。

步骤：

• 1. 权威机构利用RSA等算法，生成一对 公钥K1 / 私钥K2;
• 2. 将 公钥K1 和 证书发布机构、有效期等信息组成一份原始的证书内容，设为 C；
• 3. 利用某种摘要算法，计算原始内容 C 的数字摘要，设为 H；
• 4. 用第一步生成的私钥S，对摘要H签名，得到签名内容S；
• 5. 将原始内容C和 签名内容S 合在一起，就得到了CA根证书。

CA证书：CA机构颁发给其他人的证书。主要包含如下信息

• 申请者公钥
• 申请者的信息
• 颁发者（CA）的信息
• 以上信息的数字签名。 数字签名生成规则：先使用摘要算法，例如SHA256，将以上信息生成摘要，然后CA使用自己的私钥对此摘要加密

（2）业务相关证书的生成

• 1. 企业利用RSA等算法，生成一对公钥K3 / 私钥K4；
• 2. 将公钥K3和证书其他内容组成原始证书内容，设为C，给到权威机构；
• 3. 权威机构拿到 C 后，利用摘要算法，生成摘要信息 2;
• 4. 权威机构用自己的私钥K2 (这是关键点)，对摘要信息H 签名，得到签名内容S;
• 5. 将 原始内容C2 和 签名内容S2 合并到一起，得到证书，交给企业。

CA根证书和业务证书区别点在于： 业务申请的证书，在签名时用的私钥是CA机构的私钥。这个私钥是和根证书中的公钥对应的。

（3）数字证书的真伪验证

用根证书的公钥，可以验证其他证书的签名是否正确。如果签名正确，则证书是可信的、没有被篡改的。后续就可以使用这个被信任证书中包含的公钥，去验证收到的消息是否可信了。

10.什么是证书颁发机构 CA？

证书颁发机构（certifcation authroity, CA）是负责数字证书的审批、颁发、归档和吊销等功能的机构，具有权威性。

• CA 机构分为 “根 CA” 和 “中间 CA”，原则上要避免根 CA 机构直接颁发最终实体证书，而需要由中间 CA 机构颁发最终实体证书。
• 这是为了避免证书失效的影响范围，一旦根证书失效或被伪造，那么整个证书链都有问题。

11. 什么是证书链？

证书链是多个数字证书建立的的证书验证链条。

• 数字证书主要包含三个部分：用户信息、用户密钥以及 CA 机构对该证书实体的签名。
• 为了验证证书实体的合法性，需要获得颁发该证书的 CA 机构公钥，这个公钥就存在于上一级证书中。因此，为了验证证书的合法性，就需要沿着证书链向上追溯直到根证书为止。

根证书是自签名证书，用户下载根证书就表示信任该根证书所有签发的证书。在操作系统或浏览器中，已经内置了一部分受信任的根证书。

12.数字证书的标准

数字证书主要包含三个部分：用户的信息、用户的公钥和 CA 对该证书实体信息的签名。目前的数字证书采用的是公钥基础设施（PKI）制定的 X.509 标准，目前已经有 3 个版本，其中比较常见的是 X.509 第三版的标准。

• 主要格式如下：
  

二、openssl生成自签名证书

基本流程

搞一个虚拟的CA机构，生成一个证书
生成一个自己的密钥，然后填写证书认证申请，拿给上面的CA机构去签名
于是就得到了自（自建CA机构认证的）签名证书

• 根证书是https客户端内置的，由https服务端私有密钥生成的
  

首先，虚构一个CA认证机构出来

# 生成CA认证机构的证书密钥key
# 需要设置密码，输入两次
openssl> genrsa -des3 -out ca.key 1024

# 去除密钥里的密码(可选)
# 这里需要再输入一次原来设的密码
openssl> rsa -in ca.key -out ca.key

# 用私钥ca.key生成CA认证机构的证书ca.crt
# 其实就是相当于用私钥生成公钥，再把公钥包装成证书
openssl> req -new -x509 -key ca.key -out ca.crt -days 365
# 这个证书ca.crt有的又称为"根证书",因为可以用来认证其他证书

生成网站的证书

• 用上面那个虚构出来的CA机构来认证

# 生成自己网站的密钥server.key
# genra	生成RSA私钥
# -des3	des3算法
# -out server.key 生成的私钥文件名
# 1024 私钥长度
openssl> genrsa -des3 -out server.key 1024

# 生成自己网站证书的请求文件
# 如果找外面的CA机构认证，也是发个请求文件给他们
# 这个私钥就包含在请求文件中了，认证机构要用它来生成网站的公钥，然后包装成一个证书
# req 生成证书签名请求
# -new 新生成
# -key 私钥文件
# -out 生成的CSR文件
# -subj 生成CSR证书的参数
openssl> req -new -key server.key -out server.csr -subj "/C=CN/ST=Guangdong/L=Guangzhou/O=xdevops/OU=xdevops/CN=gitlab.xdevops.cn"

# 使用虚拟的CA认证机构的证书ca.crt，来对自己网站的证书请求文件server.csr进行处理，生成签名后的证书server.crt
# 注意设置序列号和有效期（一般都设1年）
# -days 证书有效期
openssl> x509 -req -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -set_serial 01 -out server.crt -days 365 

至此，私钥server.key和证书server.crt已全部生成完毕，可以放到网站源代码中去用了

• subj参数说明如下：
  

三、Android 的应用签名

Gradle（10）一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制

https://duanqz.github.io/2017-01-04-Package-Manage-Mechanism

四、HTTPS双向认证（Mutual TLS authentication)

HTTPS双向认证（Mutual TLS authentication)

参考：

• 加密、摘要、签名、证书，一次说明白!
• 秒懂Https之CA证书与自签名证书漫谈
• 摘要、签名与数字证书都是什么？
• openssl生成自签名证书(完整版)
• 使用OpenSSL生成自签名SSL证书
• 使用openssl创建自签名证书
• Gradle（10）一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制