PKI基本原理概述 - 網安 - 專業的網絡安全產業、社區、知識平臺

在商用密碼應用方案的設計和研討中，證書相關內容幾乎在每個方案中都要碰到。在日常工作討論中，密小白發現，PKI是一個讓不少人感到困擾的概念，公鑰、證書、CA和PKI的含義是什么，他們之間的關系是什么？用公鑰就必須證書嗎？我們的國密CA和書上介紹的通用PKI相比有什么特點？下面，我們就來捋一捋這些基本概念，希望對大家理解PKI和用好PKI進行商用密碼保障系統設計有所幫助。

一、中間人攻擊與公鑰真實性問題

密碼技術起源于軍事應用，在一戰和二戰的態勢發展中起到關鍵作用，那時加密通信離不開一個關鍵的用來傳遞密鑰信息的密碼本，解密方必須獲得加密方在加密時采用的密鑰，才能順利解密信息。直到1976年Diffie和Hellman發表《密碼學的新動向》，證明了在發送端和接收端無需傳輸密鑰也可進行保密通訊，從此開啟了公鑰密碼學的新紀元。隨后RSA公鑰密碼算法發表，公鑰密碼得到廣泛應用，不僅用于保密通信，提供信息的機密性功能（如圖1所示），也用于數字簽名，提供信息的完整性、真實性和不可否認功能（如圖2所示）。

在圖1的加解密通信過程中，發送端A采用接收端B公鑰對消息進行加密，接收端B收到密文后，用自己的私鑰進行解密即可得到明文。在基于公鑰體制的保密通信中，通過公鑰無法推出私鑰，公鑰可以公開給任何人，不必擔心密文被知道公鑰的人解密。

雖然公鑰不用保密，但是，如何保證公鑰的真實性也是一個難題。如果發送方A事先并沒有接收方B的公鑰，需要從網絡上獲取公鑰時，主動攻擊者Eve就有機會發起攻擊，對雙方通信進行竊聽。針對公鑰密鑰的中間人攻擊過程如圖3所示。

（抱歉上圖第7步有誤，SKe應為PKe），攻擊者Eve在網絡中截獲Alice和Bob間的所有通信報文，并按需要進行轉發或者替換，就能用自己的公鑰PKe替換Bob的公鑰PKb，進而解密Alice發給Bob的消息，并偽造出Bob能正常解密的消息。

同樣，在圖2的簽名驗證過程中，簽名方A用自己的私鑰對消息進行了簽名，驗證方B收到簽名后，需要用A的公鑰對簽名值進行運算，以判斷簽名值是否真正由A產生。如果在不知情的情況下采用了攻擊者Eve的公鑰，那攻擊者偽造的任何簽名都能通過驗證了。

因此，在基于公鑰體制的安全通信中，無論是消息的加解密過程，還是消息的簽名驗證過程，得到真實的公鑰就顯得非常重要了。也就是說，在公鑰密碼體制中，雖然公鑰不需要保密，但是在使用公鑰的時候，必須要保證公鑰的真實性，知道公鑰屬于哪個主體。

二、為什么需要證書、PKI？

證書就是為了解決公鑰真實性而提出的技術手段。

認證機構CA將主體的身份信息及其公鑰放在一起，用自己的私鑰進行簽名后發放的文件就是證書。基于證書建立的公鑰真實性信任鏈條如圖4所示。

圖4 基于證書建立的公鑰真實性信任鏈

驗證者使用自己信任的認證機構CA的公鑰PKca，經過驗證運算可以判斷一張證書的真實性；通過一張真實的證書，可以相信證書中實體公鑰的真實性。在這個信任鏈條中，使用認證機構的真實公鑰是信任的源頭。

為了解決公鑰的真實性問題，引入了證書，由認證機構來進行簽名。但是，認證機構為什么可信，證書如何頒發，私鑰泄露后證書如何作廢，證書如何查詢，這些問題需要建立系列規范來解決，否則，公鑰的真實性仍然無法在網絡系統中得到確認。PKI就由此而生了。

三、PKI的三個基本組成要素

PKI全稱為公鑰基礎設施（Public-Key Infrastructure），是為了有效運用公鑰而制定的一系列規范和規格的總稱。它是總稱，而不是一個單獨的標準或規格。RSA公司的PKCS系列，某些IETF RFC標準，ITU-T的X.509，都是PKI的標準，根據具體所采用的規格，PKI有很多變種。雖然PKI涉及的內容似乎很多，但其基本組成可以總結為三個部分，如下圖所示：

圖5 PKI的三個基本組成要素

1：PKI用戶（實體）

如上圖5所示，PKI包括兩類用戶，一類是注冊公鑰的PKI用戶，另一類是使用公鑰的PKI用戶。

注冊公鑰的PKI用戶在PKI系統中的主要操作包括：

—向認證機構注冊公鑰，申請證書。公鑰可以自己產生后提交給認證機構，也可以由認證機構產生。

—根據需要申請作廢已注冊的公鑰，表示自己不再使用該公鑰。

—用私鑰解密接收到的密文。

—用私鑰對消息進行數字簽名。

使用公鑰的PKI用戶在PKI系統中的主要操作包括：

—查找某個實體的證書。

—對查找或獲取的證書進行驗證（驗證內容包括：證書的真實性，證書的有效期，證書是否撤銷）獲取可信的公鑰。

—用對方的公鑰將消息加密后發送給接收者。

—用對方的公鑰驗證數字簽名。

2：認證機構（CA）

認證機構（CA：Certification Authority）負責審核注冊公鑰的PKI用戶提交的身份信息，并為用戶頒發證書。其在PKI系統中的主要操作包括：

—生成密鑰對（也可由用戶生成）

—在注冊公鑰時對用戶身份及信息進行認證

—生成并頒發證書

—作廢證書（CRL：Certificate Revocation List ）

其中，公鑰注冊和用戶身份認證這部分工作可以由注冊機構（RA）來分擔。

3：證書庫

證書庫也叫證書目錄，是樹形的數據庫DB。PKI用戶在需要時從其中獲取證書。查找證書的標準協議有LDAP和OCSP兩類。LDAP（輕型目錄訪問協議，Lightweight Directory Access Protocol），用戶通過LDAP服務可以直接查到需要的證書和CRL。OCSP（在線證書狀體協議，Online Certificate Status Protocol）：用戶通過OCSP服務可以查詢到某個證書的狀態（有效/注銷/未知）。

到此為止，我們講解了公鑰機制的中間人攻擊風險，以及為了解決公鑰真實性問題而出現的證書和PKI體系。希望對于大家理解公鑰、證書和PKI的基本原理有所幫助。