Cryptography - Keystore & Certificates

Created by : Mr Dk.

2019 / 08 / 07 16:52

Nanjing, Jiangsu, China

Keystore

突然想研究研究 HTTPS 的实际使用，所以看了一下数字证书的相关知识。最终问题转化为使用 JDK 自带的 keytool 工具管理密钥。

Keystore 是一个用于存放公钥和证书的存储设施，里面能够存放不同类型的条目。应用最多的两类条目：

  • Key entries - 以被保护的格式存放，可以包含：
    • 密钥
    • 私钥及对应的公钥证书链
  • Trusted certificate entries
    • 包含另一方的公钥证书 public key certificate (PKC)
    • Keystore 的拥有者相信这些证书的公钥确实来自证书所有者

Keystore 中的所有条目都需要被一个唯一的 aliase 来进行访问。

  • 生成密钥或公私钥对并加入 keystore
  • 向信任的证书列表中加入证书和证书链
  • 随后的操作必须使用相同的 aliase 进行操作

对于一个 aliase，需要制定一个密码用于所有的操作。java.security 包中提供了 KeyStore 类的实现，用于操作 keystore。Oracle 在 JDK 中内置了一种默认实现：

  • 将 keystore 实现为一个文件，格式为 JKS
  • 用独立的密码分别保护每个私钥
  • 使用一个密码保护整个 keystore 的完整性

keytool 工具将 keystore 的路径在命令行中以文件名的形式传入，并转换为 FileInputStream，载入 keystore 信息。

Public-Key Certificate

其中指定了 subject 的公钥以及其它信息，并由 issuer 进行数字签名。

Public Keys

公钥被用于认证签名。

Signature

由实体的私钥加密，从而使签名不可伪造。

Entity

证书被用于解决公钥发放的问题。Certification Authority (CA) 扮演一个被通信双方都信任的第三方角色，可以为其它 entity 的证书进行签名。由于 CA 签订了法律条约，因此只产生合法的、可信赖的证书。

X.509 Certificates

X.509 标准定义了证书中需要包含哪些信息，以及其中的数据格式。证书中的所有数据被编码为两种相关的标准 - ASN.1/DER:

  • Abstract Syntax Notation 1 - 描述数据
  • Definite Encoding Rules - 形容数据存储和传输的方式

X.509 证书除去签名以外，包含下列数据：

  • Version - v1, v2, v3

  • Serial number - 用于与其它证书进行区分

  • Signature algorithm identifier - CA 对证书签名所用的算法

  • Issuer name - 对证书进行签名的 entity 的 X.500 Distinguished Name

    CN=Java Duke, OU=Java Software Division, O=Oracle Corporation, C=US

  • Validity period - 公开有效的时间

    • 有效期长度由私钥的强度、证书的价格等确定

  • Subject name - 证书公钥所有者的 X.500 Distinguished Names

  • Subject public key information - 密钥、密钥算法、密钥参数

certificate-signature

Certificate Chains

当新的密钥对刚被生成时，证书链一开始只有一个 自签名证书：

  • 即 subject == issuer，证书中的签名是由生成密钥中的私钥加密的
  • 证书的签名可以由证书中的公钥认证

接下来，产生一个 Certificate Signing Request (CSR) 并发送给 CA。在 CA 回应并导入后，自签名证书被替代为证书链：

  • 证书链的最顶端是 CA 签名认证 (CA 私钥加密) 后的证书，包含了 subject 的公钥
  • 下一个证书用于认证 CA 的公钥 (用于解开前一个证书的 CA 签名)
  • 直到证书链的最后，是一个 CA 的自签名证书，认证了自身的公钥

或者是另一种情况：CA 之间的交叉认证。总之，到最后总是会到达一个自签名的 root certificate。证书链中的每个证书都用于认证链中前一个证书的公钥。

certificate-chain

最底层的根 CA 证书是自签名的。根 CA 的公钥是公开的，可以从可信的介质中获得。一些软件中已经包含了默认信任的 CA 列表，这些软件称为 root program - 比如：

  • Microsoft Root Program
  • Apple Root Program
  • Mozilla Root Program
  • Oracle Java Root Program
  • ...

比如，浏览器使用操作系统对应的 root program 来使用证书：

  • Windows 上的 Chrome 信任 Microsoft Root Program 提供的证书
  • macOS 上的 Chrome 信任 Apple Root Program 提供的证书
  • Firefox 在所有平台上都使用 Mozilla Root Program 提供的证书
  • ...

Root program 通常用它们包含的证书，提供一系列合法的功能。

Reference

Oracle - keytool

Wikipedia - PKI

Wikipedia - Public key certificate

Wikipedia - Authroization certificate