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HTTPS通信中的身份认证机制

当你访问一个网站时，有没有想过这个问题：如何保证我的访问能直达目标网站，而没有被中间人攻击和劫持。想要解决这个问题，就得依靠HTTPS中的身份认证机制。

HTTPS的基本概念，我在前面的文章介绍过，可以理解为HTTP+TLS。TLS协议是HTTPS的关键，其设计目标是构建安全的传输层，主要通过数据加密、身份认证、数据完整性来实现，同时还具备高扩展性、兼容性的特点。

本文将介绍HTTPS功能中的身份认证，及其工作机制。

X.509v3证书

X.509是PKI体系中的一个证书标准，PKI体系将在后面的文章中再介绍。RFC文档中有对X.509的详细描述[RFC文档]( https://tools.ietf.org/html/rfc5280#section-4.1.1.2 ) 。当前野狗官网( https://www.wilddog.com )使用的证书格式正是X.509v3。

X.509v3证书由三部分组成：

tbsCertificate (to be signed certificate)，待签名证书
SignatureAlgorithm，签名算法
SignatureValue，签名值

tbsCertificate又包含10项内容，在HTTPS握手过程中以明文方式传输：

Version Number，版本号
Serial Number，序列号
Signature Algorithm ID，签名算法ID
Issuer Name，发行者
Validity period，有效时间
Subject name ，证书主体名称
Subject Public Key Info ，证书主体公钥信息，包含公钥算法和公钥值
Issuer Unique Identifier (optional)，发行商唯一ID
Subject Unique Identifier (optional)，主体唯一ID
Extensions (optional)，扩展

SignatureAlgorithm是指定对tbsCertificate签名使用的算法。SignatureValue是使用SignatureAlgorithm指定的哈希和签名算法对tbsCertificate进行哈希和签名后的签名值。

HTTPS通信中的身份认证机制

可以使用Wireshark抓包查看这些字段信息，结果如下：

HTTPS通信中的身份认证机制

如果觉得wireshark操作太复杂，也可以在浏览器上点击导航栏https小图标查看。

HTTPS通信中的身份认证机制

如何进行身份认证？

我们以某用户访问野狗官网为例，分析身份认证的过程（以下过程并非完整HTTPS握手过程，只是身份认证相关的过程）。

1. 浏览器向Server发送请求；

2. Server返回野狗官网的X.509v3证书，其包含三部分：tbsCertificate、SignatureAlgorithm、SignatureValue；

3. 浏览器读取证书中的tbsCertificate部分（明文），使用SignatureAlgorithm中的散列函数计算得到信息摘要，并利用tbsCertificate中的公钥解密SignatureValue得到信息摘要，然后对比双方的信息摘要，判断是否一致；如果一致，则成功；如果不一致，则失败。

HTTPS通信中的身份认证机制

虽然野狗官网的认证完成，但整个身份认证过程并没有结束，因为还需要认证证书链，这在文章后面将介绍。

身份认证算法

身份认证算法有多种，最常见的是RSA。通过openssl命令可以查看到：# openssl ciphers –V | column –t

我截取了部分输出结果，其中加密套件是认证、加密、MAC、密钥交换、密钥衍生的组合，如 ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384，ECDHE做密钥交换、RSA做身份认证、AES256-GCM做加密算法、SHA384做摘要。

HTTPS通信中的身份认证机制

RSA如何保证安全性

更直接的说：私钥加密、公钥解密，如何保证整个过程的安全。引用维基百科对RSA的描述：对极大整数做因素分解难度决定了RSA算法的可靠性。换言之，对一极大整数做因数分解愈困难，RSA算法愈可靠。我们来看下RSA的过程：

1. 随机选择两个大的质数p和q，p不等于q，计算N=pq；

2. 根据欧拉函数，求得r=φ(N) = φ(p)φ(q)=(p-1)(q-1)；

3. 选择一个小于r的整数e，使e与r互质。并求得e关于r的模反元素d，ed ≡ 1 (mod r)；

4. 将p和q的记录销毁。

最后得到：(N,e)是公钥，(N,d)是私钥。

使用公钥(N,e)加密明文m，得到密文c

me ≡ c (mod N)

使用私钥(N,d)解密密文c，得到明文m

cd ≡ m (mod N)

真正安全的保证是N不能被分解得到q和p。实际通信中，N通常非常大，比如2的2048次方，这在目前是不能被破解的。

在生成证书时，可以指定RSA的密钥长度；证书使用后，在证书信息中也可以查看。

证书信任链机制

实际上，在HTTPS通信中，Server下发给Client的不仅仅是对端网站的证书，而是一个证书链。这个证书链是从网站证书开始，逐级往上，到根证书。每个证书都被下个证书的私钥签署，每个证书的 Issuer 就是下个证书的 Subject，root CA内置在浏览器中，是被浏览器所信任的。

那么为什么会使用证书链？使用证书链的好处有两个：1.安全，2.保持CA的私钥离线，方便部署和撤销。如果没有证书链，那么当由CA来验证网站的证书时，如何保障这个过程中的CA是可靠的而不是伪造的。这就是证书链的作用。证书链的顶端是内置在浏览器或操作系统中的rootCA，一级一级的信任，保证了最后网站身份的可靠认证。每个证书的证书链往往是多条的，野狗官网证书的证书链有两条。

HTTPS通信中的身份认证机制

我们以野狗官网证书的三级证书链为例，wilddog.com证书 –> Go Daddy Secure Certificate Authority证书 –> Go Daddy Root Certificate Authority证书。浏览器在接收到wilddog.com网站的证书链后，首先会对wilddog.com网站证书认证：

HTTPS通信中的身份认证机制

验证完wilddog.com证书后，向上验证中间证书GoDaddy Secure证书，过程与之类似；验证完GoDaddy Secure证书后，继续验证GoDaddy Root证书，因为GoDaddy Root证书是自签名的，是浏览器内置的CA证书，所以是被浏览器所信任的。这就是证书的信任链，浏览器信任内置CA证书–Go Daddy Root证书，Go Daddy Root证书信任Go Daddy Secure证书，Go Daddy Secure证书信任wilddog.com证书，所以浏览器信任wilddog.com证书。

当然每个浏览器内置的CA列表存在差异，Mozilla的CA证书列表：

http://mxr.mozilla.org/mozilla-release/source/security/nss/lib/ckfw/builtins/certdata.txt

Go Daddy Root证书在Chrome浏览器内置的CA列表中看到。

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