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【51CTO.com快譯】在當今的數字世界中，無論何時何地，人們都在交換信息，并且每天都在呈指數級增長。跨系統交換數據的安全性至關重要，因為它們容易受到網絡攻擊。

隨著世界朝著數字化的方向發展，建立安全連接并了解其工作原理也變得更加重要。隨著IT技術的發展，出現了很多現代化的技術與產品，并改變了人們日常的工作和生活的方式。人們從零售購物轉向網上購物、金融交易實現數字化，貨幣實現數字化，以及圖片共享和列表等等。

由于人們的大部分活動都是在線進行的，那么如何確保通過網絡傳輸的數據安全?本文將介紹幕后發生的事情及其工作原理。

信息交流

當人們交換信息時，通常使用像互聯網，但由于其性質是共享的，任何人都可能攔截并查看交換的信息。

在這種情況下，通信的雙方可以采用加密策略，采用加密格式發送消息，該格式可由收件人讀取。早期的系統是交換一個共享密鑰，發送方使用該密鑰進行加密，接收方將使用該密鑰進行解密。由于兩者使用相同的密鑰，因此稱為對稱密鑰。接收方使用密鑰進行解碼，只有在雙方采用同一密鑰時才可能進行解碼。但是如果中間人知道這個密鑰，就可以讀取和更改消息。

為了使用公共通道進行有效通信，人們可以利用使用兩個密鑰的公鑰密碼。一個是公共的，另一個是私有的。這種技術稱為非對稱加密或公鑰加密。

公鑰密碼

在公鑰密碼中使用兩個密鑰：一個稱為公鑰，另一個稱為私鑰。這兩個密鑰是相互關聯的，公鑰不能與其他私鑰一起使用，反之亦然，它們是綁定在一起的。這些密鑰用于散列函數以生成數據的散列值，并使用公鑰對其進行加密。消息的預期接收者使用相應的私鑰對其進行解密，并且只有關聯的私鑰才能對其進行解密。

如果中間人竊取了密鑰，他就會發送公鑰來加密，并使用私鑰來解密以改變原始消息，然后將使用預期接收者的公鑰進行加密。這樣，原來的發送方和接收方就不會知道有中間人的更改，他們會認為發送和接收的內容是準確的。

由于公鑰和私鑰很容易落入中間人的手中，因此應該有一種對服務器進行身份驗證的方法，服務器通過出示其身份證書來驗證其身份。服務器從受信任的第三方系統獲取其身份證書，而第三方通常是證書頒發機構(CA)。CA就像政府辦公室或受信任的代理，遵守公共密鑰基礎(PKI)標準和頒發證書的準則，而作為CA的實體都會遵循。

在驗證預期用戶的真實性之后，CA頒發證書并使用其私鑰簽署證書。該簽名稱為證書的數字簽名。正在使用的證書種類繁多，并且每種證書都有其各自的用途。例如在當今客戶端和服務器之間的Web交換世界中，使用X509證書，它遵循ASN.1(抽象語法表示法一)標準。

這個證書通常作為二進制數據存儲在文件系統中，這些數據通常被轉換為稱為PEM(隱私增強電子郵件)的Base64 ASCII文件，這些文件具有.pem、.crt、.cer等擴展名。

例如X509v3證書內容如下：

Properties files

 Data: 
 
 Version: 3 (0x2) 
 
 Serial Number 
 
 Signature Algorithm 
 
 Issuer 
  
 Validity 
 
  Not Before 
 
  Not After 
 
  Subject 
 
  Subject Public Key Info 
 
  Public Key Algorithm 
 
  Public-Key 
 
 X509v3 extensions 
  
 Signature Algorithm 
 
 Signature Value 

簽名值

例如某個醫生的辦公室通過其網站允許患者在線注冊他們的詳細信息并安排預約。服務器就會起CA的作用，并證明其身份，并獲得以他的域名(醫生辦公室)為主題的證書。CA驗證醫生的辦公室身份并向服務器頒發X509證書。參閱下面使用OpenSSL命令生成的x509證書內容示例。

使用SSL/TLS的安全連接

兩方之間的安全連接是使用SSL/TLS協議標準建立的。而SSL之前使用過，但由于安全漏洞而被棄用，現在主要使用TLS。SSL/TLS層位于TCP/IP之上，在應用層之前。所以駐留在應用層的應用會自動被安全協議覆蓋。

考慮一下醫生辦公室網上預約的例子，在部署應用程序之前，服務器對CA采取了幾個步驟。

• 承載醫生辦公室網頁的Web服務器向CA請求證書。
• CA驗證醫生辦公室的申請并頒發證書;它還使用其私鑰(數字簽名)對其進行簽名。
• CA頒發的證書稱為實體證書，它包含用于驗證服務器的公鑰。
• 服務器有相應的私鑰，它駐留在服務器端，即部署醫生辦公室應用的服務器端。
• 如前所述，證書的所有者或主題與醫生辦公室的域相匹配。例如，www.doctoroffice.com。

SSL握手

• 患者從瀏覽器進入醫生辦公室網頁。其請求通過不安全的通道到達服務器;瀏覽器發送其使用的SSL版本、密碼設置以及服務器建立安全SSL通道所需的任何其他信息。
• 服務器依次以其SSL版本、密碼設置進行響應，并發送從CA接收的證書(也稱之為葉證書或實體證書)。
• 客戶端使用其信任庫驗證從服務器收到的葉證書。瀏覽器和計算機都帶有嵌入信任存儲區的大多數第三方CA的中間證書和根證書。
• 瀏覽器在其信任庫中搜索已簽署葉證書的相應中間證書。然后使用中間證書的發行者公鑰來驗證數字簽名(因為公鑰和私鑰是配對的);如果它可以驗證數字簽名，則驗證會進入中間體，直到它到達自簽名根證書并最終結束。這種驗證稱為認證路徑驗證或認證鏈。
• 一個證書可以有一個或多個中間證書，并且必須對鏈進行驗證。
• 一旦服務器證書通過身份驗證，客戶端將根據需要將其證書發送到服務器。在某些情況下，客戶端請求資源并通過提供其證書來證明其身份。而在使用瀏覽器的情況下，并沒有使用證書的客戶端身份驗證(應用程序使用其他形式的身份驗證，如用戶名/密碼)。

• 如果客戶端無法驗證來自客戶端信任庫的服務器證書，它將終止連接，并且瀏覽器將顯示警告消息。
• 此外，瀏覽器會根據域中的主題名稱檢查用戶輸入的域名，將顯示錯誤消息，并停止進一步連接。
• 在驗證成功之后，客戶端使用約定的密碼為該會話生成一個預主密鑰，并使用服務器的公鑰對其進行加密，該公鑰是葉證書的一部分。
• 服務器使用服務器的私鑰解密預主密鑰，然后生成主密鑰。然后客戶端和服務器都使用主密鑰生成會話密鑰，對稱密鑰用于加密和解密該會話的消息。

證書鏈看起來是什么樣的?

使用OpenSSL驗證證書鏈：

僅使用中間人驗證證書。

下面給出了由不同中間人簽署的證書的驗證。

中間人證書和根證書作為OpenSSL的一個文件。

通過正確的中間人證書和根證書鏈的驗證。

在找到正確的中間人證書和根證書后，OpenSSL能夠驗證葉證書。

結論

了解密碼技術將使人們對每天訪問的網站充滿信心，并且可以更深入地了解瀏覽器在與其他方握手期間出現任何異常情況下嘗試與他人通信的內容。關于證書認證的力量將使人們能夠在網上安全地做更多的事情。

原文標題：Cryptography and Secure Connection: How It Works，作者：Joseph Stephen Savariraj

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