資安常識(1) - 公鑰基礎建設（PKI）概念

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前言

網路世界如何保障資訊安全，在資安的課本中常常會提到PKI

那麼，什麼是PKI？🤷‍♀️

內容

什麼是PKI？

PKI是英文Public key infrastructure的縮寫，中文名稱是公鑰基礎建設。

根據維基百科的說明

PKI是一組由軟硬體、參與者、管理政策與流程組成的基礎架構，其目的在於創造、管理、分配、使用及儲存憑證。

那麼，這個東西是幹嘛的？🤔

在資安中，有四個大特性是一定要嚴格遵守，這樣才能保證網路上的安全。

PKI就是前人經過各種考驗後，最後濃縮精簡出來的安全架構，而它就能夠來確保這四大特性。

所有定義都被放在製作網路安全程式時，必看的規格聖經RFC中。

那麼，四大特性分別是什麼？

  1. 身份識別（Authentication）：確保資料傳送者與接收者的身分可以唯一被識別。

    • 舉例：沒有身份識別，每個人都可以僞造彼此的身份，如網路銀行來說，大家不用識別都可以去幫別人提款。

  2. 隱密性（Confidentiality）：確保資料經過加密後無法被直接辨識。

    • 舉例：沒有隱密性的話，我們就可以直接辨讀機密資料，也就沒辦法避免密碼以明文方式外泄的狀況。

  3. 完整性（Integrity）：確保資料在傳輸過程的完整與正確性，必須避免未授權的更改或僞造。

    • 舉例：沒有完整性的話，我們可以直接更改資料，如我們可以直接更改匯款金額。

  4. 不可否認性（Non-Repudiation）：確保傳送者無法否認之前傳送過某訊息；相反，也可以防止接收的人否認曾經接收過訊息。

    • 舉例：沒有不可否認性的話，我們就可以在網路證券下單，然後在局勢不對的狀況改口跟券商說我剛剛其實沒做這筆交易。

也就是說，在網路上，這四大特性缺一不可，如果少一個都會出現每一項例子上的資安風險。

PKI內的角色職責

爲了維護剛剛說的四大特性，必須要有以下這些狠角色（狠是我隨便加的

  • 認證機構（Certificate Authority, CA）
    負責產生、發放、註銷、更新憑證的單位。

  • 註冊中心（Register Authority, RA）
    負責證書註冊的審核單位。

  • 驗證中心（Validation Authority, VA）
    確認驗章和憑證是否有效的單位。

  • 儲存庫（Directory Authority, DA）
    存放目前發放憑證及已註銷憑證（CRL）的倉庫。

  • 信賴夥伴（Relying Party, RP）
    信賴PKI架構的服務提供者。

  • 終端實體（End Entity, EE）
    申請使用憑證的單位。

看到這一定會有一堆問題，像我第一次看的時候，我就想說爲啥名稱這麼中二炫砲

然後這個解釋爲啥只是解釋字面的上意思，感覺沒什麼更深的含義

這樣想就錯了，太苦了，它們的含義可多了，但教科書不一定會跟你說

首先，我們先把可能會產生的疑問再分別列出來湊字數（不

  • 認證機構（Certificate Authority, CA）
    負責產生、發放、註銷、更新憑證的單位。

    • 什麼是憑證？
      憑證可以想成網路上用來識別個人身份的資料卡，上面會有個人資訊、個人的公鑰以及誰認可這張資料卡的證明（也就是簽章）。

      然後，這個說明可能會產生更多問題，像是什麼是公鑰、什麼是簽章或是爲什麼有人可以去認可別人的資料卡等等

      但是，遇到問題總要解決嘛

      • 公鑰
        密碼學上有個東西叫做加密，它確保了四大特性的其中一項 隱密性。
        一般來說，加密分爲對稱與非對稱兩種。
        在非對稱加密中，根據不同的算法生成鑰匙的時候，事前會產生兩把鑰匙，分別是公私鑰（有一個非常有名的加密方式叫做RSA加密算法）。那麼公鑰就可以想成是一把公開的鑰匙；私鑰則是只能自己擁有的鑰匙。

        其中，鑰匙成對的意思就是一把加密，我們可以用另一把解密。
        我如果用私鑰加密，對方能用我的公鑰解開的話，不就能證明是我是私鑰的唯一擁有者了嗎？這個就是底下簽章的概念。

        這邊可能又會有問題說，對稱我知道了，但什麼是對稱？公私鑰的定義又是什麼？問題先打住，這些內容，我在之後會針對對稱加密與非對稱加密說明。

      • 簽章
        簽章就是指剛剛提到的，確保了四大特性的其中一項 身份鑑別性。
        我們拿私鑰去對文件加密就是簽章。

        但問題是爲什麼用私鑰，不用公鑰？因爲簽章就是要證明你認可這份文件，所以得拿只有你有的東西來證明，公鑰大家都可以用，私鑰只有你有，所以簽章用私鑰。
        再來，文件很長很肥很大，真的是這樣做嗎？
        又是那招，問題先打住，我在之後會有文章針對簽驗章方法再說明。

      • 如何認可別人的資料卡
        這題答案也就是這個角色的定義，CA是頒發憑證的權威機構，所以他必須是能夠被信任的單位，如果一個能夠被信任的單位去認可你的資料卡，那就代表你的資料卡能夠被信任。
        那麼，如果我的資料卡被認可後，我又再認可別人會怎麼樣？這樣你就變成一種中介，形成一整個信任鏈。
        可是，信任的過程有這麼簡單嗎？當然沒有。
        舉例來說，今天有一個故事是這樣的

        你中午出門吃飯，找到一間小吃店，很自然的坐下來點了一碗陽春麵，並且等餐點來了之後，拿起旁邊的筷子直接開吃。吃完之後，拿出鈔票跟老闆結了帳，慢慢走出小吃店並且感受到陽光，今天真是樸實無華的一天。

        我們來檢視一下這個故事，或許能看到一些信任的問題

        • 你爲什麼敢出門？有沒有可能一出門就被炸死？
        • 爲什麼看到小吃店就敢走進去？
        • 你怎麼相信椅子是安全的？
        • 餐點來了怎麼敢吃？裏面沒被下毒嗎？
        • 爲什麼你能相信旁邊的筷子沒有用過？
        • 爲什麼鈔票能拿來用？

        從這些問題我們就能看出來，其實這世界並沒有那麼可信

        像我之前就在蛋花湯裏面不小心吃到釘書針😥

        只是我們依然選擇相信，爲什麼呢？

        不是人很正向，充滿正能量，而是因爲經由很多事蹟或是證據來證明相對可信，我們就能夠選擇相信

        以把錢存到銀行來說的話，我們相信銀行能幫我們保管錢也是因爲除了政府認可外，從各種方面得知銀行的來頭不小以及受到銀行的行銷，甚至是街坊鄰居朋友們都推薦，我們才敢把錢放進銀行。

        讓我們回到原本的話題，認證機構就是這樣的一個存在，它們透過一些方法來證明自己相對可信並且廣爲人知（我是不知道是不是大家都認得每一間認證機構啦），因此能夠作爲頒發證書的一個單位。

        不過，講到憑證，有些人會突然想到SSL憑證，這又是另外一回事了。

    • 憑證怎麼產生、發放、註銷、更新？
      這個問題，我在底下PKI運作流程會提到。

  • 註冊中心（Register Authority, RA）
    負責證書註冊的審核單位。

    • 證書跟憑證一樣嗎？
      沒錯，兩個是一樣的，只是用語不同，但指的是同一個東西，都是Certificate。

    • 審核是什麼意思？
      審核就是使用者想要申請憑證的時候，總該有個人出面來確認申請人的資訊是否有正確填寫，就是這樣的意思。

  • 驗證中心（Validation Authority, VA）
    確認驗章和憑證是否有效的單位。

    • 怎麼跑出驗章這種鬼東西？這三小？
      我在之後會有文章針對簽驗章方法再說明。

    • 驗憑證要怎麼驗？
      剛剛有提到，憑證可以想成是一個可信任單位去認可你的資料卡。
      可是問題是說，認可是什麼？我要怎麼認可？難道我用個喇叭開廣跟世界頻道說我認可這張卡，就等於認可了嗎？
      認可的實際方法就是用只有你有的東西來去綁定，也就是能證明這東西是你認可的。
      那麼，我們剛剛有提到什麼東西是只有你有的嗎？
      對了，就是那個，那個，那個，私鑰！
      我用私鑰對資料卡進行加密，就代表我認可這個資料卡

      這時候就有新的問題，爲什麼加密可以代表我認可？

      這邊就扯到非對稱加密的精髓，也就是一把鑰匙加密，我們只能用另一把解密
      所以說，私鑰只有你有，你用只有你有的東西加密，那不就代表你認可了嗎？
      那我能夠用公鑰解密出可被識別的資訊（也就是解密成功），就代表這兩個鑰匙是一對的，也證明這是你認可的資訊了。

  • 儲存庫（Directory Authority, DA）
    存放目前發放憑證及已註銷憑證（CRL）的倉庫。

    • 憑證發很多張不會塞爆嗎？
      這邊該考慮的不是放很多張不會塞爆這樣的問題，而是目前流通的有效憑證，會不會導致倉庫存取的時候阻塞？這邊最後就會牽扯到存有大量資料的資料庫存取的問題，我們就不在此討論。
      那麼，每張憑證都有有效期限，每當這個期限過了之後，這張憑證就會失效，所以正常流通的有效憑證，也不會有很多張。

    • 註銷憑證是怎樣？怎樣做才會被註銷？
      根據不同CA頒佈的憑證實務準則（CPS），裏面會寫道怎樣會被註銷。
      常見的原因會是違反當初約定使用的原則、法律因素、使用者覺得憑證有安全疑慮而提出註銷或是使用者不存在了（像是往生或是單位解散等等狀況）
      而成功註銷的話，CA也會在CRL中註明原因。

  • 信賴夥伴（Relying Party, RP）
    信賴PKI架構的服務提供者。

    • 信賴我是懂啦，畢竟要信任才會使用，可是服務提供者是怎麼回事？
      這邊我們可以舉例，像是證券商就是信賴夥伴，他們認爲並相信PKI架構能夠爲交易提供安全。那麼，券商再以PKI爲基礎提供證券戶來進行證券交易，這也就是提供者的身份了。

  • 終端實體（End Entity, EE）
    申請使用憑證的單位。

    • 剛剛有個提供者，這邊怎麼又申請了？這些角色是有病嗎？
      這個終端實體，名稱聽起來超級炫砲，但其實就是一般使用者，我們在上一個信賴夥伴有提到的證券戶就是一種終端實體，白話就是憑證的使用者。

從上面這些角色的基本介紹來看，我們可以知道這東西超級複雜，但也因爲如此才能保障我們網路上交易的安全。

PKI運作流程

這邊我們以PKI中的憑證申請跟憑證驗證來說

憑證申請

在憑證申請中，我們舉出一個實例來看

有一天，我們心血來潮想要辦個申請個證券線上交易用的憑證，要怎麼做？

首先，你必須要有證券戶，然而如何擁有證券戶呢？

常用管道爲臨櫃申請或線上申請

我們以臨櫃申請爲例子，這邊會出現的角色有EE、RA以及CA

  1. EE透過臨櫃與RA約定帳號與取得密碼單
    通常臨櫃的時候，對方會查看你的雙證件，甚至拍照記錄你的身份，所以約定後，就等於達成信任關係。

  2. EE透過手機APP進行線上證券帳號的登入，並向RA送出憑證申請
    等一下！等一下！怎麼直接送出憑證申請？
    這邊其實有更詳細的內容！
    手機的APP會幫你產生公私鑰對，並且把你的資訊及公鑰做成憑證申請請求（CSR）的格式送出給RA，那麼這個格式定義在RFC中的PKCS#10
    這邊就產生了一個問題，什麼是PKCS#10？
    PKCS就是有一個公司叫RSA資訊安全公司（對！就是那個RSA），定義了網路上大家如何使用這些密碼跟資訊的標準，也就是公鑰密碼標準（Public Key Cryptography Standards）。可以想成是把這些接口做一個規格化以方便溝通的方法。
    那麼，什麼是#10？是編號嗎？能吃嗎？
    我們來看看維基百科的公鑰密碼標準頁面，上面有寫道

    參見RFC 2986。規範了向憑證中心申請憑證之CSR（certificate signing request）的格式。

    也就是說，這就是標準中編號十的內容，主要是定義CSR格式。
    除此之外，還有許多不同的編號分別定義了各種密碼標準在通訊上的格式。

  3. RA將資訊審核，通過後轉送給CA進行簽章變成憑證
    這邊產生一個問題是，CA如何信任這個RA？
    一樣的程序再走一次，RA本身也需要跟CA申請憑證才能擔任RA這個角色。
    那麼，RA要怎麼申請這個擔任審核角色的憑證？
    根據不同CA有制定不同等級的方法去接受RA這個角色的憑證申請，但脫不了關係都是會去查驗申請RA身份的人是誰（有沒有這個人或公司，身份證或是相關的工商登記及詢問申請這個的用途等等）。
    RA只要能夠用當初申請憑證時能對應到的私鑰去對這個申請進行簽章，然後CA驗章成功就代表這個RA是曾經申請過這個憑證並且是我CA能夠信任的RA。

  4. CA簽章完後，將憑證轉送回RA，再轉送回EE存放

經過這些步驟，一個憑證的申請過程就完成。

以上就是憑證的產生與發放過程，看起來很複雜，的確很複雜。

之前我都沒想過手機上按下一個按鈕，背後發生的事情這麼麻煩。

另外，剛剛有說到憑證註銷與更新

  • 憑證註銷
    通常都是因故被吊銷，有些例子是違反使用原則，就像是駕照被吊銷一樣。
    舉個例子來說，使用者EE覺得自己的私鑰有流出疑慮，決定申請憑證註銷，那麼會經過哪些流程呢？

    1. EE臨櫃申請註銷或是透過線上申請（要永遠記得私鑰簽章可以代表自己認可）
    2. RA審核資訊，確認沒有問題後轉送給CA
    3. CA將註銷的憑證與原因更新到DA，並於下次CRL發佈時間公開
      CRL全名是憑證註銷清單（Certificate Revocation List），是一種黑名單的概念，上面出現的憑證都是被註銷導致失效的。這個清單由CA定時公告，VA會取得這份清單來驗憑證有效性。

  • 憑證更新
    憑證總是會失效，不外乎到期。但在到期前（通常是一個月前），RA會通知EE是否要更新憑證。
    那麼，憑證是如何被更新？

    1. RA通知EE憑證快要到期
    2. EE產生新的公私鑰對並向RA發出憑證更新請求
      這邊要注意這個請求還是會使用舊的私鑰去簽章（不然RA不認識你）。
    3. RA收到請求後，審核通過將資訊轉送給CA簽章變成憑證
    4. 最後CA將憑證轉送RA再交給EE，憑證更新成功

憑證驗證

我們有憑證了！接下來呢？

憑證總是需要使用的，要如何用呢？

我們接着上面的例子，以網路下單的憑證使用爲例

這邊出現的角色有EE、RP、VA、RA及CA（哇靠這不是幾乎全員到齊）

  1. EE使用憑證對交易資料產生簽章值
    等等！簽章值？！怎麼突然又有新名詞！
    簡單來說，簽章值是就是用私鑰對雜湊值加密。
    那麼，雜湊（hash）是透過數學轉換跟運算產生一定長度的資料（產生的資料稱爲摘要，重複性很低，也就是低碰撞性），並且用私鑰加密代表的是我認可這段資料。
    整個意思就是，我用私鑰認可這個足以代表整筆交易的一定長度資料。
    從這邊，我們可以看出來雜湊值既然是一定長度的資料，又可以代表不同長度的資料（當初覺得跟UUID超像），不就可以確保完整性了嗎？

    既然完整性代表資料沒被修改過，又被私鑰加密，若能解密成功代表EE認可並同意本次交易內容。也就是本次交易沒辦法反悔或任意修改交易內容，以此也可以達成不可否認性。

  2. EE將交易資料、簽章值與憑證交給RP來進行交易

  3. RP將剛剛收到的資訊轉交給VA來進行檢驗

  4. VA檢驗簽章正確性
    這邊會在之後的簽驗章方法進行說明。

  5. VA檢驗憑證有效性
    憑證怎樣算有效？
    剛剛有提到，在時間內以及不在註銷清單內都算有效，可是問題來了！
    時間內還好說，憑證上就有寫，但是要如何知道不在註銷清單內？

    有兩種正規的方法可以知道憑證是否被註銷，一種是VA定期向CA取得CRL清單，另一種是直接線上向CA查詢憑證狀態，也就是OCSP（Online Certificate Status Protocol）。

  6. VA驗章驗證完成後，通知RP結果

  7. RP根據結果決定是否提供EE服務

這邊我們一直都沒有提到DA這個角色，不是因爲它不重要，而是因爲它的概念純粹只是一個存放憑證的資料庫。

雖然PKI的角色互動中會常碰到DA，但在各個狠角色交互過程中就顯得沒那麼耀眼，所以我就不討論它了。

另外，有些問題剛剛可能沒有想過，就是它們分別是誰？

在驗證的時候，RP是券商、CA是CA、EE是證券戶（也就是使用者）。

RA根據申請憑證的時候，我們是向RA申請，所以可以猜到RA是券商！

那麼，VA是誰？

VA可以是券商，也可以是驗證服務的第三方提供者。

在實務上，它就僅僅只是個驗證程式，定期取得註銷清單，然後收各種驗證請求，吐出回傳值。

如果說，VA是券商的話，且我們剛剛知道RA是券商，那麼在驗證上，VA也可以透過旁門左道直接向RA詢問憑證狀態來節省時間。

以上，就是憑證使用的驗證流程，我覺得也是超複雜的。

結論

我們可以從PKI的構成來得知它博大精深，而且觸角延伸到我們生活中使用網路的各個角落。

在看這些東西之前，我對它根本沒有瞭解。使用這些東西的時候，就跟水龍頭打開就有水一樣自然。

但是現在大概瞭解PKI是什麼，就像是瞭解水龍頭流出來水怎麼來。

希望這篇文章對剛入門的人有所幫助，看完的人都能夠略知一二。

尾語

最近工作上需要，所以不得不補完這方面相關知識，網路上有很多資訊過於專業，或是不太清楚。

我在查資料補完知識的時候也順便在這邊做個記錄，避免日後忘記。當然也一定會有疏漏或是不詳細的地方，如果有看到覺得有問題的地方，再請你留言通知我！

若需要轉載請註明網址，謝謝 😊