网络数字身份认证术

on 2022-01-02 | by 陈皓关注作者

这篇文章是《HTTP API 认证授权术》的姊妹篇，在那篇文章中，主要介绍了 HTTP API 认证和授权技术中用到的 HTTP Basic, Digest Access, HMAC, OAuth, JWT 等各种方式，主要是 API 上用到的一些技术，这篇文章主要想说的是另一个话题——身份认证。也就是说，怎么确认这个数据就是这个人发出来的？

用户密码

要解决这个问题，我们先来看一个最简单的解——使用密码，通常来说，在网络上要证明一个人的身份的话，都需要这个人的一些私密而唯一的东西。比如，像密码这样的东西，很多地方，只要你提供了你的用户名+密码，就可以确定这个人是你（注明：关于密码管理，强密码设定，密码泄漏，密码破解以及密码哄骗不在这篇文章的话题中），也就是说，这个密码是非常私密的事，我们可以假设，这个事全世界只能有当事人一个人知道，所以，当当事人得供正确的密码，我们就可以认证这个人了。

为了加强密码的安全程度，一般会使用 2FA（Two-factor authentication）或 MFA（Multi-factor authentication），双因认证或多因认证，这需要用户提供一个唯一的可信设备，比如用户的手机，然后通过验证手机短信，或是像 Google Authenticator 这样的动态口令来完成。这样的安全级别已经算是比较高了。如果能够再加上经常性的变更密码，那么密全级别就更好了。

另外，一些公司还使用了生物密码来进行用户的身份验证，比如人脸识别。但是，我个人觉得人脸识别或是生物识别是比较糟糕的方式，因为：

目前能被验证的生物信息（如人脸和指纹）太容易被别人获得和伪造了。这样东西不能被变更和吊销，密码可以被吊销和重置，人脸则不能。

密钥对和证书

密码可以解决身证认证的问题有很多问题，最重要的一个问题就是，你要把你的密码提供给对方，对方才能验证你的身份。你不可能把你的密码提供给全世界的人吧，这样的话，全世界的人都有你的密码了，那么任何人都能变成你了。所以，用户密码这个事只能存在于权威机构和普通用户之间，不能存在于普遍应用中。所以，这里需要使用更好的解决方案。

使用 ECC（Elliptic-Curve Cryptography）椭圆曲线密码术，可以通过一个“密钥对”进行非对称加密。这种技术，在对信息进行加密和解密时，使用两个不同的密钥，其中一个用来做加密，另一个做解密。这样一来，我们就可以把其中一个密钥公布出去，称之为公钥，另一个密钥私密地保管好，称之为私钥。

比如，我用我的私钥加密信息，然后，我把这个私钥所配对的公钥发布给所有人，大家都用公钥解密信息，不用我的公钥你解密不了这个信息。这样一来，就可以保证这个信息是我发出来的，不但保证了信息安全，还完成了身份认证。

这样的现实案例一般用于网站，也就是用户得要知道我访问的这个网站是真实的，不是别人做的。因为 DNS 很容易被 hack，你连上一个不可信的网络，这个网络里的 DNS 把这个网站的 IP 地址解析成什么就是什么了。但是有了这个加密的机制后，网站把自己的信息加密后连同公钥给到访问者，访问解密后就知道是不是这个网站了。

但是，这里还是会有一个很严重的问题，那就是中间人攻击。如下图所示：

中间人 Chad 把伪装成 Bob 向 Alice 要信息，然后，再伪装成 Alice 对 Bob 说，这就是 Alice 的公钥，于是 Bob 也无法验证是不是 Alice 的公钥，因为公钥里就是一堆乱七八糟的数据，我们完全不能分辨哪个公钥属于 Alice 的。试想，如果我们收到声称属于银行的密钥。我们怎么知道它确实属于你的银行？

这里的答案就是使用数字证书。证书跟我们的身份证非常类似，其需要一个可信机构来颁发和验证的。这个证书机构 CA（Certificate Authority）是一个是大家都相信的权威机构，他用他的人品保证（当然一般会被严格管理和审计），CA 机构同样使用这样的非对称加密的技术来完成颁发和验证的事。下图展示了这一过程。

说明一下上面这个图：

为了解决公钥认证的问题的，我们需要一个权威的CA 机构。 Alice 把自己的信息（姓名、组织，地址，电邮，网址等）和自己的公钥打包成一个 CSR 的文件，发给 CA 机构， CA 机构会来找 Alice 做物理世界的认证，如果通过后，就会用自己的机构私钥，把CSR 变成一个签名证书。 Bob 同学拿到 Alice 的证书，用 CA 机构的公钥解密后，得到 Alice 的公钥后面就可以签证信息是否来自 Alice 了。

是的，这个过程就是在“套娃”，这种证书机构还可以给下级的证书机构发证，于是就会一层套一层地，形成一个证书链，顶层的叫根证书，你得绝对信任之。对于验证证书真实性的客户端，它需要能够验证链中所有 CA 的签名，这意味着客户端需要访问链中所有 CA 的证书。

证书生成过程演示

并不是所有的场景都需要向这些大型的 CA 机构申请公钥证书，在任何一个企业，组织或是团体内都可以自己形这样的“小王国”，也就是说，你可以自行生成这样的证书，只需要你自己保证自己的生成证书的私钥的安全，以及不需要扩散到整个互联网。下面，我们用 openssl命令来演示这个过程。

1）生成 CA 的证书（公钥） ca.crt 和私钥 ca.key

openssl req -newkey rsa:2048 \
    -new -nodes -x509 \
    -days 365 \
    -out ca.crt \
    -keyout ca.key \
    -subj "/C=SO/ST=Earth/L=Mountain/O=CoolShell/OU=HQ/CN=localhost"

2) 生成 alice 的私钥

openssl genrsa -out alice.key 2048

3）生成 Alice 的 CSR – Certificate Signing Request

openssl req -new -key alice.key 365 -out alice.csr \
    -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Haidian/O=CoolShell/OU=Test/CN=localhost.alice"

4）使用 CA 给 Alice 签名证书

openssl x509  -req -in alice.csr \
    -extfile <(printf "subjectAltName=DNS:localhost.alice") \ 
    -CA ca.crt -CAkey ca.key  \
    -days 365 -sha256 -CAcreateserial \
    -out alice.crt

双向认证 mTLS

上面，我们说的基本上都是单向认证，大量的场景都是确保用户方访问的是真正的服务方，如：银行，电商网站，等。这样可以保证用户不会被钓鱼网站或是中间人攻击。但是，很多时候，我们也是需要双向认证的。下面是一个典型的场景——微信支付和商户间交互

用户到商家那边买东西，商家要求用户进行支付。用户选择了微信支付，于是，界面从商户侧切到了微信侧微信那边支付完成后，商户这边收到微信那边支付完成的通知，于是开始发货。

这个过程中有件事非常重要——就是微信通知商户支付完成的时候。

微信得确保通知到的就是用户所支付商户，而不是别个。商户也得要能确认，来通知我的就是微信，不是别人。

一般来说，微信会给商户一个 AppID和一个 AppSerct，用这个来确保是我认证过的商户来调用我，然后，需要商户在自己的系统里填一个回调的 URL，并通过平台设置的 key来做 MD5/HMAC的签名来确保是官方的回调。这都是在《HTTP API 认证授权术》中提到过的技术，是相对传统的技术。

如今，mTLS是确保云原生应用程序中服务之间的通信安全的首选协议。也就是双向认证。

传统的 TLS 认证过程是：

客户端连接到服务器服务器提供其 TLS 证书客户端验证服务器的证书客户端和服务器通过加密的 TLS 连接交换信息

在 mTLS 中，客户端和服务器都有一个证书，双方都使用他们的公钥/私钥对进行身份验证。与常规 TLS 相比，mTLS 中有额外的步骤来验证双方（以粗体显示的额外步骤）：

客户端连接到服务器服务器提供其 TLS 证书客户端验证服务器的证书客户端出示其 TLS 证书服务器验证客户端的证书服务器授予访问权限客户端和服务器通过加密的 TLS 连接交换信息

mTLS 需要“根”TLS 证书；这我们自己来完成证书颁发机构的职责。授权客户端和服务器使用的证书必须与此根证书相对应。根证书是自签名的，这意味着我们需要自己创建它。（注：此方法不适用于公共 Internet 上的单向 TLS，因为外部证书颁发机构必须颁发这些证书）

那么，为什么整个互联网上都用了 TLS 了，为什么不升级一下使用 mTLS？这里有两方面的原因：

公共互联网上要解决的问题是：A) 确保用户访问到的是正确的网站，而不是钓鱼网站。B）网站传输的内容是安全和私密且不会被篡改的。将 TLS 证书分发到所有最终用户设备将非常困难。生成、管理和验证为此所需的数十亿个证书几乎是不可能的任务。

在较小的范围内，mTLS 对于单个组织非常有用且非常实用，尤其是当这些组织采用零信任方法来确保网络安全时。由于默认情况下零信任方法不信任任何用户、设备或请求，因此组织必须能够在每次尝试访问网络中的任何点时对每个用户、设备和请求进行身份验证。mTLS 通过对用户进行身份验证和设备验证来帮助实现这一目标。

关于 mTLS，这里有一个我用 Golang 写的示例 – https://github.com/haoel/mTLS，大家可以参考一下。

P.S. 本文图版中的卡司来自安全圈的标准 Cast，参看 Alice and Bob。

（全文完）

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