密码学技术是信息技术的基石,区块链中大量使用了现代信息安全和密码学的技术成果,主要包括:哈希算法、对称加密、非对称加密、数字签名、数字证书等。哈希算法解决了信息完整性验证问题,对称算法提高了加密运算效率,非对称算法解决了对称密钥传递问题,数字证书则为公钥所有者背书,解决了公钥持有者的证明问题,PKI/CA 体系形成了解决信息安全、信息机密性、完整性和抗抵赖的完整解决方案。

目前在中国主流发展的区块链技术被称为开放许可链,什么叫做许可链呢?就是所有组成许可链的节点所有者,其身份都是被认证过,被许可授权后,才能加入到该区块链网络的。

在这种场景中,网络向授权的组织或机构开放,链上各参与方之间是一种协作关系,存在准入机制。PKI/CA 体系作为完整解决方案,可以为许可链各参与方提供身份认证证书,实现准入权限控制。可以说,证书机制是许可链网络安全的基石。本文对 PKI/CA 基本概念进行必要描述后,详细阐述 Ultrain 证书管理体系。

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公钥基础设施

公钥基础设施(Public Key Infrastructure,简称 PKI)是一个包含硬件、软件和策略等集合,用来实现基于公钥密码体制的密钥和证书的产生、管理、存储、分发和撤销等功能的完整系统。

1.1 PKI 系统

PKI 系统包括证书机构 CA(Certificate Of Authority,认证中心)、注册机构 RA 和相应的 PKI 存储库。CA 用于签发并管理证书;RA 可作为 CA 的一部分,也可以独立,其功能包括个人身份审核、CRL管理、密钥产生和密钥对备份等;PKI 存储库包括 LDAP(Lightweight Directory Access Protocol,轻量目录访问协议)目录服务器和普通数据库,用于对用户申请、证书、密钥、CRL(Certificate revocation lists)和日志等信息进行存储和管理,并提供一定的查询功能。

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图1 PKI系统

1.2 证书申请过程

• 用户申请:

用户生成自己的公钥和私钥,将公钥和自己的身份信息提交给安全服务器,安全服务器将用户的申请信息传送给 RA 服务器。

• RA 审核:

用户向 RA 证明自己的身份,RA 收到用户的申请后进行核对。如果 RA 同意用户申请证书的请求,则对证书申请信息做数字签名;否则拒绝用户的申请。

• CA 发行证书:

RA 将用户申请和 RA 签名传输给 CA,CA 对 RA 数字签名做认证,如果验证通过,则同意用户请求,颁发证书,然后将证书输出。如果验证不通过,则拒绝证书申请。

• RA 转发证书:

RA 从CA 得到新的证书,首先将证书输出到 LDAP 服务器以提供目录浏览,再通知用户证书发行成功,告知证书序列号,到指定的网址去下载证书。

• 用户证书获取:

用户使用证书序列号去指定网址下载自己的数字证书。

1.3 X.509 证书格式

主流的证书格式为 X.509 格式。X.509 标准规定了证书可以包含什么信息,并说明了记录信息的方法。

X.509 结构中包括版本号(Version Number)、序列号(Serial Number)、签名算法(Signature Algorithm)、颁布者(Issuer)、有效期(Validity)、主体(Subject)、主体公钥信息(Subject Public Key Info)、主体公钥算法(Public Key Algorithm)、主体公钥(Subject Public Key)、证书签名算法(Certificate Signature Algorithm)和证书签名(Certificate Signature)。

1.4 证书验证原理

  1. 对证书中的明文利用相同的散列函数得到摘要值 H1。

  2. 用 CA 根证书验证客户证书的签名合法性,即证书中的签名用 CA 根证书的公钥解签,解签的结果与步骤 1 中的 H1 对比,如果一致,说明证书是由信任的根证书签发,且证书的内容没有被篡改。

  3. 检查客户证书是否有效 (当前时间在证书结构中的所定义的有效期内)。

  4. 检查客户证书是否作废 (OCSP 方式或 CRL 方式)。

  5. 验证客户证书结构中的证书用途。

上述所有信息都验证通过,那么证书中客户的公钥信息就能够在后续的操作中使用。

02

Ultrain 证书管理体系

许可链经过授权的节点组成联盟从而共享和访问数据。PKI 体系是一套用户审核、身份管理和隐私保护的完整的、成熟的体系,Ultrain 定义了一套从上而下的证书管理流程,从而实现许可链节点的权限管理和访问控制。

2.1 Ultrain 证书体系

Ultrain 采用面向 CA 的准入机制,实现基于 X.509 格式证书的认证和动态管理。根据现有业务场景,证书体系如图 2 所示,自上而下包含以下类型:根证书、链证书、节点证书和用户证书。

根证书:根证书是一个自签名的证书,为所有证书的根,对应的私钥 key 文件由联盟委员会共同管理。

链证书:在多链架构中,单链管理机构生成链私钥,并生成请求文件 chain.csr 发送给联盟委员会,联盟委员会审核通过后签发链证书 chain.crt。

节点证书:节点证书由链证书签发。节点生成并保存自己的私钥文件 node.key,并生成请求文件 node.csr 发送给链管理机构,链管理机构审核通过后签发节点证书 node.crt。节点证书是节点的身份凭证,拥有节点证书的节点能够与区块链网络中节点建立 SSL 链接,实现节点间的加密通信。

用户证书:用户证书由提供链访问接口的节点签发。用户生成并保存自己的私钥文件 sdk.key,并生成请求文件 sdk.csr 发送给需要访问的节点管理机构,节点管理机构审核通过后签发用户证书 sdk.crt。用户证书是客户端的身份凭证,拥有用户证书的客户端才能正常访问链接口。

Ultrain 提供了一套证书申请签发管理程序,方便各级证书的申请、验证及签发。
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图2 Ultrain 证书体系

2.2 证书使用场景及验证

根证书由 Ultrain 联盟委员会共同管理,目前采用自签名证书,也可以与商业证书签发机构对接,使用权威机构签发的证书。当业务需要建立新的侧链时,该侧链管理机构提交证书请求文件,联盟委员会审核通过后使用根证书签发链证书;链证书由该链管理委员会进行管理,链管理委员会接收联盟成员成为运行节点的证书请求文件,委员会审核通过后签发节点证书;联盟成员使用节点证书以接入该侧链节点网络,才可以进行共识及交易信息的正常收发。如果该节点提供链上数据访问接口,则需签发用户证书提供给客户端使用;客户端使用特定节点签发的用户证书,才可以正常访问该节点提供的数据接口,进行数据读取、交易发送等操作。

节点证书验证

节点证书在节点间建链时使用。基于证书验证的链接建立之后,节点才能组成 P2P 网络,从而实现共识协议信息和交易信息的传播,下图为节点证书的使用流程。

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图3 Ultrain 节点证书验证流程

节点在启动时,携带自己的节点证书可以与同样拥有节点证书的节点建立 SSL 安全链接。当证书过期、被篡改时,不能加入到 P2P 网络中,从而不能共享和传播链上数据。

在 Ultrain 的证书吊销(CRL)管理体系中,证书的吊销由该证书签发机构完成。节点可以向 CA 管理中心定期获取 CRL 列表。节点间的心跳报文中需携带自己的节点证书,当不携带节点证书或携带的证书在 CRL 列表时,心跳报文检测端会主动拆掉与被检测端的链接,实现实时的接入管理控制。

用户证书验证

客户端访问节点提供的链接口时,可以选择校验节点证书,以验证节点身份,此时需使用根证书、链证书组成的证书链对节点证书校验。另外,客户端需提供用户证书给节点,节点的 HTTPS 服务会校验客户端所提供的用户证书(使用根证书、链证书以及节点证书组成的证书链进行校验),同时会检查 CRL 吊销列表,校验通过且该用户证书不在 CRL 列表时,则成功建立 SSL 链接,进行正常通信,否则则不能建立链接,从而保证了客户端与节点间的通信安全。