公钥基础设施

公钥基础设施（PKI）是由证书颁发机构、数字证书和策略组成的系统，它将公钥绑定到经过验证的身份，使从未见过面的各方能够信任彼此的密钥。

Definition

公钥基础设施是创建、分发、存储、验证和撤销将公钥绑定到身份的数字证书所需的一系列角色、策略、硬件和软件。

Scope

本主题涵盖PKI的组成部分和运作：X.509证书、证书颁发机构和信任链、证书颁发和验证、撤销（CRL、OCSP）以及透明度机制。它探讨了支撑网络PKI及其替代方案（信任网络）的信任模型。它不包括证书使用的数字签名算法和使用证书的安全通道协议（TLS），这两者都将单独处理。

Core questions

• 依赖方如何确信公钥属于特定身份？
• 证书链和根颁发机构如何建立分层信任？
• 证书如何验证？当密钥泄露时如何处理撤销？
• 哪些故障模式（CA妥协、错误颁发）威胁着信任模型？
• 证书透明度等机制如何提高问责制？

Key concepts

• X.509证书
• 证书颁发机构 (CA)
• 信任链和根存储
• 证书签名请求
• 证书撤销 (CRL, OCSP)
• 证书透明度
• 信任网络
• CA妥协和错误颁发
• 证书锁定

Key theories

分层信任链

信任根植于客户端预装的一小部分自签名根证书颁发机构；这些机构签署中间CA，中间CA签署最终实体证书，因此客户端可以通过验证链到可信根来验证任何证书。

撤销和透明度

由于密钥可能被泄露或证书可能被错误颁发，PKI提供了撤销机制（证书撤销列表和OCSP），并且越来越多地提供公共审计日志（证书透明度），以便可以检测和不信任错误颁发的证书。

Mechanisms

申请人生成密钥对并提交证书签名请求；CA验证申请人的身份或域名控制权，并颁发将公钥绑定到该身份的X.509证书，该证书由CA的私钥签名。依赖方通过检查到可信根的签名链、有效期、名称和撤销状态（通过CRL或OCSP）来验证证书。证书透明度公开记录所有已颁发的证书，以便域名所有者可以检测未经授权的颁发。

Clinical relevance

网络PKI是使浏览器中的挂锁有意义的原因：每个HTTPS连接都依赖于CA颁发的证书来验证服务器。自动化、免费的颁发（Let's Encrypt）推动了HTTPS的普遍采用。PKI还支撑着代码签名、安全电子邮件、文档签名和企业设备身份。CA故障（2011年DigiNotar泄露事件）具有全球影响，这就是透明度和撤销重要的原因。

Evidence & guidelines

X.509证书和撤销在RFC 5280中进行了描述；证书透明度在RFC 6962中；OCSP在RFC 6960中。CA/浏览器论坛基线要求管辖公共信任的CA。ACME协议（RFC 8555）自动化了颁发。最佳实践倾向于短期证书、自动化续订和依赖证书透明度监控。

History

证书概念由Loren Kohnfelder在1978年的麻省理工学院论文中提出。X.509于1980年代后期从X.500目录项目中出现，并随着1990年代SSL/TLS的普及成为网络PKI的基础。CA的反复妥协和错误颁发（2011年Comodo和DigiNotar事件）暴露了无条件CA信任的脆弱性，促使了证书透明度和更严格的CA治理，而Let's Encrypt（2015年）则使证书颁发民主化。

Key figures

• Loren Kohnfelder
• Whitfield Diffie
• Ross Anderson
• Ben Laurie

Seminal works

• stallings2017
• rfc5280
• anderson2020

Frequently asked questions

证书颁发机构实际验证了什么？

对于常见的域名验证证书，CA只确认申请人控制该域名（例如，通过响应挑战）。它不担保组织的合法性。高保障证书涉及更多的身份检查，但大多数网络证书只证明域名控制权。

如果证书颁发机构被入侵会发生什么？

攻击者可以为任何网站颁发欺诈性证书，从而实现冒充。防御措施包括撤销和不信任该CA，证书透明度日志会显示未经授权的证书，以及限制滥用窗口的短证书生命周期。