iOS 中对 HTTPS 证书链的验证

这篇文章是我一边学习证书验证一边记录的内容,
稍微整理了下,共扯了三部分内容:

  1. HTTPS 简要原理;
  2. 数字证书的内容、生成及验证;
  3. iOS 上对证书链的验证。

HTTPS 概要

HTTPS 是运行在 TLS/SSL 之上的 HTTP,与普通的 HTTP 相比,在数据传输的安全性上有很大的提升。
要了解它安全性的巧妙之处,需要先简单地了解对称加密非对称加密的区别:

  • 对称加密只有一个密钥,加密和解密都用这个密钥;
  • 非对称加密有公钥和私钥,私钥加密后的内容只有公钥才能解密,公钥加密的内容只有私钥才能解密。

为了提高安全性,我们常用的做法是使用对称加密的手段加密数据。可是只使用对称加密的话,双方通信的开始总会以明文的方式传输密钥。那么从一开始这个密钥就泄露了,谈不上什么安全。所以 TLS/SSL 在握手的阶段,结合非对称加密的手段,保证只有通信双方才知道对称加密的密钥。大概的流程如下:

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TSL:SSL_handshake.png

所以,HTTPS 实现传输安全的关键是:在 TLS/SSL 握手阶段保证仅有通信双方得到 Session Key!

数字证书的内容

X.509 应该是比较流行的 SSL 数字证书标准,包含(但不限于)以下的字段:

字段 值说明
对象名称(Subject Name) 用于识别该数字证书的信息
共有名称(Common Name) 对于客户证书,通常是相应的域名
证书颁发者(Issuer Name) 发布并签署该证书的实体的信息
签名算法(Signature Algorithm) 签名所使用的算法
序列号(Serial Number) 数字证书机构(Certificate Authority, CA)给证书的唯一整数,一个数字证书一个序列号
生效期(Not Valid Before) (`・ω・´)
失效期(Not Valid After) (╯°口°)╯(┴—┴
公钥(Public Key) 可公开的密钥
签名(Signature) 通过签名算法计算证书内容后得到的数据,用于验证证书是否被篡改

除了上述所列的字段,还有很多拓展字段,在此不一一详述。

下图为 Wikipedia 的公钥证书:

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wikipedia_cer.png

数字证书的生成及验证

数字证书的生成是分层级的,下一级的证书需要其上一级证书的私钥签名。
所以后者是前者的证书颁发者,也就是说上一级证书的 Subject Name 是其下一级证书的 Issuer Name。

在得到证书申请者的一些必要信息(对象名称,公钥私钥)之后,证书颁发者通过 SHA-256 哈希得到证书内容的摘要,再用自己的私钥给这份摘要加密,得到数字签名。综合已有的信息,生成分别包含公钥和私钥的两个证书。

扯到这里,就有几个问题:

问:如果说发布一个数字证书必须要有上一级证书的私钥加密,那么最顶端的证书——根证书怎么来的?

根证书是自签名的,即用自己的私钥签名,不需要其他证书的私钥来生成签名。

问:怎么验证证书是有没被篡改?

当客户端走 HTTPS 访问站点时,服务器会返回整个证书链。以下图的证书链为例:

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chain_hierarchy.png

要验证 *.wikipedia.org 这个证书有没被篡改,就要用到 GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2 提供的公钥解密前者的签名得到摘要 Digest1,我们的客户端也计算前者证书的内容得到摘要 Digest2。对比这两个摘要就能知道前者是否被篡改。后者同理,使用 GlobalSign Root CA 提供的公钥验证。当验证到到受信任的根证书时,就能确定 *.wikipedia.org 这个证书是可信的。

问:为什么上面那个根证书 GlobalSign Root CA受信任的

数字证书认证机构(Certificate Authority, CA)签署和管理的 CA 根证书,会被纳入到你的浏览器和操作系统的可信证书列表中,并由这个列表判断根证书是否可信。所以不要随便导入奇奇怪怪的根证书到你的操作系统中。

问:生成的数字证书(如 *.wikipedia.org)都可用来签署新的证书吗?

不一定。如下图,拓展字段里面有个叫 Basic Constraints 的数据结构,里面有个字段叫路径长度约束(Path Length Constraint),表明了该证书能继续签署 CA 子证书的深度,这里为0,说明这个 GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2 只能签署客户端证书,而客户端证书不能用于签署新的证书,CA 子证书才能这么做。

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path_length_constraint.png

iOS 上对证书链的验证

Overriding TLS Chain Validation Correctly 中提到:

When a TLS certificate is verified, the operating system verifies its chain of trust. If that chain of trust contains only valid certificates and ends at a known (trusted) anchor certificate, then the certificate is considered valid.

所以在 iOS 中,证书是否有效的标准是:

信任链中如果只含有有效证书并且以可信锚点(trusted anchor)结尾,那么这个证书就被认为是有效的。

其中可信锚点指的是系统隐式信任的证书,通常是包括在系统中的 CA 根证书。不过你也可以在验证证书链时,设置自定义的证书作为可信的锚点。

NSURLSession 实现 HTTPS

具体到使用 NSURLSession 走 HTTPS 访问网站,-URLSession:didReceiveChallenge:completionHandler: 回调中会收到一个 challenge,也就是质询,需要你提供认证信息才能完成连接。这时候可以通过 challenge.protectionSpace.authenticationMethod 取得保护空间要求我们认证的方式,如果这个值是 NSURLAuthenticationMethodServerTrust 的话,我们就可以插手 TLS 握手中“验证数字证书有效性”这一步。

默认的实现

系统的默认实现(也即代理不实现这个方法)是验证这个信任链,结果是有效的话则根据 serverTrust 创建 credential 用于同服务端确立 SSL 连接。否则会得到 “The certificate for this server is invalid…” 这样的错误而无法访问。

比如在访问 https://www.google.com 的时候咧,我们不实现这个方法也能访问成功的。系统对 Google 服务器返回来的证书链,从叶节点证书往根证书层层验证(有效期、签名等等),遇到根证书时,发现作为可信锚点的它存在与可信证书列表中,那么验证就通过,允许与服务端建立连接。

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google.png

而当我们访问 https://www.12306.cn 时,就会出现 “The certificate for this server is invalid. You might be connecting to a server that is pretending to be “www.12306.cn” which could put your confidential information at risk.” 的错误。原因就是系统在验证到根证书时,发现它是自签名、不可信的。

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12306.png

自定义实现

如果我们要实现这个代理方法的话,需要提供 NSURLSessionAuthChallengeDisposition(处置方式)和 NSURLCredential(资格认证)这两个参数给 completionHandler 这个 block:

[self myCustomValidation:challenge] 调用自定义验证过程,结果是有效的话才创建 credential 确立连接。
自定义的验证过程,需要先拿出一个 SecTrustRef 对象,它是一种执行信任链验证的抽象实体,包含着验证策略(SecPolicyRef)以及一系列受信任的锚点证书,而我们能做的也是修改这两样东西而已。

拿到 trust 对象之后,可以用下面这个函数对它进行验证。

这个函数什么时候调用完全取决于你的需求,如果你不想对验证策略做修改而直接调用的话,那你居然还看到这里!?(╯‵□′)╯︵┻━┻

域名验证

可以通过以下的代码获得当前的验证策略:

打印 policiesRef 后,你会发现默认的验证策略就包含了域名验证,即“服务器证书上的域名和请求域名是否匹配”。如果你的一个证书需要用来连接不同域名的主机,或者你直接用 IP 地址去连接,那么你可以重设验证策略以忽略域名验证:

然后再调用 serverTrustIsVaild() 验证。

但是如果不验证域名的话,安全性就会大打折扣。拿浏览器举🌰:

试想你要传输报文到 https://www.real-website.com ,然而由于域名劫持,把你带到了 https://www.real-website.cn 这个🎣网站,大概有以下两种结果:

  1. 这个伪造网站的证书是非 CA 颁布的伪造证书的话,那么浏览器会提醒你这个证书不可信;
  2. 这个伪造网站也使用了 CA 颁布的证书,由于我们不做域名验证,你的浏览器不会有任何的警告。

你可能会问:公钥证书是每个人都能得到的,钓鱼网站能不能返回真正的公钥证书给我们呢?

我觉得是可以的,然而这并没有什么卵用。没有私钥的钓鱼服务器无法获得第三个随机数,无法生成 Session Key,也就不能对我们传给它的数据进行解密了。

自签名的证书链验证

在 App 中想要防止上面提到的中间人公鸡攻击,比较好的做法是将公钥证书打包进 App 中,然后在收到服务端证书链的时候,能够有效地验证服务端是否可信,这也是验证自签名的证书链所必须做的。

假设你的服务器返回:[你的自签名的根证书][你的二级证书][你的客户端证书],系统是不信任这个三个证书的。
所以你在验证的时候需要将这三个的其中一个设置为锚点证书,当然,多个也行。

比如将 [你的二级证书] 作为锚点后,SecTrustEvaluate() 函数只要验证到 [你的客户端证书] 确实是由 [你的二级证书] 签署的,那么验证结果为 kSecTrustResultUnspecified,表明了 [你的客户端证书] 是可信的。下面是设置锚点证书的做法:

只调用 SecTrustSetAnchorCertificates () 这个函数的话,那么就只有作为参数被传入的证书作为锚点证书,连系统本身信任的 CA 证书不能作为锚点验证证书链。要想恢复系统中 CA 证书作为锚点的功能,还要再调用下面这个函数:

这样,再调用 serverTrustIsVaild() 验证证书有效性就能成功了。

CA 证书链的验证

上面说的是没经过 CA 认证的自签证书的验证,而 CA 的证书链的验证方式也是一样,不同点在不可信锚点的证书类型不一样而已:前者的锚点是自签的需要被打包进 App 用于验证,后者的锚点可能本来就存在系统之中了。不过我脑补了这么的一个坑:

假如我们使用的是 CA 根证书签署的数字证书,而且只用这个 CA 根证书作为锚点,在不验证域名的情况下,是不是就会在握手阶段信任被同一个 CA 根证书签名的伪造证书呢?

参考阅读

iOS安全系列之一:HTTPS

iOS安全系列之二:HTTPS进阶

Overriding TLS Chain Validation Correctly

HTTPS Server Trust Evaluation

上文有什么我理解得不正确、或表达不准确的地方,烦请指教。🌝

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