密碼學技術是信息技術的基石，區塊鏈中大量使用了現代信息安全和密碼學的技術成果，主要包括：哈希算法、對稱加密、非對稱加密、數字簽名、數字證書等。哈希算法解決了信息完整性驗證問題，對稱算法提高了加密運算效率，非對稱算法解決了對稱密鑰傳遞問題，數字證書則為公鑰所有者背書，解決了公鑰持有者的證明問題，PKI/CA 體系形成了解決信息安全、信息機密性、完整性和抗抵賴的完整解決方案。
目前在中國主流發展的區塊鏈技術被稱為開放許可鏈，什麼叫做許可鏈呢？就是所有組成許可鏈的節點所有者，其身份都是被認證過，被許可授權後，才能加入到該區塊鏈網絡的。
在這種場景中，網絡向授權的組織或機構開放，鏈上各參與方之間是一種協作關係，存在准入機制。PKI/CA 體系作為完整解決方案，可以為許可鏈各參與方提供身份認證證書，實現准入權限控制。可以説，證書機制是許可鏈網絡安全的基石。本文對 PKI/CA 基本概念進行必要描述後，詳細闡述 Ultrain 證書管理體系。
01 公鑰基礎設施
公鑰基礎設施（Public Key Infrastructure，簡稱 PKI）是一個包含硬件、軟件和策略等集合，用來實現基於公鑰密碼體制的密鑰和證書的產生、管理、存儲、分發和撤銷等功能的完整系統。
PKI 系統包括證書機構 CA（Certificate Of Authority，認證中心）、註冊機構 RA 和相應的 PKI 存儲庫。CA 用於簽發並管理證書；RA 可作為 CA 的一部分，也可以獨立，其功能包括個人身份審核、CRL管理、密鑰產生和密鑰對備份等；PKI 存儲庫包括 LDAP（Lightweight Directory Access Protocol，輕量目錄訪問協議）目錄服務器和普通數據庫，用於對用户申請、證書、密鑰、CRL（Certificate revocation lists）和日誌等信息進行存儲和管理，並提供一定的查詢功能。
圖1 PKI系統
• 用户申請：
用户生成自己的公鑰和私鑰，將公鑰和自己的身份信息提交給安全服務器，安全服務器將用户的申請信息傳送給 RA 服務器。
• RA 審核：
用户向 RA 證明自己的身份，RA 收到用户的申請後進行核對。如果 RA 同意用户申請證書的請求，則對證書申請信息做數字簽名；否則拒絕用户的申請。
• CA 發行證書：
RA 將用户申請和 RA 簽名傳輸給 CA，CA 對 RA 數字簽名做認證，如果驗證通過，則同意用户請求，頒發證書，然後將證書輸出。如果驗證不通過，則拒絕證書申請。
• RA 轉發證書：
RA 從CA 得到新的證書，首先將證書輸出到 LDAP 服務器以提供目錄瀏覽，再通知用户證書發行成功，告知證書序列號，到指定的網址去下載證書。
• 用户證書獲取：
用户使用證書序列號去指定網址下載自己的數字證書。
主流的證書格式為 X.509 格式。X.509 標準規定了證書可以包含什麼信息，並説明了記錄信息的方法。
X.509 結構中包括版本號（Version Number）、序列號（Serial Number）、簽名算法（Signature Algorithm）、頒佈者（Issuer）、有效期（Validity）、主體（Subject）、主體公鑰信息（Subject Public Key Info）、主體公鑰算法（Public Key Algorithm）、主體公鑰（Subject Public Key）、證書籤名算法（Certificate Signature Algorithm）和證書籤名（Certificate Signature）。
1. 對證書中的明文利用相同的散列函數得到摘要值 H1。
2. 用 CA 根證書驗證客户證書的簽名合法性，即證書中的簽名用 CA 根證書的公鑰解籤，解籤的結果與步驟 1 中的 H1 對比，如果一致，説明證書是由信任的根證書籤發，且證書的內容沒有被篡改。
3. 檢查客户證書是否有效 (當前時間在證書結構中的所定義的有效期內)。
4. 檢查客户證書是否作廢 (OCSP 方式或 CRL 方式)。
5. 驗證客户證書結構中的證書用途。
上述所有信息都驗證通過，那麼證書中客户的公鑰信息就能夠在後續的操作中使用。
02 Ultrain 證書管理體系
許可鏈經過授權的節點組成聯盟從而共享和訪問數據。PKI 體系是一套用户審核、身份管理和隱私保護的完整的、成熟的體系，Ultrain 定義了一套從上而下的證書管理流程，從而實現許可鏈節點的權限管理和訪問控制。
Ultrain 採用面向 CA 的准入機制，實現基於 X.509 格式證書的認證和動態管理。根據現有業務場景，證書體系如圖 2 所示，自上而下包含以下類型：根證書、鏈證書、節點證書和用户證書。
根證書：根證書是一個自簽名的證書，為所有證書的根，對應的私鑰 key 文件由聯盟委員會共同管理。
鏈證書：在多鏈架構中，單鏈管理機構生成鏈私鑰，並生成請求文件 chain.csr 發送給聯盟委員會，聯盟委員會審核通過後簽發鏈證書 chain.crt。
節點證書：節點證書由鏈證書籤發。節點生成並保存自己的私鑰文件 node.key，並生成請求文件 node.csr 發送給鏈管理機構，鏈管理機構審核通過後簽發節點證書 node.crt。節點證書是節點的身份憑證，擁有節點證書的節點能夠與區塊鏈網絡中節點建立 SSL 鏈接，實現節點間的加密通信。
用户證書：用户證書由提供鏈訪問接口的節點簽發。用户生成並保存自己的私鑰文件 sdk.key，並生成請求文件 sdk.csr 發送給需要訪問的節點管理機構，節點管理機構審核通過後簽發用户證書 sdk.crt。用户證書是客户端的身份憑證，擁有用户證書的客户端才能正常訪問鏈接口。
Ultrain 提供了一套證書申請簽發管理程序，方便各級證書的申請、驗證及簽發。
圖2 Ultrain 證書體系
根證書由 Ultrain 聯盟委員會共同管理，目前採用自簽名證書，也可以與商業證書籤發機構對接，使用權威機構簽發的證書。當業務需要建立新的側鏈時，該側鏈管理機構提交證書請求文件，聯盟委員會審核通過後使用根證書籤發鏈證書；鏈證書由該鏈管理委員會進行管理，鏈管理委員會接收聯盟成員成為運行節點的證書請求文件，委員會審核通過後簽發節點證書；聯盟成員使用節點證書以接入該側鏈節點網絡，才可以進行共識及交易信息的正常收發。如果該節點提供鏈上數據訪問接口，則需簽發用户證書提供給客户端使用；客户端使用特定節點簽發的用户證書，才可以正常訪問該節點提供的數據接口，進行數據讀取、交易發送等操作。
節點證書在節點間建鏈時使用。基於證書驗證的鏈接建立之後，節點才能組成 P2P 網絡，從而實現共識協議信息和交易信息的傳播，下圖為節點證書的使用流程。
圖3 Ultrain 節點證書驗證流程
節點在啓動時，攜帶自己的節點證書可以與同樣擁有節點證書的節點建立 SSL 安全鏈接。當證書過期、被篡改時，不能加入到 P2P 網絡中，從而不能共享和傳播鏈上數據。
在 Ultrain 的證書吊銷（CRL）管理體系中，證書的吊銷由該證書籤發機構完成。節點可以向 CA 管理中心定期獲取 CRL 列表。節點間的心跳報文中需攜帶自己的節點證書，當不攜帶節點證書或攜帶的證書在 CRL 列表時，心跳報文檢測端會主動拆掉與被檢測端的鏈接，實現實時的接入管理控制。
用户證書驗證
客户端訪問節點提供的鏈接口時，可以選擇校驗節點證書，以驗證節點身份，此時需使用根證書、鏈證書組成的證書鏈對節點證書校驗。另外，客户端需提供用户證書給節點，節點的 HTTPS 服務會校驗客户端所提供的用户證書（使用根證書、鏈證書以及節點證書組成的證書鏈進行校驗），同時會檢查 CRL 吊銷列表，校驗通過且該用户證書不在 CRL 列表時，則成功建立 SSL 鏈接，進行正常通信，否則則不能建立鏈接，從而保證了客户端與節點間的通信安全。
作者：Ultrain超腦鏈；來自鏈得得內容開放平台“得得號”，本文僅代表作者觀點，不代表鏈得得官方立場凡“得得號”文章，原創性和內容的真實性由投稿人保證，如果稿件因抄襲、作假等行為導致的法律後果，由投稿人本人負責得得號平台發佈文章，如有侵權、違規及其他不當言論內容，請廣大讀者監督，一經證實，平台會立即下線。如遇文章內容問題，請發送至郵箱：[email protected]