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：
- HTTPS 简要原理；
- 数字证书的内容、生成及验证；
- 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和非对称加密的区别：
- 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：
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：
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：
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 是受信任的？
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。
path_length_constraint.png
iOS 上对证书链的验证
在 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。
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。
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：
-(void)URLSession:(NSURLSession *)session
didReceiveChallenge:(NSURLAuthenticationChallenge *)challenge
completionHandler:(void (^)(NSURLSessionAuthChallengeDisposition,
NSURLCredential * _Nullable))completionHandler {
// 如果使用默认的处置方式，那么 credential 就会被忽略
NSURLSessionAuthChallengeDisposition disposition = NSURLSessionAuthChallengePerformDefaultHandling;
NSURLCredential *credential = nil;
if ([challenge.protectionSpace.authenticationMethod
isEqualToString:
NSURLAuthenticationMethodServerTrust]) {
/* 调用自定义的验证过程 */
if ([self myCustomValidation:challenge]) {
credential = [NSURLCredential credentialForTrust:challenge.protectionSpace.serverTrust];
if (credential) {
disposition = NSURLSessionAuthChallengeUseCredential;
}
} else {
/* 无效的话，取消 */
disposition = NSURLSessionAuthChallengeCancelAuthenticationChallenge
}
}
if (completionHandler) {
completionHandler(disposition, credential);
}
}
在 [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。
SecTrustRef trust = challenge.protectionSpace.serverTrust;
拿到 trust 对象之后，可以用下面这个函数对它进行验证。
static BOOL serverTrustIsVaild(SecTrustRef trust) {
BOOL allowConnection = NO;
// 假设验证结果是无效的
SecTrustResultType trustResult = kSecTrustResultInvalid;
// 函数的内部递归地从叶节点证书到根证书的验证
OSStatus statue = SecTrustEvaluate(trust, &trustResult);
if (statue == noErr) {
// kSecTrustResultUnspecified: 系统隐式地信任这个证书
// kSecTrustResultProceed: 用户加入自己的信任锚点，显式地告诉系统这个证书是值得信任的
allowConnection = (trustResult == kSecTrustResultProceed
|| trustResult == kSecTrustResultUnspecified);
}
return allowConnection;
}
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：
CFArrayRef policiesRef;
SecTrustCopyPolicies(trust, &policiesRef);
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:
NSMutableArray *policies = [NSMutableArray array];
// BasicX509 不验证域名是否相同
SecPolicyRef policy = SecPolicyCreateBasicX509();
[policies addObject:(__bridge_transfer id)policy];
SecTrustSetPolicies(trust, (__bridge CFArrayRef)policies);
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：
- 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；
- 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：
NSMutableArray *certificates = [NSMutableArray array];
NSDate *cerData = /* 在 App Bundle 中你用来做锚点的证书数据，证书是 CER 编码的，常见扩展名有：cer, crt...*/
SecCertificateRef cerRef = SecCertificateCreateWithData(NULL, (__bridge CFDataRef)cerData);
[certificates addObject:(__bridge_transfer id)cerRef];
// 设置锚点证书。
SecTrustSetAnchorCertificates(trust, (__bridge CFArrayRef)certificates);
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：
// true 代表仅被传入的证书作为锚点，false 允许系统 CA 证书也作为锚点
SecTrustSetAnchorCertificatesOnly(trust, false);
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
Overriding TLS Chain Validation Correctly
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。🌝
