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X509证书体系

2020/11/30 网络 共 7037 字，约 21 分钟
Bob.Zhu

公钥体系与 Diffie-Hellman 协议

说到证书，不得不先引入下 公钥体系 的概念：

  1. 公开密钥基础建设透过信任数字证书认证机构的根证书、及其使用公开密钥加密作数字签名核发的公开密钥认证，形成信任链架构，已在 TLS 实现并在万维网的 HTTP 以 HTTPS、在电子邮件的 SMTP 以 STARTTLS 引入
  2. 公钥解密的特性可以形成数字签名，使数据和文件受到保护并可信赖；如果公钥透过数字证书认证机构签授成为电子证书，更可作为数字身份的认证，这都是对称密钥加密无法实现的
  3. 不过，公钥加密在在计算上相当复杂，性能欠佳、远远不比对称加密；因此，在一般实际情况下，往往通过公钥加密来随机创建临时的对称秘钥，亦即对话键，然后才通过对称加密来传输大量、主体的数据

上面的第 3 点，就引出了，经典的秘钥交换（协商）协议 Diffie-Hellman，解决了不同实体间，由公钥对（Public Key Pair）协商出对称（共享）秘钥的过程。Openssh 的通信过程就是基于此来实现的、https 亦是。

一些基础名词

CA 实现了 PKI 体系 中一些非常重要的功能，核心功能就是 “发放” 和 “管理” 数字证书，证书抽象起来就是：CSR+ 签发者公钥 + 签名 + 有效期：

  • 接收验证最终用户数字证书的申请
  • 确定是否接受最终用户数字证书的申请，即证书的审批（签发）
  • 向申请者颁发、拒绝颁发数字证书
  • 接收、处理最终用户的数字证书更新请求
  • 接收最终用户数字证书的查询、撤销
  • 产生和发布证书废止列表
  • 数字证书的归档、密钥归档及历史数据归档

PKI

PKI = Public Key Infrastructure，是一整套安全相关标准

CA

CA = Certificate authority， 是 PKI 的”核心”，即数字证书的申请及签发机关，CA 必须具备权威性的特征，它负责管理 PKI 结构下的所有用户 (包括各种应用程序) 的证书，把用户的公钥和用户的其他信息捆绑在一起，在网上验证用户的身份，CA 还要负责用户证书的黑名单登记和黑名单发布 。

X.509

X.509，当前使用很广泛的一套证书标准，它规范了公开密钥认证、证书吊销列表、授权证书、证书路径验证算法、证书内容及格式等（如 https 证书）。X509 V3 版本的证书基本语法如下（只列举了 Certificate 和 TBSCertificate 这两个结构），其他的描述见 RFC5280。其中 tbsCertificate 的数据段被拿来做 Digest，并且用上级证书的私钥加密后形成签名置入 https 证书中

CSR

CSR = Certificate signing request，用户申请 CA 证书的签名申请

证书文件和格式

证书的基础

证书的作用是用来实现身份认证，举个例子来说，A 和 B 需要认证对方，但 A、B 都信任可信中间人 C，如果 C 分别颁发证书 CERT-A 和 CERT-B 给 A 和 B，那么 A、B 在交换证书时，分别验证证书中 C 的身份，那么 A 和 B 就完成了互相认证。在当今的流行的应用中，证书在系统安全的构建中也是极为广泛，比如 Kubernetes 系统中的使用的证书对。通常，证书就是一个包含如下身份信息的文件：

  • 证书所有组织的信息
  • 颁发者公钥
  • 证书颁发组织的信息
  • 证书颁发组织授予的权限，如证书有效期、适用的主机名、用途等
  • 使用证书颁发组织私钥创建的数字签名
  • 证书申请者提交的 CSR 属性

既然是文件，那么必可不少的就是文件的编码属性：

  • ASN.1（Abstract Syntax Notation One），一种描述数字对象的方法和标准。ASN.1 提供了多种数据编码方法。包括了 BER、DER、PER 和 XER 等。这些编码方法规定了将数字对象转换成应用程序能够处理、保存和网络传输的二进制编码形式的一组规则
  • DER 编码（Distinguished Encoding Rules）：属于 ASN.1 下的 BER（Basic Encode Rules）编码派生出来的编码规则，这种编码规则下，一个相同的 ASN.1 对象编码后能得到唯一的编码数据（BER 编码不能保证这一点，即一个对象编码后可能产生多个不同的编码数据）
  • PEM 编码（Privacy Enhanced Mail）：是一种保密邮件的编码标准，在 rfc1421 规范中规定。X.509 的证书在 DER 编码的基础上进行 base64 编码，然后添加一些头、尾标志就是 PEM 格式编码了，头尾的标志也是 PEM 的一部分，不要随意改动

在项目中最常用的是 PEM 编码格式，PEM 格式的文件如下，Head 和 Tail 告诉我们这是一个 Certificate：

—–BEGIN CERTIFICATE—–
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
—–END CERTIFICATE—–

X.509 证书的结构图如下，从图中可以清晰的看出 V1/V2/V3 版本的区别： X509 Version

X.509 证书基本部分如下：

  • 版本：标识证书的版本 (版本 1、2、3)，现行通用版本是 V3
  • 序号：标识证书的唯一整数，由证书颁发者分配的本证书的唯一标识符，特别在撤消证书的时候有用
  • 主体：拥有此证书的法人或自然人身份或机器，包括：
  • – 国家（C，Country）
  • – 州 / 省（S，State）
  • – 地域 / 城市（L，Location）
  • – 组织 / 单位（O，Organization）
  • – 通用名称（CN，Common Name）：在 TLS 应用上，此字段一般是网域
  • 发行者：以数字签名形式签署此证书的数字证书认证机构
  • 有效期开始时间：Not Before，此证书的有效开始时间，在此前该证书并未生效
  • 有效期结束时间：Not After，此证书的有效结束时间，在此后该证书作废
  • 公开密钥用途：指定证书上公钥的用途，例如数字签名、服务器验证、客户端验证等
  • 公开密钥：主体的公钥（以及算法标识符）
  • 公开密钥指纹
  • 数字签名：用于签证书的算法标识，由对象标识符加上相关的参数组成，用于说明本证书所用的数字签名算法。例如，SHA-1 和 RSA 的对象标识符就用来说明该数字签名是利用 RSA > 对 SHA-1 杂凑加密
  • 数字签名算法
  • 主体别名：例如一个网站可能会有多个网域（www.wikipedia.org, zh.wikipedia.org, zh.m.wikipedia.org 都是维基百科）、一个组织可能会有多个网站（*.wikipedia.org, *.wikibooks.org, *.wikidata.org 都是维基媒体基金会旗下的网域），不同的网域可以一并使用同一张证书，方便实现应用及管理

CSR 的意义

CSR(Certificate Signing Request)，它是向 CA 机构申请数字证书时使用的请求文件。在生成请求文件前，我们需要准备一对对称密钥。私钥信息自己保存，请求中会附上公钥信息以及国家，城市，域名，Email 等信息，CSR 中还会附上签名信息。当我们准备好 CSR 文件后就可以提交给 CA 机构，等待他们给我们签名，签好名后我们会收到 crt 文件，即证书。 注意：CSR 并不是证书。而是向权威证书颁发机构获得签名证书的申请。CSR 的主要作用是 CA 会利用 CSR 文件进行签名使得攻击者无法伪装或篡改原有证书 把 CSR 交给权威证书颁发机构, 权威证书颁发机构对此进行签名, 完成。保留好 CSR, 当权威证书颁发机构颁发的证书过期的时候, 你还可以用同样的 CSR 来申请新的证书, key 保持不变。

在 CSR 中，比较重要的字段是 Common Name（服务器一般会校验这个字段）, 另外在 Kubernetes RBAC 体系对证书的鉴权中，用 Common Name 表示用户名，Organization 表示用户组，因为证书一经签发后，所有的字段都是无法被伪造的，这样拿来做权限管控实在太合适不过了。

数字证书常见标准

X509是数字证书的基本规范，而P7和P12则是两个实现规范，P7用于数字信封，P12则是带有私钥的证书实现规范。

  • 符合PKI ITU-T X509标准，传统标准（.DER .PEM .CER .CRT）
  • PKCS系列标准
    • 符合PKCS#7 加密消息语法标准(.P7B .P7C .SPC .P7R)
    • 符合PKCS#10 证书请求标准(.p10)
    • 符合PKCS#12 个人信息交换标准（.pfx *.p12）
      • P12是把证书压成一个文件，xxx.pfx 。主要是考虑分发证书，私钥是要绝对保密的，不能随便以文本方式散播。所以P7格式不适合分发。.pfx中可以加密码保护，所以相对安全些。

文件格式

  • PEM：Privacy Enhanced Mail 纯文本数据，看到的是一串可见的字符串，一般用于分发公钥，通常以 .crt，.cer，.key 为文件后缀。 查看PEM格式证书的信息：openssl x509 -in certificate.pem -text -noout 查看内容，以”—–BEGIN…”开头，以”—–END…”结尾。Apache和*NIX服务器偏向于使用这种编码格式。

  • DER：Distinguished Encoding Rules 二进制文件，可以以 .cer 为文件后缀。 查看DER格式证书的信息：openssl x509 -in certificate.der -inform der -text -noout Java和Windows服务器偏向于使用这种编码格式。

文件后缀

文件的内容和后缀没有必然的关系，但是一般使用这些后缀来表示这是什么文件。

  • JKS：Java Key Store(JKS)。
  • CSR：证书请求文件(Certificate Signing Request)。 这个并不是证书，而是向权威证书颁发机构获得签名证书的申请，其核心内容是一个公钥(当然还附带了一些别的个人信息)。查看的办法：openssl req -noout -text -in my.csr
    • PEM格式：openssl req -in my.csr -text -noout
    • DER格式：openssl req -in my.csr -inform der -text -noout
  • CER：一般指使用DER格式的证书。
    • 查看DER格式证书的信息：openssl x509 -in my.der -inform der -text -noout
  • CRT：证书文件。可以是PEM格式。
    • 查看PEM格式证书的信息：openssl x509 -in my.pem -text -noout
  • KEY：通常用来存放一个公钥或者私钥。 查看KEY的办法（这是使用RSA算法生成的key这么查看，DSA算法生成的使用dsa参数）：
    • PEM格式：openssl rsa -in my.key -text -noout
    • PEM格式：openssl rsa -in my.key -inform der -text -noout

签发 X509 证书

证书签发的过程，如下图，包含了 CA 的生成和 Server 证书的生成两个步骤：

X509 sign

在生成CA证书的过程中，有两种方式：

  • 生成 CA私钥 => 生成 CA证书，生成证书的时候需要填写相关信息或者以-参数的形式输入

范例

一般在我们实际内部项目中，大都是使用自签证书，ca.key 由自己生成和保管，使用 ca.key 签发下一层级的证书。下面我们就来操作下证书生成及签发这一过程。 自建证书体系包含了，CA 根证书、客户端证书及服务端证书。最终的存储目录如下：

conf
├── ca.key  -- caroot 的私钥
├── ca.csr  -- caroot 的请求文件
├── ca.pem  -- caroot 的根证书，也可以以 .crt 结尾
├── client
│   ├── client.csr  -- client 请求签名文件
│   ├── client.key  -- client 的私钥
│   └── client.pem  -- client 的证书（由 caroot 签发），也可以以 .crt 结尾
└── server
    ├── server.csr
    ├── server.key
    └── server.pem

1. 生成 caroot 的私钥

可使用 openssl rsa -in ca.key -text -noout 查看具体信息：

openssl genrsa -out ca.key 2048

2. 生成 caroot 的根证书，有两种方式

2.1 第一种方式，直接生成根证书，在生成的过程中输入所需信息
# 可使用 openssl x509 -in my.pem -text -noout 查看具体信息：
openssl req -new -x509 -new -key ca.key -days 28885 -out ca.pem
2.2 第二种方式，先生成csr请求文件，再生成根证书
# csr请求文件，可使用 openssl req -in ca.csr -text -noout 查看具体信息
openssl req -new -key ca.key -out ca.csr
# caroot 的根证书，可使用 openssl x509 -in my.pem -text -noout 查看具体信息：
openssl x509 -req -in ca.csr -signkey ca.key -days 28885 -out ca.pem

生成 caroot 请求文件的具体参数备忘：

You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) []:CN
State or Province Name (full name) []:ZheJiang
Locality Name (eg, city) []:HangZhou
Organization Name (eg, company) []:My Root CA
Organizational Unit Name (eg, section) []:Bob.Zhu
Common Name (eg, fully qualified host name) []:Mynetty Root CA
Email Address []:0haizhu0@gmail.com

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:

3. 将根证书导出为P12格式

openssl pkcs12 -export -clcerts -in ca.pem -inkey ca.key -out ca.p12 -password pass:mynetty-root-ca

将p12文件导出为base64字符串，这样可配置到surge等软件中：

base64 ca.p12 >> ca.p12.text

生成服务端证书

以网易云音乐为例：

第一步：生成服务端私钥
openssl genrsa -out netease-server.key 1024
第二步：生成服务端公钥

一般情况下应该用不到这个公钥

openssl rsa -in netease-server.key -pubout -out netease-server-public.pem
第三步：生成服务端请求文件
openssl req -new -key netease-server.key -out netease-server.csr

生成 Netease 请求文件的具体参数备忘：

You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) []:CN
State or Province Name (full name) []:ZheJiang
Locality Name (eg, city) []:HangZhou
Organization Name (eg, company) []:163.com
Organizational Unit Name (eg, section) []:Netease Music
Common Name (eg, fully qualified host name) []:*.music.163.com
Email Address []:0haizhu0@gmail.com

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
第四步：生成服务端证书
openssl x509 -req -CA ca.pem -CAkey ca.key -CAcreateserial -in netease-server.csr -days 28885 -out netease-server.pem

参考资料

文档信息

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