X509证书体系

2020/11/30 database 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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