44. 密码学系列之:PKI的证书格式表示X.509

简介

在PKI(public key infrastructure)公钥设施基础体系中，所有的一切操作都是围绕着证书和密钥的，它提供了创建、管理、分发、使用、存储和撤销数字证书以及管理公钥加密所需的一组角色、策略、硬件、软件和程序。

有了密钥，就可以根据密钥制作证书了。要想证书可以被广泛的使用，一个通用的标准肯定是少不了的，在PKI体系中，这个证书的标准就叫做X.509。

X.509 标准定义了公钥证书最常用的格式。

一个证书的例子

证书中最主要就是公钥信息，从证书中提取公钥，才能使用公钥去解密发送者使用私钥加密过的数据。公钥信息是证书的核心。

除了公钥之外，证书包含了很多其他的信息，比如包含了身份信息(主机名、组织或个人等）。

创建证书非常简单，我们先看一个使用openssl命令来创建证书的例子。

创建证书之前，首先需要创建证书依赖的公钥和私钥，x.509证书可以支持多种公钥私钥算法，比如RSA, DSA, ECDSA, ed25519等。

这里我们选择使用RSA算法，生成密钥对如下：

openssl genrsa -des3 -out ca.key 1024
Generating RSA private key, 1024 bit long modulus
...............++++++
.............................................++++++
e is 65537 (0x10001)
Enter pass phrase for ca.key:
Verifying - Enter pass phrase for ca.key:

输入pass, 我们可以得到ca.key，这是一个RSA PRIVATE KEY。

接下来就可以用这个ca.key来创建证书。

openssl req -new -x509 -days 20 -key ca.key -out ca.crt
Enter pass phrase for ca.key:
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) []:SH
State or Province Name (full name) []:SH
Locality Name (eg, city) []:SH
Organization Name (eg, company) []:HW
Organizational Unit Name (eg, section) []:HW
Common Name (eg, fully qualified host name) []:caserver
Email Address []:flydean@163.com

可以看到，在密钥的基础上，证书还需要提供例如Country Name，Province Name，Organization Name等额外信息。

最后，我们可以得到一个CA证书ca.crt。

如果想要查看证书的状态，可以使用下面的命令：

openssl x509 -noout -text -in ca.crt
Certificate:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Serial Number: 9511149647544559472 (0x83fe64365379a770)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=SH, ST=SH, L=SH, O=HW, OU=HW, CN=caserver/emailAddress=flydean@163.com
        Validity
            Not Before: Apr 27 06:33:16 2022 GMT
            Not After : May 17 06:33:16 2022 GMT
        Subject: C=SH, ST=SH, L=SH, O=HW, OU=HW, CN=caserver/emailAddress=flydean@163.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (1024 bit)
                Modulus:
                    00:9f:b4:ff:16:15:51:2a:de:2f:23:cd:7d:27:41:
                    3c:30:1f:f3:cb:bf:3f:7c:96:ba:c3:81:a8:eb:88:
                    be:11:31:03:6f:c3:1d:f1:dc:4c:ea:3d:da:15:24:
                    59:32:8b:7e:87:a0:0b:57:b9:79:e4:72:2f:4b:50:
                    9d:00:eb:ee:52:24:f3:e8:e9:92:1c:ec:47:d9:98:
                    8c:f9:0f:71:a6:91:b2:5b:c1:59:bf:1f:27:47:6b:
                    9c:ce:22:e7:9d:2c:4a:3a:83:72:43:47:5d:ee:9e:
                    64:78:cb:3c:48:af:27:08:c1:08:41:c0:e0:92:e9:
                    13:81:1c:c7:72:3c:2f:5f:f3
                Exponent: 65537 (0x10001)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         68:09:be:cb:89:c0:0d:27:d2:bb:b2:f0:fb:6e:e2:0a:19:86:
         92:cf:e5:90:48:b7:99:02:f1:75:6a:6d:79:1e:18:c7:95:7c:
         89:92:ed:a1:bf:ad:91:76:c6:63:59:bb:6d:31:1e:11:5a:5e:
         32:86:12:89:00:69:d0:77:c6:d6:69:11:0a:f7:7b:61:6e:95:
         f8:d6:6b:89:c0:6c:49:eb:38:d9:f5:82:43:32:6e:14:fb:a0:
         fb:be:12:a5:dc:69:66:b8:1b:22:cb:0f:9f:56:52:40:6d:48:
         b6:78:29:dc:67:aa:79:c5:00:e3:68:9a:65:9a:94:99:be:ce:
         b0:d2

可以看到CA证书中包含了日期，序列号，签名算法，发行者，有效性等额外的信息。

上面生成的证书实际上是一个根证书，这个根证书可以对其他的证书请求进行签名，从而生成子证书,从而产生了证书的级联结构。

如果一个客户端想要向CA server请求一个新的证书该怎么做呢？

首先客户端也需要生成自己的密钥对。如果客户端是CA server自己，那么这个请求CA证书的过程叫做自签名。

要想请求证书，首先得生成一个请求csr，同样可以使用openssl命令来进行：

openssl req -new -key ca.key -out server.csr
Enter pass phrase for ca.key:
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) []:SH
Locality Name (eg, city) []:SH
Organization Name (eg, company) []:citi
Organizational Unit Name (eg, section) []:org
Common Name (eg, fully qualified host name) []:client
Email Address []:flydean@163.com

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

csr请求因为也是需要生成一个CA证书，所以也需要输入类似的信息。

最后我们生成了一个server.csr文件。

接下来使用这个csr文件去请求证书：

openssl x509 -req -days 20 -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out server.crt
Signature ok
subject=/C=CN/ST=SH/L=SH/O=citi/OU=org/CN=client/emailAddress=flydean@163.com
Getting CA Private Key
Enter pass phrase for ca.key:

上面命令的含义是CA server上的private key，根证书和刚刚生成的证书请求server.csr，生成使用CA server签名的自签名证书。

最后得到一个自签名server.csr证书文件。

同样使用openssl命令查看该证书状态：

openssl x509 -noout -text -in server.crt

Certificate:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Serial Number: 14663444799761243679 (0xcb7f055ae9515e1f)
    Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption
        Issuer: C=SH, ST=SH, L=SH, O=HW, OU=HW, CN=caserver/emailAddress=flydean@163.com
        Validity
            Not Before: Apr 27 07:28:08 2022 GMT
            Not After : May 17 07:28:08 2022 GMT
        Subject: C=CN, ST=SH, L=SH, O=citi, OU=org, CN=client/emailAddress=flydean@163.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (1024 bit)
                Modulus:
                    00:9f:b4:ff:16:15:51:2a:de:2f:23:cd:7d:27:41:
                    3c:30:1f:f3:cb:bf:3f:7c:96:ba:c3:81:a8:eb:88:
                    be:11:31:03:6f:c3:1d:f1:dc:4c:ea:3d:da:15:24:
                    59:32:8b:7e:87:a0:0b:57:b9:79:e4:72:2f:4b:50:
                    9d:00:eb:ee:52:24:f3:e8:e9:92:1c:ec:47:d9:98:
                    8c:f9:0f:71:a6:91:b2:5b:c1:59:bf:1f:27:47:6b:
                    9c:ce:22:e7:9d:2c:4a:3a:83:72:43:47:5d:ee:9e:
                    64:78:cb:3c:48:af:27:08:c1:08:41:c0:e0:92:e9:
                    13:81:1c:c7:72:3c:2f:5f:f3
                Exponent: 65537 (0x10001)
    Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption
         31:2e:b6:d7:3e:2d:ae:f1:2e:44:b5:5e:73:42:91:39:80:9f:
         a8:ed:9c:60:78:35:21:df:4a:45:b0:b1:d1:80:c1:ee:cb:30:
         75:34:66:61:43:6c:0a:85:4f:a3:e5:09:9f:2b:07:62:6a:3a:
         60:22:78:f0:7d:32:ef:2f:46:95:34:60:22:03:47:78:6f:0c:
         7e:f1:85:ea:d6:4b:1e:45:b5:56:a1:d7:52:9c:19:ae:24:26:
         3d:a7:0b:f2:94:c1:d3:e3:04:25:f8:ce:b8:cb:84:6a:d1:b4:
         63:7c:df:87:f8:44:86:49:b5:96:dc:43:c7:7a:17:d3:82:c6:
         6a:af

可以看到结构和root ca证书是一样的，这里的Subject是创建server.csr中输入的信息。

X.509证书的后缀

上面我们使用的证书后缀是crt，也就是certificate的缩写。

事实上X.509证书还支持其他几种类型的后缀。

.pem

pem的全称是Privacy-enhanced Electronic Mail，从名字可以看出，pem最初是为加密邮件准备的。

它是一种以DER+Base64进行编码的证书。PEM证书通常是文本格式，以"-----BEGIN CERTIFICATE-----"开头，并以"-----END CERTIFICATE-----"结束。

.cer, .crt, .der

这三个都是以DER进行编码的二进制证书，但有时候也会使用Base64进行编码，比如.pem。

.p7b, .p7c

是用 PKCS#7 进行签名的数据。

PKCS 全称是 Public-Key Cryptography Standards ，是由RSA实验室与其它安全系统开发商为促进公钥密码的发展而制订的一系列标准。

PKCS#7的全称叫做Cryptographic Message Syntax Standard。

.p12

是用PKCS#12签名的数据，可以同时包含证书和私钥。

.pfx

PKCS#12 的前身,通常包含 PKCS#12 格式的数据。

证书的层级结构和交叉认证

证书的层级结构应该很好理解了，证书的层级结构又叫做证书链。

从我们收到的最终证书开始，后面可以跟一个或者多个CA证书，最后一个证书是根证书。

比如现在证书的链式结构是A->B->C。

要想校验A证书的有效性，那么需要使用到B的公钥来验证，那么B的有效性，同样需要用到C的公钥来验证，这样层级验证一直到根证书为止。

什么是交叉认证呢？

假如现在有A->B和D->E这两条证书链。但是现在这两条链是独立的,假如A证书也想使用E来进行认证应该怎么处理呢？

先来考虑下A->B的含义，A->B意思是A证书使用B证书来签名的。更确切的说就是A证书是用B证书中的公钥来进行签名的。

如果我们使用E对B中的公钥进行签名得到一个证书C，那么B和C拥有相同的公钥，所以对于A来说，A->B和 A->C->E 都是有效的证书链。

如果使用B对E的公钥进行签名，得到证书F，那么对于D->E和 D->F->B 同样是两条有效的证书链。

这样的结构就叫做交叉认证。

交叉认证用在不同根CA链互相认证的场景，非常有用。

x.509证书的使用范围

x.509证书使用范围非常广泛，比如web访问中最常见的TLS/SSL 和 HTTPS 都是用的是x.509证书。

另外SMTP, POP, IMAP, LDAP, XMPP提供了对x.509证书的支持。

总结

以上就是x.509证书的使用和相关原理的介绍。