X.509系列(一):X.509 v3格式下的证书
目前手头上接到了一个新的任务,刚好又是和X.509证书打交道的工作,想到刚入职的时候第一份正正经经的开发任务就是写证书签发工具,感觉这部分确实应该踏踏实实做一下总结了。很难说以笔者现在的水平能不能证书这么一个基础工具讲清楚,尽力而为吧。目前规划为三部分内容,本文第一篇,剩下两部分分别为:
-
ASN.1详解
-
密码库源码分析(基于mbedtls库)
证书的目的
我们公钥证书可以说是PKI(Public Key Infrastructure)
中非常核心的组件之一,而PKI
可以说是当代互联网文明安全的基石了。如果这方面的协议出现了漏洞,可以说会对整个世界互联网都造成非常严重的冲击。笔者知识有限,所以本文对CA(Certificate Authority)
将简单抽象为单层级的一个证书颁发者。
证书(Certificate)
里面主要包含三个部分:证书信息(TBS Certificate)
(TBS = To Be Signed),证书签名算法(signature Algorithm)
和证书签名 (signatureValue)
. 证书信息里包含了证书的ID,证书拥有者的信息,签发者信息与最关键的,证书拥有者公钥信息。而证书的核心功能也是基于该公钥信息展开。
想象两个场景:
- Alice和Bob进行通信,想要使用一条得到加密的数据传输通道,防止第三方窃听
- Alice给Bob发了个消息,但是他想要向Bob证明这条消息是自己发出的,且没有被别人篡改过
场景1:秘钥协商
第一个场景下,可以把问题简单的规约为Alice和Bob需要拥有同样的对称秘钥,数据传输的通道上只传输由该秘钥加密过的数据。但是对称的秘钥如何传输呢?非对称密码体系解决了这个问题。在完成普通的握手之后:
-
Alice和Bob分别将自己的证书发给对方
-
Alice验证Bob的证书,验证成功后提取Bob公钥
, 之后取随机数
, 计算
发送给Alice.
指使用
的公钥对
完成加密/验签操作. 对应ECC可以视为
, RSA可以视为
-
Bob验证Alice的证书,验证成功后提取Alice公钥
, 之后取随机数
, 计算
发送给Alice
-
Alice和Bob分别用自己的私钥从
中解出对应的
,
,
,由于私钥都是仅Alice和Bob各自拥有的,网络上其他人无法解出,中间人的窃听将失效(但是中间人攻击依然是可能的,许多
https
的抓包软件就是基于中间人的攻击。想想为啥) -
Alice和Bob拼接随机数串
,使用协定好的秘钥派生算法,将
作为派生秘钥的种子派生出相同的秘钥,后期将使用该派生的秘钥作为加密通信的秘钥
其实上面的协议就是一个比较简化版的SSL/TLS
的握手阶段,当然秘钥协商(DH: Diffie–Hellman key exchange)
的方式还有很多, 但原理相差不多,会比直接加密简单一点。包括当前几乎已经是标配的HTTPS
协议,底层的安全基础很大程度也是基于SSL的协议。
场景2:数字签名
第二个场景就比较简单了:
- Alice会计算自己信息
的摘要值(Digest),选择合适的padding方式,使用自己的私钥对信息的摘要值计算签名值
. 传输阶段将自己的证书,签名值与消息(Cert+Sig+M)一起打包发给Bob
- Bob拿到这个包后首先需要验证Alice的证书,验证成功后提取Alice的公钥;之后计算M的摘要值
,之后使用公钥计算
, 最后判断
,完成验签操作
简单来看,消息的摘要值保证了消息的完整性Integrity
,而签名的验证保证了消息是来自Alice的不可抵赖性Non-repudiation
好了,看完了上面的问题,有没有一点疑问:那看起来证书好像只是个公钥的壳子而已,为啥不直接发公钥就完事了?还有验证证书是什么意思?
有没有想过,上述的Bob和Alice都是所谓的"好人"而已,这网络上哪有这么多好人。本质上,公钥其实只是一个很大的数,传递时也就是个二进制流。假如互联网上只有裸着的公钥传输,我怎么知道这个公钥是谁发给我的,中间有没有被别人给替换了。
现实中我们证明自己是一个公民的办法通常是去公安局去获取自己的身份证,通过身份证证明我是我,因为身份证上有我的名字、唯一身份证号、照片等等,发证机关将在身份证盖上国家神圣的公章,证明身份证的真实性。那么在网络世界中,我们也需要一张这样的身份证,证明我是该公钥的拥有人,且公钥的信息很有限,所以我们需要打包更多公钥拥有者的信息,同时我们也需要一个组织来进行发证操作,起到公安局的作用,并对证书"盖上公章"。在这种场景下,网络世界的证书自然就呼之欲出了。
证书的颁发
证书的申请文件
现实中我们去获取身份证时候,首先也要填一个申请表吧。我们在申请证书的时候同样需要一个申请文件来发给网络世界的公安局,CA
。当然,这个申请文件也是需要遵循格式标准的RFC 2986 - PKCS #10: Certification Request Syntax Specification
,缩写为.csr
通过OpenSSL
可以自己造一个合法格式的csr
文件:
正如申请身份证需要先造个人,首先我们需要自己造一个公钥,即制造一对公私钥对,以RSA-2048为例,生成pem
格式:
pwner@pwner:~/X509_learning$ openssl req -new -in rsa_public.pem -key rsa_private.pem -out rsa_public.csr.pem
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) [AU]:CN
State or Province Name (full name) [Some-State]:GD
Locality Name (eg, city) []:SZ
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:xxxx
Organizational Unit Name (eg, section) []:
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:xxxx
Email Address []:xxxx
Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:
pwner@pwner:~/X509_learning$ cat rsa_public.csr.pem
-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----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-----END CERTIFICATE REQUEST-----
-in
选项输入公钥,-key
输入私钥,-out
为输出csr
文件名。-new
表示新建一个csr
。运行命令行后然后会让你输入的个人信息。此处拆分主要为了阐述csr
的生成流程。
pwner@pwner:~/X509_learning$ openssl req -in rsa_public.csr.pem -noout -text
Certificate Request:
Data:
Version: 1 (0x0)
Subject: C = CN, ST = GD, L = SZ, O = xxxx, CN = xxxx, emailAddress = xxxx
Subject Public Key Info:
Public Key Algorithm: rsaEncryption
RSA Public-Key: (2048 bit)
Modulus:
00:e8:0e:5b:58:5a:0e:dd:b5:3c:6a:99:d5:e9:0e:
2b:4a:6a:2c:36:fc:76:f0:94:8b:cf:98:1d:c2:da:
c0:1d:38:f3:a8:b9:fb:c9:7b:b9:ea:4a:7f:8f:cc:
19:10:a8:5e:d2:38:0a:34:20:06:23:06:d8:dd:b7:
a0:c8:06:af:8b:16:58:e1:75:1a:eb:8e:cb:e3:0b:
49:f6:52:73:51:35:5c:15:d6:76:83:f5:ac:99:05:
d5:63:7b:2c:6b:73:58:2f:b4:83:9e:50:71:7d:f7:
6b:4f:cb:34:c9:15:78:3a:3a:38:0a:a8:09:f7:6e:
aa:11:91:11:53:19:ee:bf:97:20:7f:b9:77:71:f6:
d9:52:86:73:81:c7:70:e5:71:7e:32:ef:7c:cb:ec:
af:9e:ba:a7:8a:17:ce:d8:31:94:1d:35:82:44:8f:
77:36:40:a9:65:19:e0:3d:61:25:4f:55:d1:f2:4c:
52:22:ea:ae:25:6e:78:46:01:44:d5:12:ba:bf:b4:
bc:45:51:ef:b7:02:2a:a6:f6:15:e0:3f:ee:3a:0c:
64:b6:6c:00:6e:5c:70:17:ae:6e:3e:49:4b:81:59:
4d:7f:12:8c:84:59:d0:a0:5e:fb:bd:23:dd:59:66:
81:d3:1f:02:42:c9:fe:e6:ae:0a:84:60:11:69:3e:
73:7d
Exponent: 65537 (0x10001)
Attributes:
a0:00
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
e4:51:e4:fc:00:04:9a:24:79:f1:a1:d9:27:d7:40:14:cb:71:
10:09:b8:c7:d5:98:a7:17:1f:cc:5a:d7:b7:58:77:e5:01:4b:
2b:70:f9:dd:29:19:95:37:91:35:f1:f7:af:87:8d:62:2b:7c:
1e:6d:de:7e:ab:1f:41:77:e0:72:e3:b9:45:34:b8:95:4e:c3:
70:07:6c:80:4c:5d:77:17:79:d8:da:23:7e:7c:4f:a8:c7:c1:
40:d6:53:ba:09:55:2c:66:77:a3:73:bf:1d:0d:18:bc:98:e4:
70:bc:88:c8:5c:94:d5:8c:15:cd:69:2d:b3:f4:07:2a:65:36:
9a:dc:ab:2c:de:29:8a:89:6f:9d:99:53:49:7d:ea:79:48:a8:
db:5f:27:c0:49:97:cf:3b:5c:64:14:79:d5:9d:e1:ae:25:12:
20:ff:fe:ac:15:89:95:91:0f:fb:4b:13:68:e9:86:e3:a8:10:
c1:2e:eb:8f:18:9f:e0:27:28:0b:03:c3:77:cf:86:7a:24:92:
6d:61:d9:cc:d6:11:21:25:6d:41:c2:c7:56:c5:00:ab:a8:ab:
a3:76:22:43:28:0f:04:b1:78:6f:06:b8:73:c9:17:6d:ca:9e:
23:fa:b7:e8:9f:b6:9b:27:3f:6a:51:56:0c:68:c4:b0:4f:fa:
ce:1e:9c:ef
这就有那味儿了,简单解析一下,顺便对应着RFC的标准看一下。先看Data
这段,对应的是 CertificationRequestInfo
SubjectPublicKeyInfo { ALGORITHM : IOSet} ::= SEQUENCE {
algorithm AlgorithmIdentifier {{IOSet}},
subjectPublicKey BIT STRING
}
顺便提一句,AlgorithmIdentifier
的标识是ANS.1
编码中最与众不同的方式,Object ID
. 后续将提到。此处算法被标记为了rsaEncrypt
最后是attributes
,他主要提供了一些证书申请者的附加信息。PKCS#9中定义了一些在此可能使用的属性类型,典型的例子是challenge-password属性:它将指定一个密码,实体可以通过该密码请求吊销证书;另一个例子是X.509证书扩展中显示的信息(例如。从PKCS #9获取的extensionRequest属性等)。此处a0:00
标识了NULL
CertificationRequest ::= SEQUENCE {
certificationRequestInfo CertificationRequestInfo,
signatureAlgorithm AlgorithmIdentifier{{ SignatureAlgorithms }},
signature BIT STRING
}
certificationRequestInfo
对应的就是上面的Data
,已完成解释
signatureAlgorithm
对应签名算法,此处为sha256WithRSAEncryption
,指的是使用待签名的公钥对应的私钥,来完成自签名,签名的对象是certificationRequestInfo
的sha256
摘要值,签名算法为RSA
最后signature
对应的就是签名值了,bit string
类型
最后提一点,在证书申请的模式下,申请者只需要将公钥信息发至证书签发机构即可,保证了私钥的本地性与私密性。
CA
完成了申请表的填写,就应该交给身份证办理人员了,类比下来csr
文件生成之后,我们就要向CA
发送证书申请文件,以获取证书。
CA
可以翻译为数字证书认证机构,是PKI
体系中的基石。维基百科于是说:
CA是证书的签发机构,它是PKI的核心。CA是负责签发证书、认证证书、管理已颁发证书的机关。它要制定政策和具体步骤来验证、识别用户身份,并对用户证书进行签名,以确保证书持有者的身份和公钥的拥有权。
由上文可以推断,CA
正是承担了公安局对身份证"盖章"这一工作,盖上的便是使用CA私钥完成的对证书的数字签名。但是公安局的信用是有国家背书的,所以CA
也必须得到网络上所有人的信任。当然拥有CA
资格的机构也是相当有限的。
CA
获取证书申请之后,首先就要检测csr
的合法性,申请人信息的合法性,公钥的合法性等等。这些属于审批的范畴,技术范畴的话就是需要校验csr
的签名,即certificationRequestInfo
是否被篡改。过程为取出certificationRequestInfo
中的公钥信息,计算certificationRequestInfo
的待验证哈希值。利用提取的公钥与签名计算出签名哈希值,解padding后,判断是否与待验证哈希值一致,确定该csr
的完整性与不可抵赖性。
CA
在完成验证后,将下发自己的CA
证书以及签发的X.509
证书。CA
同样是一张X.509
格式的证书,往往也是一张自签名的证书,即CA
私钥签发CA
公钥。事实上,当前网络通讯当中(特别是浏览器)将会内置上很多权威受信任的CA
证书,若通信过程中使用的CA
证书并不在内置名单中,往往程序会进行提醒:当前站点CA
证书不受信任。而且现在CA
往往由于需要加快签发速率等原因,会使用多级CA
的模式,即CA
证书由上级CA
签发,最后将校验链上的证书一并发送给申请者,后续校验时将进行证书的逐级校验。
还记得上面场景中提到的:Alice验证Bob的证书这一步吗?Alice正是通过CA
证书中的公钥来校验Bob证书签名的。原因正是基于CA
是Alice所信任的证书认证者。当然验证证书还需要对certificateInfo
校验,确定Bob的身份,下章就会讲到。
X.509
终于到了重头戏,我们的主角,X.509
格式的证书。再强调一次,证书是功能性的描述,而X.509
只是证书一种国际上通用的格式,基于RFC3280: Internet X.509 Public Key Infrastructure Certificate and CRL Profile
(X.509 v3), 对应了PKCS#12
。
这次我们直接拿上一张Google的证书来看看:
Certificate ::= SEQUENCE {
tbsCertificate TBSCertificate,
signatureAlgorithm AlgorithmIdentifier,
signatureValue BIT STRING }
可以看到Data
对应了tbsCertificate
, 也是整张证书最关键的部分,该字段包含证书拥有者信息、颁发者信息、公钥信息、有效期信息等,后面单独拿出来详细解析。
剩下的两个部分与csr
完全一致,同样是表明了签名的算法与tbsCertificate
的签名。这里要注意,签发者issuer
信息表明了证书签发人,一般为受信任的CA
。
TBSCertificate
核心字段,一点点手撕;先看定义
/* 解析结果 */
Serial Number:
bc:01:41:05:22:d8:cc:7f:02:00:00:00:00:79:64:7f
/* 编码 */
Tag:[02] Length:[11] Value:[00 BC 01 41 05 22 D8 CC 7F 02 00 00 00 00 79 64 7F]
序列号的作用主要在CRL
中体现唯一标识的作用。可以对照到身份证上的身份证号:)
signature
: 标记了证书的签名算法,与csr
一样,不做赘述。
issuer
:标记证书签发者CA的信息,例子中可以看到为Google Trust Services
签发。具体格式类似上面的subject
。
validity
:标识了证书的生效时间,以起始时间与结束时间表述。可以看到例子中的证书的生效起始时间为格林威治时间的2020/08/26, 有效期至2020/11/18。时间的ASN.1
通常以 YYMMDDHHMMSS
来标识,结尾以Z
或者时区差标识时区。Z
是Zulu
时间的意思,和格林威治时间同步。
subject
:证书拥有者信息,同issuer
。上面提到校验Bob的信息,也就是对这一段的验证。
subjectPublicKeyInfo
:证书公钥信息,也和csr
中的一致。
UniqueID
:可选字段,这个字段必须要v2及以上版本才有,主要是用来防止issuer
与subject
重名的情况。例子中的证书是没有的
Extension
extension
是最重头戏的字段:
X509v3 Subject Key Identifier:
AF:32:A8:9D:20:98:F3:FD:14:41:FE:F4:C4:74:47:7C:D1:6C:81:B1
from hashlib import sha1
hash = sha1()
hash.update(b"\x04\xbc\x1c\xaa\x96\x6f\x6f\x99\x48\x79\x56\x61\x4b\x7f\xff\xdc\x39\x08\x3a\xd4\x4d\xe2\xd8\x87\x80\xaf\x3d\x18\x5e\x71\x2d\xce\x09\x70\x57\x39\x38\x5f\x2a\xee\xa8\x35\xf4\x3a\x86\x86\x5a\x1d\xc7\x31\x32\x1b\x8d\xac\xd0\x46\xad\xc3\xfc\xa5\xd3\x18\x36\x68\xab")
hash.hexdigest()
>>>'af32a89d2098f3fd1441fef4c474477cd16c81b1'
Key Usage
/Extended Key Usage
: 确定证书中公钥的用途。以前一个为主,extended字段作为补充。例子中的证书主要就是用来做TLS
通讯中的数字签名功能。Key Usage
主要类型有以下几种,详细描述可以参考标准中的描述,这里不展开说了:
Certificate Revocation List (CRL):
Version 2 (0x1)
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: C = US, O = Google Trust Services, CN = GTS CA 1O1
Last Update: Sep 19 02:13:00 2020 GMT
Next Update: Sep 29 02:13:00 2020 GMT
CRL extensions:
X509v3 CRL Number:
1001
X509v3 Authority Key Identifier:
keyid:98:D1:F8:6E:10:EB:CF:9B:EC:60:9F:18:90:1B:A0:EB:7D:09:FD:2B
Revoked Certificates:
Serial Number: 049950FB5DD23C3502000000007A32AD
Revocation Date: Sep 10 15:53:36 2020 GMT
CRL entry extensions:
X509v3 CRL Reason Code:
Affiliation Changed
Serial Number: 05303980A9456025080000000056050B
Revocation Date: Sep 10 15:53:42 2020 GMT
CRL entry extensions:
X509v3 CRL Reason Code:
Affiliation Changed
......
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
00:37:3c:7e:ba:71:d2:92:52:3a:f6:4d:86:c0:a2:c2:18:78:
34:0e:ea:80:41:08:82:32:54:42:f0:2c:d7:f7:e0:81:93:dc:
0d:e5:0b:71:1f:ae:7e:bf:1c:05:3c:3c:f8:2b:cb:99:20:21:
80:29:a9:81:1d:f4:33:f4:21:95:70:f1:4c:38:30:34:28:32:
be:0a:0b:0d:09:5d:81:33:72:fb:40:16:db:26:a1:7d:e9:11:
56:74:11:58:e3:4d:37:93:23:68:6a:85:8c:89:05:7d:55:67:
8c:da:3c:02:cb:46:3b:4e:7d:c6:38:12:02:cc:a8:ff:57:04:
9d:0a:bf:07:30:36:5d:85:b7:4c:9e:a1:52:b8:2c:4a:ec:91:
ba:ba:8f:74:60:f4:06:84:8b:d9:a7:08:3d:2a:cf:ee:66:c6:
de:1e:ae:68:24:ed:0d:ca:d6:73:0e:40:b2:5c:91:00:dc:32:
72:04:8b:46:65:12:9c:56:9d:aa:76:89:7b:c2:74:a8:b0:a3:
de:e6:d6:d1:12:87:16:34:98:9b:2e:bd:38:ea:1c:59:03:40:
0d:ba:0c:0c:f2:9e:31:64:33:1b:28:43:4e:3b:78:41:2e:d9:
82:21:39:97:fe:c0:ab:9f:82:8d:18:02:26:c4:b0:44:c5:74:
25:30:6a:50
还是先对应ASN.1
对于crl
格式的描述看一下:
OCSPRequest ::= SEQUENCE {
tbsRequest TBSRequest,
optionalSignature [0] EXPLICIT Signature OPTIONAL }
TBSRequest ::= SEQUENCE {
version [0] EXPLICIT Version DEFAULT v1,
requestorName [1] EXPLICIT GeneralName OPTIONAL,
requestList SEQUENCE OF Request,
requestExtensions [2] EXPLICIT Extensions OPTIONAL }
Signature ::= SEQUENCE {
signatureAlgorithm AlgorithmIdentifier,
signature BIT STRING,
certs [0] EXPLICIT SEQUENCE OF Certificate
OPTIONAL}
Version ::= INTEGER { v1(0) }
Request ::= SEQUENCE {
reqCert CertID,
singleRequestExtensions [0] EXPLICIT Extensions OPTIONAL }
CertID ::= SEQUENCE {
hashAlgorithm AlgorithmIdentifier,
issuerNameHash OCTET STRING, -- Hash of issuer's DN
issuerKeyHash OCTET STRING, -- Hash of issuer's public key
serialNumber CertificateSerialNumber }
尾声
看起来X.509
这一系列好像很简单的样子,然而这里打出来的其实都是完成解析之后的样子,那么解析之前的DER
格式的证书是啥样子的呢:
00000000: 3082 04c8 3082 03b0 a003 0201 0202 1100 0...0...........
00000010: bc01 4105 22d8 cc7f 0200 0000 0079 647f ..A."........yd.
00000020: 300d 0609 2a86 4886 f70d 0101 0b05 0030 0...*.H........0
00000030: 4231 0b30 0906 0355 0406 1302 5553 311e B1.0...U....US1.
00000040: 301c 0603 5504 0a13 1547 6f6f 676c 6520 0...U....Google
00000050: 5472 7573 7420 5365 7276 6963 6573 3113 Trust Services1.
00000060: 3011 0603 5504 0313 0a47 5453 2043 4120 0...U....GTS CA
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...
啥啥啥,这是啥??
其实这就是反复提到的ASN.1
格式。系列下一章就是手撕ASN.1
, 做一个人肉decoder(想多了...)