X.509 数字证书与 SSL/TLS

X.509

编码格式

PEM (Privacy Enhanced Mail)

最常见的编码格式，BASE64 ASCII 编码，首尾都包含纯文本

例如，证书请求文件

PEM 文件可以包含一个或多个证书

FISCO BCOS 中的节点证书包含了服务器证书和节点本身的证书

通常，PEM 文件后缀包括 .pem、.key、.csr、.crt

DER (Distinguished Encoding Rules)

二进制编码，不包含首尾文本，通常用于 Java ，文件后缀包括 .der、.cer

注意：PEM 格式的文件和 DER 格式的文件可以相互转换

文件后缀及内容（字段）

PEM 格式的文件可以统一存储为后缀 .pem ，为了便于区分用途，假设根据文件内容设置不同的后缀

此外，假设使用国密证书

私钥文件

私钥文件（Private Key），后缀为 .key，用于签名

SM2 椭圆曲线公钥密码算法 –> 生成公钥、私钥
将私钥以 PEM 格式存储 –> .key 文件

证书请求文件

全称 Certificate Signing Request，后缀为 .csr，用于向服务器申请证书

证书请求文件模板

基于 Package x509

type CertificateRequest struct {
	Raw                      []byte // 完整的 ASN.1 DER 内容（证书，签名算法和签名）
	RawTBSCertificateRequest []byte // 原始 ASN.1 DER 内容的证书部分
	RawSubjectPublicKeyInfo  []byte // DER 编码的主体公钥信息
	RawSubject               []byte // DER 编码的主体

	Version            int					// 版本
	Signature          []byte				// 签名
	SignatureAlgorithm SignatureAlgorithm			// 签名算法

	PublicKeyAlgorithm PublicKeyAlgorithm			// 公钥算法
	PublicKey          interface{}				// 公钥

	Subject pkix.Name					// 主体名称

	// Attributes is the dried husk of a bug and shouldn't be used.
	// 提供关于证书持有者的额外信息
	Attributes []pkix.AttributeTypeAndValueSET

	Extensions []pkix.Extension				// 原始的 X.509 扩展，序列化时被忽略
	ExtraExtensions []pkix.Extension			// 覆盖任何其它字段生成的扩展

	// 主体的替用名称
	DNSNames       []string
	EmailAddresses []string
	IPAddresses    []net.IP
	// 改动，砍掉了 URI
}

证书文件

全称 Certificate，后缀为 .crt，用于身份认证

版本
序列号
签名算法
颁发者
有效期
主体
主体公钥
颁发者 ID（可选）
主体 ID（可选）
扩展（可选）
签名

证书链即包含多个层级的证书

证书文件模板

基于 Package x509

type Certificate struct {
	Raw                     []byte // 完整的 ASN.1 DER 内容（证书，签名算法和签名）
	RawTBSCertificate       []byte // 原始 ASN.1 DER 内容的证书部分
	RawSubjectPublicKeyInfo []byte // DER 编码的主体公钥信息
	RawSubject              []byte // DER 编码的主体
	RawIssuer               []byte // DER 编码的颁发者

	Signature          []byte					// 签名
	SignatureAlgorithm SignatureAlgorithm				// 签名算法

	PublicKeyAlgorithm PublicKeyAlgorithm				// 公钥算法
	PublicKey          interface{}					// 公钥

	Version             int							// 版本
	SerialNumber        *big.Int						// 序列号
	Issuer              pkix.Name						// 颁发者
	Subject             pkix.Name						// 主体
	NotBefore, NotAfter time.Time // Validity bounds.			// 有效期
	KeyUsage            KeyUsage						// 用途（可选）

	Extensions []pkix.Extension						// 原始的X.509扩展，序列化时被忽略
	ExtraExtensions []pkix.Extension					// 覆盖任何其它字段生成的扩展

	// UnhandledCriticalExtensions contains a list of extension IDs that
	// were not (fully) processed when parsing. Verify will fail if this
	// slice is non-empty, unless verification is delegated to an OS
	// library which understands all the critical extensions.
	//
	// Users can access these extensions using Extensions and can remove
	// elements from this slice if they believe that they have been
	// handled.
	UnhandledCriticalExtensions []asn1.ObjectIdentifier	// 扩展

	ExtKeyUsage        []ExtKeyUsage           // 密钥扩展用途的序列
	UnknownExtKeyUsage []asn1.ObjectIdentifier // 遇到的本包不能识别的密钥扩展用途
	
	// 改动，增加了字段 BasicConstraintsValid
	BasicConstraintsValid bool 	// 基本的有效性约束，如果以下两个字段有值则为真
	IsCA                  bool	// 是否为 CA
	MaxPathLen            int	// 
	// MaxPathLenZero indicates that BasicConstraintsValid==true and
	// MaxPathLen==0 should be interpreted as an actual maximum path length
	// of zero. Otherwise, that combination is interpreted as MaxPathLen
	// not being set.
	MaxPathLenZero bool			// 

	SubjectKeyId   []byte		// 主体 ID
	AuthorityKeyId []byte		// 颁发者 ID

	// RFC 5280, 4.2.2.1 (认证信息存储)
	OCSPServer            []string
	IssuingCertificateURL []string

	// 主体的替用名称
	DNSNames       []string
	EmailAddresses []string
	IPAddresses    []net.IP
	// 改动，砍掉了 URI

	// 名称约束
	PermittedDNSDomainsCritical bool // 如果为真，则名称约束被标记为关键的（critical）
	PermittedDNSDomains         []string
	// 改动，只保留两项

	// CRL 分发点（证书吊销列表）
	CRLDistributionPoints []string
	PolicyIdentifiers []asn1.ObjectIdentifier
}

国密改造细节

在 Package x509 的基础上进行改造

数字证书的每项都有对象标识 OID， SM2 数字证书与标准 X.509 证书的主要区别就是公钥算法、公钥参数、签名算法的标识不同

SignatureAlgorithm

1
2
3

SM2WithSM3
SM2WithSHA1
SM2WithSHA256

algoName

1
2
3

SM2WithSM3:       "SM2-SM3",
SM2WithSHA1:      "SM2-SHA1",
SM2WithSHA256:    "SM2-SHA256",

oidSignature

oidSignatureSM2WithSM3      = asn1.ObjectIdentifier{1, 2, 156, 10197, 1, 501}
oidSignatureSM2WithSHA1     = asn1.ObjectIdentifier{1, 2, 156, 10197, 1, 502}
oidSignatureSM2WithSHA256   = asn1.ObjectIdentifier{1, 2, 156, 10197, 1, 503}

oidSM3     = asn1.ObjectIdentifier{1, 2, 156, 10197, 1, 401, 1}
oidHashSM3 = asn1.ObjectIdentifier{1, 2, 156, 10197, 1, 401}

signatureAlgorithmDetails

var signatureAlgorithmDetails = []struct {
	algo       SignatureAlgorithm
	oid        asn1.ObjectIdentifier
	pubKeyAlgo PublicKeyAlgorithm
	hash       Hash
}

{SM2WithSM3, oidSignatureSM2WithSM3, ECDSA, SM3},
{SM2WithSHA1, oidSignatureSM2WithSHA1, ECDSA, SHA1},
{SM2WithSHA256, oidSignatureSM2WithSHA256, ECDSA, SHA256},

oidNamed

1	oidNamedCurveP256SM2 = asn1.ObjectIdentifier{1, 2, 156, 10197, 1, 301}

代码演示

自签证书

Root CA 使用自己的私钥对证书签名，生成自签证书

证书文件

CA 直接使用 Client 提供的公钥进行证书签发

证书请求文件 –> 证书文件

Client 向 CA 发送证书请求文件
CA 使用证书请求文件中的信息签发证书
CA 将证书文件返回给 Client

SSL/TLS

应用层协议

以 TCP 连接为基础（传输层）

原理 - 三次握手

SYN、SYN ACK、ACK
- TCP 三次握手，建立 TCP 连接
ClientHello
- Client 发送 Hello
  - 协议版本（protocol version）
  - Client 随机数（用于后续的三次握手）
  - 支持的密码套件（cipher suites）
  - 支持的压缩算法（compression methods）
  - 支持的扩展（extensions）
  - 可选的 session id （恢复 resume）
ServerHello、Certificate、ServerHelloDone
- Server 发送 Hello
  - 选择的协议版本
  - Server 随机数
  - 选择的密码套件
  - 选择的压缩算法
  - 一系列扩展
  - session id
- Server 发送证书
  - Server 主机名
  - Server 使用的公钥
  - 可信第三方签名（CA）
ClientKeyExchange、ChangeCipherSpec、Finished
- Client 验证证书，提供密钥交换的信息
- Client 生成 pre Master Key（取决于密钥生成算法，通常是随机数，用于生成对称密钥）
- Client 使用 Server 公钥加密 pre Master Key，并发送给 Server
ChangeCipherSpec、Finished
- Server 解密 pre Master Key，利用 MAC 验证消息完整性
- 返回加密的 “Finished” 消息

Client 和 Server 使用相同的参数生成对称密钥，用于会话消息的加密，因此也称为会话密钥。

容易混淆的说法：将密钥称为加密密钥

国密算法要求双向认证

在 3. 上多一步，Server 向 Client 要求证书
在 4. 上多一步，Client 向 Server 提供自己的证书（证明身份）

代码演示

Server

Root CA 证书
Server 证书
Server 私钥

Client

Root CA 证书
Client 证书
Client 私钥

Server 与 Client 的逻辑基本一致

读取自己的公钥证书和私钥
载入证书（链）、根证书
- 提供自己的证书
- 验证对方的证书
配置 TLS
- 认证方式、证书（链）、根证书集合
创建通道进行监听 / 发起连接请求

区块链身份认证方案

FISCO BCOS

FISCO BCOS网络采用面向CA的准入机制，支持任意多级的证书结构，保障信息保密性、认证性、完整性、不可抵赖性。

使用 openssl 命令
一般情况，三级结构
- 链证书
- 机构证书
- 节点/SDK 证书

使用证书请求文件申请证书

# CA
ca.crt      # 链证书
ca.key      # 链私钥

# Agency
ca.crt      # 链证书
agency.crt  # 机构证书
agency.csr  # 机构证书请求文件
agency.key  # 机构私钥

# Node
ca.crt      # 链证书
node.crt    # 节点证书  <-- 包括节点证书和机构证书信息
node.key    # 节点私钥

# SDK
ca.crt      # 链证书
sdk.crt     # SDK 证书  <-- 包括节点证书和机构证书信息
sdk.key     # SDK 私钥

Fabric

Fabric CA 在 Fabric 中的架构

Fabric CA 层级架构

CA 服务器

TLS CA
ORG CA
TCA（transaction）

使用用户名密码获得证书

注册 Register：获得凭据
登记 Enroll：返回私钥、公钥证书、CA 证书链

典型 PKI 架构

组成部分

证书
信任链
- 根证书、中间证书、…
证书颁发机构
- Root CA：信任锚

总结

树形层级架构

Root CA                       # 信任锚
├─Intermediate CA1            # 为类型 A 的节点签发证书
|    ├─ Client1-Cert
|    ├─ Client2-Cert
|    └─ ...
├─Intermediate CA2            # 为类型 B 的节点签发证书
|    ├─ ClientA-Cert
|    ├─ ClientB-Cert
|    └─ ...
└─ ...

FISCO BCOS 直接使用 openssl 进行签发，使用一个文件夹存储私钥、证书
- 节点的黑名单机制，未提到撤销证书
  - 优先级：黑名单 > 白名单
- 生成证书请求文件向服务器续期
Fabric 结合数据库或 LDAP ，使用注册登记机制，通过 MSP 模块（成员服务提供者）管理私钥、证书
- 向服务器进行证书撤销或续期