服务器证书原理

CA（Certificate Authority）证书是由 证书颁发机构（CA）本身签名的。具体来说，这取决于 CA 的类型和其在信任链中的位置：

1. 自签名证书

  • 根 CA 证书 是信任链的起点，由 CA 自己签名。
  • 它们是信任链的基础，浏览器或操作系统通过内置的信任列表信任这些根证书。
  • 根证书签名过程：
    • 使用 CA 的私钥对其证书的内容进行签名。
    • 验证时，使用该 CA 的公钥即可验证签名。

2. 中间 CA 证书

  • 中间 CA 证书 是由上一级 CA 签名的。
  • 中间 CA 的签名过程：
    • 上一级 CA 使用其私钥对中间 CA 的证书进行签名。
    • 这样，中间 CA 证书与根证书构成信任链。
  • 中间 CA 证书减少了根证书私钥的使用频率，从而提高了安全性。

3. 最终用户证书

  • 最终用户证书（例如网站的 SSL/TLS 证书）是由中间 CA 签名的。
  • 它们位于信任链的末端，为具体的实体（如网站或组织）提供身份验证。
  • 最终用户证书的签名过程：
    • 中间 CA 使用其私钥对用户证书签名。
    • 通过中间 CA 证书和根 CA 证书，验证信任链完整性。

信任链示例

以下是一个典型的信任链：

  1. 根 CA 自签名 →
  2. 中间 CA 由根 CA 签名 →
  3. 最终用户证书 由中间 CA 签名。

总结

  • 根 CA 证书 是自签名的，由 CA 自己签名。
  • 中间 CA 和最终用户证书 是由上一级 CA 签名的。
  • 浏览器或操作系统信任的根 CA 证书构成信任链的基础，通过逐级验证签名，最终信任用户证书。

以下是一个典型的 X.509 证书的例子，以及对其中字段的详细解析：

证书例子（PEM 格式）

-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIDdzCCAl+gAwIBAgIEUjGH3zANBgkqhkiG9w0BAQsFADB1MQswCQYDVQQGEwJV
UzELMAkGA1UECBMCTkMxEzARBgNVBAcTClNvbWV3aGVyZTEXMBUGA1UEChMOSGVs
bG8gQ29ycC4xEjAQBgNVBAMTCXNvbWVjZXJ0MB4XDTIzMDEwMTAwMDAwMFoXDTMz
MDEwMTAwMDAwMFowdTELMAkGA1UEBhMCVVMxCzAJBgNVBAgTAk5DMRMwEQYDVQQH
EwpTb21ld2hlcmUxFzAVBgNVBAoTDkhlbGxvIENvcnAuMRIwEAYDVQQDEwlsb2Nh
bGhvc3QwggEiMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4IBDwAwggEKAoIBAQDWmIz+1q1HxkbD
...
-----END CERTIFICATE-----

字段解析

X.509 证书包含多个字段，这些字段可以通过解析工具或代码提取查看。

1. 版本（Version）
Version: 3
  • 标记证书使用的 X.509 版本号。
  • 当前标准为版本 3。
2. 序列号（Serial Number）
Serial Number: 159753
  • 唯一标识证书的整数值。
  • 由颁发机构分配，用于区分其签发的每张证书。
3. 签名算法（Signature Algorithm）
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
  • 描述用于对证书签名的算法（如 SHA-256 + RSA）。
4. 发行者（Issuer）
Issuer: C=US, ST=NC, O=Hello Corp., CN=somecert
  • 颁发证书的 CA 信息：
    • C: 国家（Country）
    • ST: 州或省（State/Province）
    • O: 组织（Organization）
    • CN: 公共名称（Common Name）
5. 有效期（Validity）
Not Before: Jan 1 00:00:00 2023 GMT
Not After : Jan 1 00:00:00 2033 GMT
  • 指定证书的生效时间和过期时间。
6. 主题（Subject）
Subject: C=US, ST=NC, O=Hello Corp., CN=localhost
  • 持有证书实体的信息（例如网站、用户或设备）：
    • 与 Issuer 字段的格式类似。
7. 主公钥（Subject Public Key Info）
Subject Public Key Info:Public Key Algorithm: rsaEncryptionRSA Public-Key: (2048 bit)Modulus:00:b7:31:e5:91:21:3d:...Exponent: 65537 (0x10001)
  • 包含证书持有者的公钥信息：
    • 公钥算法：如 RSA、ECDSA。
    • 模数（Modulus）：用于 RSA 公钥。
    • 指数（Exponent）：通常为 65537。
8. 扩展字段（Extensions）

扩展字段为版本 3 中新增，包含额外信息。

基本约束（Basic Constraints）
X509v3 Basic Constraints: criticalCA:TRUE
  • CA:TRUE 表示该证书是 CA 证书。
密钥用途（Key Usage）
X509v3 Key Usage: criticalDigital Signature, Certificate Sign
  • 定义证书的用途，如签名、密钥加密、证书签发。
扩展密钥用途（Extended Key Usage）
X509v3 Extended Key Usage:TLS Web Server Authentication, TLS Web Client Authentication
  • 特定用途的扩展：
    • TLS Web Server Authentication：HTTPS 服务器验证。
    • TLS Web Client Authentication：客户端验证。
主题备用名称（Subject Alternative Name, SAN）
X509v3 Subject Alternative Name:DNS:example.com, DNS:www.example.com, IP Address:192.168.1.1
  • 定义证书绑定的域名和 IP 地址。
9. 签名（Signature）
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Signature Value:72:a3:12:...:e5
  • CA 使用其私钥对证书的签名。
  • 验证时，使用 CA 的公钥检查签名是否有效。

工具解析 X.509 证书

OpenSSL
openssl x509 -in certificate.pem -text -noout
结果输出示例
Certificate:Data:Version: 3 (0x2)Serial Number:01:02:03:04Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryptionIssuer: C=US, O=Example CAValidityNot Before: Jan 1 00:00:00 2023 GMTNot After : Jan 1 00:00:00 2033 GMTSubject: C=US, O=Example Organization, CN=example.comSubject Public Key Info:Public Key Algorithm: rsaEncryptionRSA Public-Key: (2048 bit)Modulus:00:c1:23:...Exponent: 65537 (0x10001)X509v3 extensions:X509v3 Basic Constraints:CA:FALSEX509v3 Key Usage:Digital Signature, Key EnciphermentX509v3 Subject Alternative Name:DNS:example.com, DNS:www.example.com

总结

X.509 证书包含详细的字段用于身份验证、安全通信等任务。它通过 Issuer（颁发者）、Subject（持有者）、Public Key Info（公钥信息）等核心字段构建信任链，同时扩展字段（如 SAN、Key Usage）定义其具体用途。

X.509 证书的签名过程是对证书的特定字段进行摘要处理，然后使用证书颁发机构（CA）的私钥对摘要结果进行加密。签名用于验证证书的完整性和来源。

签名是对哪些字段实行摘要处理？

签名涵盖的是证书的TBS（To Be Signed）部分，即证书主体部分。以下是具体包括的字段：

1. 版本号（Version）
  • 指示 X.509 证书的版本（通常为 3）。
2. 序列号（Serial Number）
  • 证书的唯一标识。
3. 签名算法标识符（Signature Algorithm Identifier）
  • 表示 CA 选择的签名算法，例如 sha256WithRSAEncryption。
4. 发行者信息（Issuer）
  • 描述颁发证书的 CA 信息，包括组织名称、国家代码等。
5. 有效期（Validity）
  • 包括两个子字段：
    • Not Before：证书的起始生效时间。
    • Not After：证书的过期时间。
6. 持有者信息（Subject）
  • 描述证书持有者的信息，如域名、组织、邮箱等。
7. 主公钥信息（Subject Public Key Info）
  • 包括：
    • 公钥算法（如 RSA、ECDSA 等）。
    • 公钥内容（例如 RSA 的模数和指数）。
8. 扩展字段（Extensions，版本 3 特有）
  • 包括：
    • 基本约束（Basic Constraints）
    • 密钥用途（Key Usage）
    • 扩展密钥用途（Extended Key Usage）
    • 主题备用名称（Subject Alternative Name, SAN）
    • 其他扩展。

签名流程

  1. 确定 TBS 部分：

    • 将上述字段按照 ASN.1 编码（DER 格式）组合为一个二进制数据。

  2. 生成摘要：

    • 使用指定的摘要算法（如 SHA-256）对 TBS 部分生成消息摘要。

  3. 签名摘要：

    • 使用 CA 的私钥对消息摘要加密，生成签名。

  4. 添加到证书：

    • 将签名值和签名算法附加到证书。

验证流程

  1. 从证书中提取 TBS 部分。
  2. 根据证书中的签名算法对 TBS 部分重新计算摘要。
  3. 使用 CA 的公钥解密签名值。
  4. 比较解密后的值与重新计算的摘要，若一致，则签名验证通过。

不包括的字段

签名过程不涵盖以下字段：

  • 签名字段本身：签名是对 TBS 之外生成的，因此签名字段本身不被包含。
  • 任何动态字段，例如证书的外部注释或额外的元信息。

通过这种方式，证书的签名确保了上述字段的完整性和不可篡改性。

浏览器验证证书的真实性时，会依据以下字段进行 CA 的查找和验证：

证书验证过程的关键字段

  1. Issuer 字段

    • 该字段标明证书的颁发者（Certificate Authority, CA），包括其国家（C）、组织名称（O）和通用名称（CN）。
    • 作用：浏览器通过 Issuer 字段确定证书是由哪个 CA 签发的。

  2. Subject Public Key Info

    • 包含公钥信息，用于验证签名的正确性。
    • 作用：浏览器利用 CA 的公钥来解密证书签名，确认它是否由声明的 CA 签发。

  3. Signature

    • 包含证书数据的数字签名，由 CA 的私钥生成。
    • 作用：通过数字签名，验证证书内容是否完整且未被篡改。

  4. Certificate Chain

    • 每张证书会包含其 Issuer，而浏览器会递归查找 CA 的上级证书，直到找到可信任的根证书。
    • 作用：形成一个证书链，从服务器证书到受信任的根 CA。

  5. Authority Information Access (AIA) 扩展

    • 可选字段，通常指向一个 URL，包含颁发 CA 的公钥证书。
    • 作用：如果证书链中间部分缺失，浏览器可以通过 AIA URL 自动下载并补充。

浏览器的验证步骤

  1. 解析证书的 Issuer 字段

    • 查找与 Issuer 中描述的 CA 匹配的证书。
    • 在本地的受信任根 CA 存储中查找，也可能通过 AIA 扩展或在线资源下载。

  2. 验证数字签名

    • 使用上一级 CA 的公钥，验证证书的签名是否正确。
    • 例如，浏览器会用上级 CA 的公钥解密当前证书的签名，并比较解密结果和当前证书的内容摘要。

  3. 检查证书链

    • 确认证书链是否完整，所有中间证书是否与声明的 CA 一致。
    • 从服务器证书开始，逐级验证每一级 Issuer 是否在本地或受信任的根 CA 列表中。

  4. 验证信任关系

    • 确认最终的根 CA 是否在浏览器的受信任 CA 列表中。
    • 例如，Mozilla, Microsoft, 和 Apple 会预装受信任 CA 列表。

  5. 检查证书有效期

    • 验证证书是否在 Not Before 和 Not After 规定的时间范围内。

  6. 检查吊销状态

    • 检查是否通过 CRL（证书吊销列表）或 OCSP（在线证书状态协议）标记为吊销。

总结

  • 浏览器根据证书的 Issuer 字段，结合 CA 的公钥验证签名，确保真实性。
  • 然后通过 Certificate Chain 找到根证书，确保整个信任链是可信的。
  • 最终，通过校验数字签名和证书吊销状态，判断证书的真实性和有效性。

CT Precertificate SCTs (Signed Certificate Timestamps) 解析

Signed Certificate Timestamps (SCTs) 是与证书透明性 (Certificate Transparency, CT) 相关的重要数据结构。它们是由公开日志服务器签名的时间戳，用于证明证书已经提交到 CT 日志中。这些信息对防止不受信任的证书的滥发非常关键。

字段解析

1. CT Precertificate SCTs

CT Precertificate SCTs 是证书透明性的一个组成部分。它们包含以下信息：

  1. Version

    • 显示 SCT 的版本。
    • 示例: v1 (0x0) 表示使用 CT 的第一版协议。

  2. Log ID

    • 由日志服务器生成的唯一标识符，用于识别该 SCT 是由哪个日志服务器生成的。
    • 示例: 
      76:FF:88:3F:0A:B6:FB:95:51:C2:61:CC:F5:87:BA:34:
B4:A4:CD:BB:29:DC:68:42:0A:9F:E6:67:4C:5A:3A:74

  3. Timestamp

    • 记录提交到日志服务器的时间戳。
    • 格式：标准的 GMT 时间。
    • 示例: Sep 7 14:55:38.911 2024 GMT。

  4. Extensions

    • 扩展字段，通常为空 (none)。

  5. Signature

    • 使用 ecdsa-with-SHA256 签名算法对 SCT 进行签名，确保完整性和真实性。
    • 签名数据: 
      30:44:02:20:1E:C0:96:A9:37:83:29:3E:08:BE:F5:3D:...
2. 两个示例 SCT

在实际的证书中，通常包含多个 SCT，这些 SCT 来自不同的日志服务器。每个 SCT 包括上述字段的信息。

SCT 的作用

  1. 保证证书提交到 CT 日志

    • SCT 是对证书已经提交到日志服务器的证明，目的是让证书的存在公开化。

  2. 增强信任

    • 浏览器可以通过验证 SCT 确认证书的合法性，进而决定是否信任该证书。

  3. 防止证书滥发

    • 强制要求证书颁发机构 (CA) 在发放证书时提交到 CT 日志，帮助检测和防范未经授权的证书。

如何验证 SCT

  1. 使用 OpenSSL OpenSSL 无法直接验证 SCT，但可以解析证书并检查 SCT 是否存在。

  2. 使用专用工具

    • 工具如 certigo 或 crt.sh 等可直接验证证书中的 SCT 信息。

  3. 手动解析并验证

    • 提取证书中的 SCT，验证签名是否匹配日志服务器的公钥。

SCT 的上下文示例

在现代 HTTPS 环境下，CT 和 SCT 是证书生态系统的重要组成部分，尤其是在防范证书滥发和透明性方面。例如：

  • Google Chrome 等浏览器要求证书必须附带 SCT，否则将提示“不受信任”。

这种机制对增强网络安全具有重要意义。

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