数字证书 cfssl CA 公开密钥认证

数字证书与cfssl工具链

分析数字证书原理，记录cfssl常用命令。

Posted by Cheney.Yin on October 14, 2021

1 什么是根证书？

参考

根证书是证书颁发机构(CA)的公钥证书，是在公开密钥基础建设中，信任链的起点。根证书没有上层机构再为其本身作数字签名，所以都是自签证书。

2 X.509证书规范

参考

一般的，一个数字证书内容可能包括基本数据（版本、序列号）、所签名对象信息（签名算法类型、签发者信息、有效期、被签发人、签发的公开密钥）、CA 的数字签名等等。

目前使用最广泛的标准为 ITU 和 ISO 联合制定的 X.509 的 v3 版本规范（RFC 5280），其中定义了如下证书信息域：

  • 版本号（Version Number）：规范的版本号，目前为版本 3，值为 0x2；
  • 序列号（Serial Number）：由 CA 维护的为它所颁发的每个证书分配的唯一的序列号，用来追踪和撤销证书。只要拥有签发者信息和序列号，就可以唯一标识一个证书。最大不能超过 20 个字节； 签名算法（Signature Algorithm）：数字签名所采用的算法，如 sha256WithRSAEncryption 或 ecdsa-with-SHA256；
  • 颁发者（Issuer）：颁发证书单位的标识信息，如 C=CN, ST=Beijing, L=Beijing, O=org.example.com, CN=ca.org.example.com；
  • 有效期（Validity）：证书的有效期限，包括起止时间；
  • 主体（Subject）：证书拥有者的标识信息（Distinguished Name），如 C=CN, ST=Beijing, L=Beijing, CN=person.org.example.com；
  • 主体的公钥信息（Subject Public Key Info）：所保护的公钥相关的信息；
    • 公钥算法（Public Key Algorithm）：公钥采用的算法；
    • 主体公钥（Subject Public Key）：公钥的内容；
  • 颁发者唯一号（Issuer Unique Identifier）：代表颁发者的唯一信息，仅 2、3 版本支持，可选；
  • 主体唯一号（Subject Unique Identifier）：代表拥有证书实体的唯一信息，仅 2、3 版本支持，可选；
  • 扩展（Extensions，可选）：可选的一些扩展。v3 中可能包括：

    • Subject Key Identifier：实体的密钥标识符，区分实体的多对密钥；

    • Basic Constraints：一般指明是否属于 CA；

    • Authority Key Identifier：颁发这个证书的颁发者的公钥标识符；

    • CRL Distribution Points：撤销文件的发布地址；

    • Key Usage: 证书的用途或功能信息。 此外，证书的颁发者还需要对证书内容利用自己的私钥进行签名，以防止他人篡改证书内容。

3 CA签发证书原理


图1 数字证书认证中心签发证书

图2 服务端认证

4 实例步骤

参考

4.1 创建CA证书（即根证书）及其私钥

首先创建证书请求签名文件（CSR, CERTIFICATE SIGNING REQUEST）

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 cfssl print-defaults csr > ca-csr.json

文件ca-csr.json为证书签名请求配置文件，其内容大致如下:

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{
    "CN": "example.net",
    "hosts": [
        "example.net",
        "www.example.net"
    ],
    "key": {
        "algo": "ecdsa",
        "size": 256
    },
    "names": [
        {
            "C": "US",
            "ST": "CA",
            "L": "San Francisco"
        }
    ]
}
  • CN：Common Name，所有csr文件都必须有字段。

  • 对于 SSL 证书，一般为网站域名。

  • 而对于代码签名证书则为申请单位名称。

  • 而对于客户端证书则为证书申请者的姓名。
  • hosts：网络请求url中的合法主机名或域名集合。
  • key：key字段是必须有的字段，其内容一般也比较固定就是：{"algo":"rsa”,"size":2048}，表示使用的加密算法rsa，密文长度2048。
  • names：也是必须有字段，是证书对外公开显示的一些字段，常见如下：

    • C：即Country的简写，表示国家，例如中国为CN。

    • L：即Locality的简写，表示所在地区或城市。

    • ST：表示所在州或省份。

    • O：表示所在单位或组织。

    • OU：显示其它内容。

参照如上规范，CSR配置如下：

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❯ cat ./ca-csr.json
{
    "CN": "cheney.site",
    "hosts": [
        "cheney.site",
        "192.168.100.1"
    ],
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "names": [
        {
            "C": "CN",
            "ST": "JS",
            "L": "Wu Xi",
	    	"O": "cheney"
        }
    ]
}

通过如下命令，依据ca-csr.json生成CA证书（或根证书）。

1

cfssl gencert --initca ./ca-csr.json | cfssljson -bare ca

命令执行完毕后，目录下会得到3个文件，分别为ca.pem、ca-key.pem、ca.csr。

文件 说明
ca.pem CA证书文件，包含认证中心的公钥。
ca-key.pem CA证书的私钥文件。
ca.csr CA证书的认证请求文件。

CA证书用于签发其它证书，需要为CA认证中心配置其功能项。通过如下命令可以获取CA配置模板。

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cfssl print-defaults config > ca.config

CA配置的基本内容如下：

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{
    "signing": {
        "default": {
            "expiry": "168h"
        },
        "profiles": {
            "www": {
                "expiry": "8760h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "server auth"
                ]
            },
            "client": {
                "expiry": "8760h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "client auth"
                ]
            }
        }
    }
}

  • expiry：表示签发过期时间。

  • profiles：配置各类使用场景，每类使用场景有expiry（过期时间）和usages（功能用途）组成。

    • usages：可选功能包括签名（signing）、加密（key encipherment）、服务端认证（server auth）、客户端认证（client auth）等。

参照上述规范，CA配置实例如下：

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{
    "signing": {
        "default": {
            "expiry": "43800h"
        },
        "profiles": {
            "server": {
                "expiry": "43800h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "server auth"
                ]
            }
        }
    }
}

这里，过期时间为5年，server场景下签发证书可用于签名、加密以及服务端认证。

4.2 签发证书

接下来，为一组服务器（IP：192.168.100.120～122）签发server证书。

首先，准备一份证书签名请求文件server-csr.json，其内容规范同步骤1中CSR一致。

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{
    "CN": "cheney.server",
    "hosts": [
        "192.168.100.120",
		"192.168.100.121",
		"192.168.100.122"
    ],
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "names": [
        {
            "C": "CN",
            "ST": "JS",
            "L": "Wu Xi",
	    	"O": "cheney"
        }
    ]
}

然后，由认证中心使用根证书（ca.pem、ca-key.pem）和场景配置（ca-config.json）生成server证书。

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cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem --config=ca-config.json --profile=server server-csr.json | cfssljson -bare server

命令执行完毕后，执行目录下会生成3个文件（server.pem、server-key.pem、server.csr）。

4.3 验证

常用的验证工具有openssl、cfssl-certinfo。

openssl命令如下：

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openssl x509 -in server.pem -text -noout

校验要注意以下内容：

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Issuer: C = CN, ST = JS, L = Wu Xi, O = cheney, CN = cheney.site
...
Subject: C = CN, ST = JS, L = Wu Xi, O = cheney, CN = cheney.server
...
X509v3 Key Usage: critical
	Digital Signature, Key Encipherment
X509v3 Extended Key Usage:
	TLS Web Server Authentication
            ...
            ...
X509v3 Subject Alternative Name:
	IP Address:192.168.100.120, IP Address:192.168.100.121, IP Address:192.168.100.122
  • Issuer要与ca-csr.json的定义一致。
  • Subject要与server-csr.json的定义一致。
  • x509v3 Key Usage和x509v3 Extended Key Usage要与ca-config.json中server场景一致。
  • X509v3 Subject Alternative Name要与server-csr.json的hosts一致。 cfssl-certinfo命令如下：
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cfssl-certinfo -cert server.pem

其校验主要关注subject、issuer、sans即可。

openssl命令提供了链式校验，

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openssl verify -verbose -show_chain --CAfile ../ca.pem  ./server.pem
./server.pem: OK
Chain:
depth=0: C = CN, ST = JS, L = Wu Xi, CN = registry.cheney.io (untrusted)
depth=1: C = CN, ST = JS, L = Wu Xi, CN = cheney.io

返回OK，则表示验证成功，说明server.pem是由ca.pem签发的。

注意，在认证链上证书的CN要唯一，否则认证失败。

4.4 本地安装CA根证书

在ssl认证过程中，需要判定证书是否可信，即证书是否为可信的CA机构签发的。ssl需要在本地按照证书提供的Issuer检索本地是否存在可信的CA根证书。可以通过如下方式手动安装CA证书。

将ca.pem转为ca.crt（二进制），

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openssl x509 -outform DER -in ./ca.pem -out ./ca.crt

把ca.crt拷贝到/etc/ca-certificates/trust-source/anchors/目录下，

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sudo cp ./ca.crt /etc/ca-certificates/trust-source/anchors/ca.crt

最后执行update-ca-trust。

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sudo update-ca-trust

命令执行成功后，可以从/etc/ssl/cert.pem文件中找到ca.crt的内容，也可以从/etc/ssl/certs/找到相关文件。

注意，更新可信CA后，只有执行命令的当前进程和新的进程生效。

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