根证书、中间证书、目标证书，以及签名和验签(基于openssl)

1 相关名词解释

在讨论证书和加密的上下文中，以下是一些基本概念的解释：

CA (Certificate Authority)：证书颁发机构，是一个负责颁发和管理数字证书的实体。CA 验证实体（如个人、公司或服务器）的身份，并发行数字证书，这些证书包含公钥和身份信息，并由 CA 的私钥签名。
Root CA (Root Certificate Authority)：根证书颁发机构是证书层级结构中的最顶层。它是一个自签名的证书，用于信任链的起点。Root CA 的公钥被广泛分发，并被操作系统和浏览器预装，作为信任的根基。
Intermediate CA (Intermediate Certificate Authority)：中间证书颁发机构位于根 CA 下一层，用于签署下级 CA 或终端实体的证书。使用中间 CA 可以减轻根 CA 的负担，并允许更灵活的证书管理。
Target CA (Target Certificate Authority)：目标证书颁发机构通常是证书层级结构中的最低层，用于为终端实体（如网站、电子邮件用户等）颁发证书。
CSR (Certificate Signing Request)：证书签名请求是一个包含公钥和身份信息的消息，由证书申请者生成并发送给 CA。CA 验证 CSR 的内容后，会用其私钥对公钥和身份信息进行签名，生成数字证书。
Sign：签名是使用私钥对数据进行加密的过程，以验证数据的完整性和来源。数字签名通常用于确保数据未被篡改，并证明数据确实来自声称的发送者。
Verify：验证是检查数字签名是否有效的过程，通常使用签名者的公钥。如果签名验证成功，说明数据在传输过程中未被篡改，且确实来自签名者。
Pubkey (Public Key)：公钥是加密密钥对中的一个，可以公开分享。在非对称加密中，公钥用于加密数据或验证签名。
PEM (Privacy Enhanced Mail)：PEM 是一种文件格式，用于存储和发送加密密钥、证书和其他加密材料。PEM 文件通常以 Base64 编码，包含头尾标记，如 `-----BEGIN CERTIFICATE-----`。
DER (Distinguished Encoding Rules)*：DER 是一种二进制编码格式，用于 ASN.1 数据结构。它是一种紧凑的格式，常用于证书和私钥的存储。
RSA：RSA 是一种广泛使用的非对称加密算法，基于大整数分解的困难性。它用于加密、解密、签名和验证签名。
SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256)：SHA-256 是一种加密哈希函数，属于 SHA-2 算法家族。它生成一个 256 位的哈希值，用于确保数据的完整性。
SRL (Certificate Serial Number File)：序列号文件是由 CA 维护的一个文件，记录了颁发证书的序列号。每次颁发新证书时，都会更新这个文件，以确保每个证书都有一个唯一的序列号。

这些概念构成了公钥基础设施（PKI）的基础，用于在互联网上安全地交换信息和验证身份。

1.1 为什么要生成中间证书？

生成中间证书（Intermediate Certificate）在公钥基础设施（PKI）中有几个重要的原因和好处：

分层管理：通过引入中间证书，可以创建一个分层的证书结构，使得根证书（Root Certificate）不需要直接签发大量的终端实体证书。这种分层管理可以提高证书管理的效率和灵活性。
减少根密钥的暴露风险：如果根密钥被泄露，那么所有由该根证书签发的证书都将受到威胁。通过使用中间证书，可以减少根密钥的暴露风险，因为即使中间密钥被泄露，影响的范围也仅限于由该中间证书签发的证书。
密钥轮换：中间证书的密钥可以定期更换，而不需要更换根密钥。这样可以保持根证书的长期稳定性，同时确保整个系统的安全性。
策略和控制：不同的中间证书可以实施不同的策略和控制措施。例如，一个中间证书可以专门用于签发服务器证书，另一个可以用于客户端证书，这样可以根据不同的业务需求和安全要求进行更细致的管理。
跨地域管理：在大型组织或跨国公司中，中间证书可以分配给不同的地理位置或业务部门，使得每个部门可以管理自己的证书，而不需要每次都通过中央团队来处理。
撤销管理：证书撤销列表（CRL）或在线证书状态协议（OCSP）响应可以由中间证书维护，这样可以减少根CA的负载，并且可以更频繁地更新撤销信息。
性能优化：在验证证书路径时，中间证书可以减少需要处理的证书数量，从而提高验证过程的效率。
法律和合规性：在某些情况下，中间证书可以用来满足特定的法律或合规性要求，例如在不同的法律管辖区签发证书。

总之，中间证书是PKI中的一个重要组件，它提供了一种有效的方式来增强安全性、灵活性和可管理性。

2 基于OpenSSL生成根证书、中间证书、目标证书，并进行签名和验签

2.1 生成证书和签名验签命令和流程图

生成根证书、中间证书、目标证书，然后签名和验签流程如下：

# 生成根证书
openssl genrsa -out rootCA.key 2048
openssl req -new -key rootCA.key -out rootCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=IT Department/CN=rootCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in rootCA.csr -signkey rootCA.key -out rootCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 生成中间证书
openssl genrsa -out intermediateCA.key 2048
openssl req -new -key intermediateCA.key -out intermediateCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=Intermediate CA/CN=intermediateCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in intermediateCA.csr -CA rootCA.cer -CAkey rootCA.key -CAcreateserial -out intermediateCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 生成目标证书
openssl genrsa -out targetCA.key 2048
openssl req -new -key targetCA.key -out targetCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=Target CA/CN=targetCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in targetCA.csr -CA intermediateCA.cer -CAkey intermediateCA.key -CAcreateserial -out targetCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 校验中间证书
openssl verify -CAfile rootCA.cer intermediateCA.cer

# 校验目标证书
openssl verify -CAfile rootCA.cer -untrusted intermediateCA.cer targetCA.cer

#签名、提取公钥、验签
openssl dgst -sha256 -sign targetCA.key -out signature.sig data
openssl x509 -pubkey -noout -in targetCA.cer > targetCA_pub.key
openssl dgst -sha256 -verify targetCA_pub.key -signature signature.sig data

流程如大致如下：

2.2 命令流程的详细解释

A 生成根证书 (Root CA)

A.1 Root CA生成私钥

openssl genrsa -out rootCA.key 2048

这条命令生成一个2048位的私钥，并将其保存到 `rootCA.key` 文件中。

A.2 创建证书签名请求 (CSR)

openssl req -new -key rootCA.key -out rootCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=IT Department/CN=rootCA.example.com"

使用私钥创建一个证书签名请求（CSR），并指定证书的主题信息。

A.3 自签名根证书

openssl x509 -req -days 3650 -in rootCA.csr -signkey rootCA.key -out rootCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

使用私钥对CSR进行签名，生成一个有效期为10年（3650天）的自签名根证书，并设置必要的扩展。

B 生成中间证书 (Intermediate CA)

B.1 生成私钥

openssl genrsa -out intermediateCA.key 2048

B.2 创建CSR

openssl req -new -key intermediateCA.key -out intermediateCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=Intermediate CA/CN=intermediateCA.example.com"

B.3 将csr文件传到Root CA，使用Root CA私钥签名中间证书

openssl x509 -req -days 3650 -in intermediateCA.csr -CA rootCA.cer -CAkey rootCA.key -CAcreateserial -out intermediateCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

使用根证书的私钥对中间CA的CSR进行签名，生成中间证书。

C 生成目标证书 (Target CA)

C.1 生成私钥

openssl genrsa -out targetCA.key 2048

C.2 创建CSR

openssl req -new -key targetCA.key -out targetCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=Target CA/CN=targetCA.example.com"

C.3 将csr文件传到Intermediate CA，使用Intermediate CA的私钥签名目标证书

openssl x509 -req -days 3650 -in targetCA.csr -CA intermediateCA.cer -CAkey intermediateCA.key -CAcreateserial -out targetCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

使用中间CA的私钥对目标CA的CSR进行签名，生成目标证书。

D 校验中间证书

openssl verify -CAfile rootCA.cer intermediateCA.cer

使用根证书来验证中间证书的有效性。

E 校验目标证书

openssl verify -CAfile rootCA.cer -untrusted intermediateCA.cer targetCA.cer

使用根证书和中间证书（作为不信任的CA）来验证目标证书的有效性。

F 签名、提取公钥、验签

F.1 签名

openssl dgst -sha256 -sign targetCA.key -out signature.sig data

使用目标CA的私钥对数据文件data进行SHA-256哈希签名，并将签名保存到signature.sig。

F.2 提取公钥

openssl x509 -pubkey -noout -in targetCA.cer > targetCA_pub.key

从目标CA证书中提取公钥，并保存到targetCA_pub.key文件。

F.3 验签

openssl dgst -sha256 -verify targetCA_pub.key -signature signature.sig data

使用目标CA的公钥验证签名文件signature.sig是否与数据文件data匹配。

3 证书信息查看

使用openssl x509 -in rootCA.cer -text -noout查看rootCA.cer：

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)--证书的版本号。版本 3 表示这是一个 X.509v3 证书，它支持更多的扩展和属性。
        Serial Number:--证书的唯一序列号，用于识别证书。序列号通常是一个大整数，这里显示为一个长串的十六进制数。
            64:16:73:c6:33:09:b8:25:fc:b8:5d:54:19:9c:6a:a7:05:3a:90:3f
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption--证书的签名算法。
        Issuer: C = CN, ST = Beijing, L = Beijing, O = Example Company, OU = IT Department, CN = rootCA.example.com--证书的颁发者信息。
        Validity--证书的有效期，包含开始日期（Not Before）和结束日期（Not After）。
            Not Before: Sep  7 02:44:12 2024 GMT
            Not After : Sep  5 02:44:12 2034 GMT
        Subject: C = CN, ST = Beijing, L = Beijing, O = Example Company, OU = IT Department, CN = rootCA.example.com
        Subject Public Key Info:--证书持有者的公钥信息。
            Public Key Algorithm: rsaEncryption--公钥算法的标识符，这里是 RSA 加密。
                Public-Key: (2048 bit)--公钥长度。
                Modulus:--RSA公钥的模数，是一个大整数。
                    00:a4:91:99:d5:b6:b2:1d:6c:2b:6d:d5:a5:99:0d:
...
                    e3:e7
                Exponent: 65537 (0x10001)--RSA公钥的指数，通常为655370x10001），这是一个常用的公共指数。
        X509v3 extensions:--X.509 v3证书扩展，提供了额外的信息。
            X509v3 Subject Key Identifier:
                74:7C:59:8C:E9:19:37:D8:C4:A3:E0:BE:01:3F:83:2E:21:1D:CF:0B
            X509v3 Authority Key Identifier:
                74:7C:59:8C:E9:19:37:D8:C4:A3:E0:BE:01:3F:83:2E:21:1D:CF:0B
            X509v3 Basic Constraints: critical--基本约束，指明证书是否是CA证书。
                CA:TRUE
            X509v3 Key Usage: critical--密钥用途，指明公钥可以用于哪些操作，如数字签名或证书签名。
                Digital Signature, Certificate Sign
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
    Signature Value:--证书的数字签名值，它是使用颁发者的私钥对证书信息进行加密后的结果。签名值用于验证证书的真实性。
        18:50:75:92:ad:f3:5f:5c:9b:27:58:9e:32:5b:84:07:ff:b4:
...
        f5:64:a9:5a

将rootCA.cer、intermediateCA.cer、targetCA.cer安装到Windwos后形成证书链：

4 基于SM2、SM3生成证书链并进行签名和验签

将RSA/SHA256替换成SM2/SM3创建证书链和签名验签如下：

# 生成根证书
openssl ecparam -genkey -name SM2 -param_enc explicit -outform pem -out rootCA.key
openssl req -new -key rootCA.key -out rootCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=IT Department/CN=rootCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in rootCA.csr -signkey rootCA.key -out rootCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 生成中间证书
openssl ecparam -genkey -name SM2 -param_enc explicit -outform pem -out intermediateCA.key
openssl req -new -key intermediateCA.key -out intermediateCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=Intermediate CA/CN=intermediateCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in intermediateCA.csr -CA rootCA.cer -CAkey rootCA.key -CAcreateserial -out intermediateCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 生成目标证书
openssl ecparam -genkey -name SM2 -param_enc explicit -outform pem -out targetCA.key
openssl req -new -key targetCA.key -out targetCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=Target CA/CN=targetCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in targetCA.csr -CA intermediateCA.cer -CAkey intermediateCA.key -CAcreateserial -out targetCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 校验中间证书
openssl verify -CAfile rootCA.cer intermediateCA.cer

# 校验目标证书
openssl verify -CAfile rootCA.cer -untrusted intermediateCA.cer targetCA.cer

#签名、提取公钥、验签
openssl dgst -sm3 -sign targetCA.key -out signature.sig data
openssl x509 -pubkey -noout -in targetCA.cer > targetCA_pub.key
openssl dgst -sm3 -verify targetCA_pub.key -signature signature.sig data

根证书、中间证书使用RSA/SHA256，目标证书使用SM2/SM3生成证书链，然后使用SM2/SM3进行签名和验签（根证书、中间证书、目标证书都是经过RSA/SHA56签名的；根证书、中间证书的公钥是RSA，目标证书中的公钥是SM2）：

# 生成根证书
openssl genrsa -out rootCA.key 2048
openssl req -new -key rootCA.key -out rootCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=IT Department/CN=rootCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in rootCA.csr -signkey rootCA.key -out rootCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 生成中间证书
openssl genrsa -out intermediateCA.key 2048
openssl req -new -key intermediateCA.key -out intermediateCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=Intermediate CA/CN=intermediateCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in intermediateCA.csr -CA rootCA.cer -CAkey rootCA.key -CAcreateserial -out intermediateCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 生成目标证书
openssl ecparam -genkey -name SM2 -param_enc explicit -outform pem -out targetCA.key
openssl req -new -key targetCA.key -out targetCA.csr -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Example Company/OU=Target CA/CN=targetCA.example.com"
openssl x509 -req -days 3650 -in targetCA.csr -CA intermediateCA.cer -CAkey intermediateCA.key -CAcreateserial -out targetCA.cer -extensions v3_ca -extfile <( cat <<-EOF
[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, keyCertSign
EOF
)

# 校验中间证书
openssl verify -CAfile rootCA.cer intermediateCA.cer

# 校验目标证书
openssl verify -CAfile rootCA.cer -untrusted intermediateCA.cer targetCA.cer

#签名、提取公钥、验签
openssl dgst -sm3 -sign targetCA.key -out signature.sig data
openssl x509 -pubkey -noout -in targetCA.cer > targetCA_pub.key
openssl dgst -sm3 -verify targetCA_pub.key -signature signature.sig data

经由SM2/SM3生成的证书信息如下：

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            ...
        Signature Algorithm: SM2-with-SM3--这里使用的是中国国家密码管理局推荐的SM2椭圆曲线算法和SM3哈希算法。
        Issuer: C = CN, ST = Beijing, L = Beijing, O = Example Company, OU = IT Department, CN = rootCA.example.com
        Validity
            Not Before: Sep 14 06:53:23 2024 GMT
            Not After : Sep 12 06:53:23 2034 GMT
        Subject: C = CN, ST = Beijing, L = Beijing, O = Example Company, OU = IT Department, CN = rootCA.example.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: id-ecPublicKey--公钥算法的标识符，这里是椭圆曲线公钥（EC）。
                Public-Key: (256 bit)
                pub:
                    ...
                Field Type: prime-field--椭圆曲线的字段类型，这里是素数字段（prime-field）。
                Prime:--素数 p，用于定义椭圆曲线。
                    ...
                A:--椭圆曲线方程 y^2 = x^3 + Ax + B 的系数。
                    ...
                B:
                    ...
                Generator (uncompressed):--椭圆曲线的基点（generator point），用于生成密钥对。
                    ...
                Order:--基点的阶数，表示生成密钥对时可用的密钥数量。
                    ...
                Cofactor:  1 (0x1)--椭圆曲线的配数，用于某些特殊的加密算法。
        X509v3 extensions:
            X509v3 Subject Key Identifier:
                ...
            X509v3 Authority Key Identifier:
                ...
            X509v3 Basic Constraints: critical
                CA:TRUE
            X509v3 Key Usage: critical
                Digital Signature, Certificate Sign
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption--签名算法再次声明，强调证书的签名是使用了RSA加密技术和SHA-256哈希算法生成的。
    Signature Value:
        ...

参考文档《OpenSSL生成SM2证书链 | 生如夏花的博客 (blduan.top)》。

posted on 2024-09-08 23:59 ArnoldLu 阅读(60) 评论(0) 编辑收藏举报

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Arnold Lu@南京