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X.509、PKCS文件格式介绍

ASN.1 - 数据结构描述语言

引用自Wiki：

ASN.1 is a standard interface description language for defining data structures that can be serialized and deserialized in a cross-platform way.

也就是说ASN.1是一种用来定义数据结构的接口描述语言，它不是二进制，也不是文件格式，看下面的例子你就会明白了：

FooQuestion ::= SEQUENCE {
    trackingNumber INTEGER,
    question       IA5String
}

这段代码定义了FooQuestion的数据结构，下面是FooQuestion这个数据接口的某个具体的数据：

myQuestion FooQuestion ::= SEQUENCE {
    trackingNumber     5,
    question           "Anybody there?"
}

ASN.1用在很多地方比如下面要讲的X.509和PKCS group of cryptography standards。

文件编码格式

DER编码格式

引用自Wiki：

ASN.1 is closely associated with a set of encoding rules that specify how to represent a data structure as a series of bytes

意思是ASN.1有一套关联的编码规则，这些编码规则用来规定如何用二进制来表示数据结构，DER是其中一种。

把上面的FooQuestion的例子用DER编码则是（16进制）：

30 13 02 01 05 16 0e 41 6e 79 62 6f 64 79 20 74 68 65 72 65 3f

翻译过来就是：

30 — type tag indicating SEQUENCE
13 — length in octets of value that follows
  02 — type tag indicating INTEGER
  01 — length in octets of value that follows
    05 — value (5)
  16 — type tag indicating IA5String 
     (IA5 means the full 7-bit ISO 646 set, including variants, 
      but is generally US-ASCII)
  0e — length in octets of value that follows
    41 6e 79 62 6f 64 79 20 74 68 65 72 65 3f — value ("Anybody there?")

看到这里你应该对DER编码格式有一个比较好的认识了。

PEM编码格式

引用自Wiki：

Privacy-Enhanced Mail (PEM) is a de facto file format for storing and sending cryptographic keys, certificates, and other data, based on a set of 1993 IETF standards defining "privacy-enhanced mail."

PEM是一个用来存储和发送密码学key、证书和其他数据的文件格式的事实标准。许多使用ASN.1的密码学标准（比如X.509和PKCS）都使用DER编码，而DER编码的内容是二进制的，不适合与邮件传输（早期Email不能发送附件），因此使用PEM把二进制内容转换成ASCII码。文件内容的格式像下面这样：

-----BEGIN label-----
BASE64Encoded
-----END label-----

label用来区分内容到底是什么类型，下面会讲。

和PEM相关的RFC有很多，与本文内容相关的则是RFC7468，这里面规定了很多label，不过要注意不是所有label都会有对应的RFC或Specification，这些label只是一种约定俗成。

PEM实际上就是把DER编码的文件的二进制内容用base64编码一下，然后加上-----BEGIN label-----这样的头和-----END label-----这样的尾，中间则是DER文件的Base64编码。

我们可以通过下面的方法验证这个结论，先生成一个RSA Private Key，编码格式是PEM格式：

openssl genrsa -out key.pem

查看一下文件内容，可以看到label是RSA PRIVATE KEY：

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
BASE64Encoded
-----END RSA PRIVATE KEY-----

然后我们把PEM格式转换成DER格式：

openssl rsa -in key.pem -outform der -out key.der

如果你这个时候看一下文件内容会发现都是二进制。然后我们把DER文件的内容Base64一下，会看到内容和PEM文件一样（忽略头尾和换行）：

base64 -i key.der -o key.der.base64

证书、密码学Key格式

上面讲到的PEM是对证书、密码学Key文件的一种编码方式，下面举例这些证书、密码学Key文件格式：

X.509证书

引用自Wiki ：

In cryptography, X.509 is a standard defining the format of public key certificates. X.509 certificates are used in many Internet protocols, including TLS/SSL, which is the basis for HTTPS, the secure protocol for browsing the web.

X.509是一个Public Key Certificates的格式标准，TLS/SSL使用它，TLS/SSL是HTTPS的基础所以HTTPS也使用它。而所谓Public Key Certificates又被称为Digital Certificate 或 Identity Certificate。

An X.509 certificate contains a public key and an identity (a hostname, or an organization, or an individual), and is either signed by a certificate authority or self-signed.

一个X.509 Certificate包含一个Public Key和一个身份信息，它要么是被CA签发的要么是自签发的。

下面这种张图就是一个X.509 Certificate：

事实上X.509 Certificate这个名词通常指代的是IETF的PKIX Certificate和CRL Profile，见RFC5280。所以当你看到PKIX Certificate字样的时候可以认为就是X.509 Certificate。

PKCS系列

引用自Wiki：

In cryptography, PKCS stands for "Public Key Cryptography Standards"

前面提到的X.509是定义Public Key Certificates的格式的标准，看上去和PKCS有点像，但实际上不同，PKCS是Public Key密码学标准。此外Public-Key Cryptography虽然名字看上去只涉及Public Key，实际上也涉及Priviate Key，因此PKCS也涉及Private Key。

PKCS一共有15个标准编号从1到15，这里只挑讲PKCS #1、PKCS #8、PKCS #12。

PKCS #1

PKCS #1，RSA Cryptography Standard，定义了RSA Public Key和Private Key数学属性和格式，详见RFC8017。

PKCS #8

PKCS #8，Private-Key Information Syntax Standard，用于加密或非加密地存储Private Certificate Keypairs（不限于RSA），详见RFC5858。

PKCS #12

PKCS #12定义了通常用来存储Private Keys和Public Key Certificates（例如前面提到的X.509）的文件格式，使用基于密码的对称密钥进行保护。注意上述Private Keys和Public Key Certificates是复数形式，这意味着PKCS #12文件实际上是一个Keystore，PKCS #12文件可以被用做Java Key Store（JKS），详见RFC7292。

如果你用自己的CA所签发了一个证书，运行下列命令可以生成PKCS #12 keystore：

openssl pkcs12 -export \
  -in  \
  -inkey  \
  -name my-cert \
  -caname my-ca-root \
  -CAfile  \
  -chain
  -out

PKCS #12一般不导出PEM编码格式。

PEM格式速查

当你不知道你的PEM文件内容是什么格式的可以根据下面查询。

X.509 Certificate

RFC7468 - Textual Encoding of Certificates

-----BEGIN CERTIFICATE-----
BASE64Encoded
-----END CERTIFICATE-----

X.509 Certificate Subject Public Key Info

RFC7468 - Textual Encoding of Subject Public Key Info

-----BEGIN PUBLIC KEY-----
BASE64Encoded
-----END PUBLIC KEY-----

PKCS #1 Private Key

没有RFC或权威Specification，该格式有时候被称为traditional format、SSLeay format（见SO）

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
BASE64Encoded
-----END RSA PRIVATE KEY-----

PKCS #1 Public Key

同上没有RFC或权威Specification

-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----
BASE64Encoded
-----END RSA PUBLIC KEY-----

PKCS #8 Unencrypted Private Key

RFC7468 - One Asymmetric Key and the Textual Encoding of PKCS #8 Private Key Info

-----BEGIN PRIVATE KEY-----
BASE64Encoded
-----END PRIVATE KEY-----

PKCS #8 Encrypted Private Key

RFC7468 - Textual Encoding of PKCS #8 Encrypted Private Key Info

-----BEGIN ENCRYPTED PRIVATE KEY-----
BASE64Encoded
-----END ENCRYPTED PRIVATE KEY-----

Private Key操作命令

生成

生成PKCS #1格式的RSA Private Key

openssl genrsa -out private-key.p1.pem 2048

转换

PKCS #1 -> Unencrypted PKCS #8

openssl pkcs8 -topk8 -in private-key.p1.pem -out private-key.p8.pem -nocrypt

PKCS #1 -> Encrypted PKCS #8

openssl pkcs8 -topk8 -in private-key.p1.pem -out private-key.p8.pem

过程中会让你输入密码，你至少得输入4位，所以PKCS #8相比PKCS #1更安全。

PKCS #8 -> PKCS #1

openssl rsa -in private-key.p8.pem -out private-key.p1.pem

如果这个PKCS #8是加密的，那么你得输入密码。

Public Key操作命令

从PKCS #1/#8提取

提取指的是从Private Key中提取Public Key，openssl rsa同时支持PKCS #1和PKCS #8的RSA Private Key，唯一的区别是如果PKCS #8是加密的，会要求你输入密码。

提取X.509格式RSA Public Key

openssl rsa -in private-key.pem -pubout -out public-key.x509.pem

提取PKCS #1格式RSA Public Key

openssl rsa -in private-key.pem -out public-key.p1.pem -RSAPublicKey_out

从X.509证书提取

openssl x509 -in cert.pem -pubkey -noout > public-key.x509.pem

转换

X.509 RSA Public Key -> PKCS #1 RSA Public Key

openssl rsa -pubin -in public-key.x509.pem -RSAPublicKey_out -out public-key.p1.pem

PKCS #1 RSA Public Key -> X.509 RSA Public Key

openssl rsa -RSAPublicKey_in -in public-key.p1.pem -pubout -out public-key.x509.pem

参考资料

  • OpenSSL Cookbook，一本免费介绍OpenSSL的电子书
  • PKCS #1, PKCS #8, X.509，提供了很多格式转换的例子

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