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X509PKCS文件格式介绍

jiezi

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 <cert> \
  -inkey <private-key> \
  -name my-cert \
  -caname my-ca-root \
  -CAfile <ca-cert> \
  -chain
  -out <pkcs-file>

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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