X.509 概述

参考：
Wiki，X.509
RFC，5280
Arthurchiao 博客，[译] 写给工程师：关于证书（certificate）和公钥基础设施（PKI）的一切（SmallStep, 2018）
RFC 5280，Internet X.509 PKI 证书和 CRL 配置文件

X.509 是 Cryptography 里定义公钥证书格式的标准。X.509 格式的证书已应用在包括 TSL/SSL 在内的众多网络协议里，它是 HTTPS 的基础。

在大部分时候，人们提到证书而没有加额外的限定词时，通常都是指 X.509 v3 证书。

更准确的说，是 RFC 5280 中描述、 CA/Browser Forum Baseline Requirements中进一步完善的 PKIX 变种。
也可以说，指的是浏览器理解并用来做 HTTPS 的那些证书。
也是那些具有通过 HTTP + TLS 协议交互的程序们所使用的证书

当然，全世界并不是只有 X.509 这一种格式，SSH 和 PGP 都有其各自的格式。

X.509 在 1988 年作为 ITU(国际电信联盟) X.500 项目的一部分首次标准化。这是 telecom(通信) 领域的标准，想通过它构建一个 global telephone book(全球电话簿)。虽然这个项目没有成功，但却留下了一些遗产，X.509 就是其中之一。如果查看 X.509 的证书，会看到其中包含了 locality、state、country 等信息，之前可能会有疑问为什么为 web 设计的证书会有这些东西，现在应该明白了，因为 X.509 并不是为 web 设计的。

图片补充：可以说 Subject 其实就是符合 Distinguished Name(专有名称，简称 DN) 的规范，只不过 Subject 只是包含了 DN 中的部分字段罢了。也可以说，Subject 是符合 X.509 标准的 DN。

X.509 证书的格式

image.png|800

Certificate(OBJECT)

Data(OBJECT)# 证书的数据
- Version: STRING # 版本号
- Serial Number: STRING# 序列号
- Signature Algorithm: STRING # 签名算法
- Issuer: STRING # 发行人名称，也就是这个证书的签发者。
- Validity(OBJECT)# 有效期
  - Not Before: STRING# 不能早于该日期。即证书从本日期开始生效
  - Not After: STRING# 不能晚于该日期。即证书到本日期为止失效
- Subject: STRING# 主体信息。如何 X.509 规范的 Distinguished Name。
  - 对于 CA 证书来说， Subject 与 Issuer 的值相同。
- Subject Public Key Info:# 主体的公钥信息
  - Public Key Algorithm: STRING# 公钥算法
  - 主体的公钥
- Issuer Unique Identifier: # 颁发者唯一身份信息（可选项）
- Subject Unique Identifier: # 主体唯一身份信息（可选项）
- Extensions(OBJECT) # 扩展信息（可选项）
  - ……
  - X509v3 Subject Alternative Name: # SAN 信息。常用来作为该证书的名称。
  - ……
Signature Algorithm: STRING# 证书签名算法
证书签名

证书的 Issuer 和证书的 Subject 用 X.509 DN 表示，DN 是由 RDN 构成的序列。RDN 用“属性类型=属性值”的形式表示。常用的属性类型名称以及简写如下：

属性类型名称	含义	简写
Common Name	通用名称	CN
Organizational Unit name	机构单元名称	OU
Organization name	机构名	O
Locality	地理位置	L
State or province name	州/省名	S
Country	国名	C

DN 与 SAN 命名的历史包袱

DN (distinguished names)

历史上，X.509 使用 X.500 distinguished names (DN) 来命名证书的使用者（name the subject of a certificate），即 subscriber。一个 DN 包含了一个 common name （对作者我来说，就是 “Mike Malone”），此外还可以包含 locality、country、organization、organizational unit 及其他一些东西（数字电话簿相关）。

没人理解 DN，它在互联网上也没什么意义。
应该避免使用 DN。如果真的要用，也要尽量保持简单。
无需使用全部字段，实际上，也不应该使用全部字段。
common name 可能就是需要用到的全部字段了，如果你是一个 thrill seeker ，可以在用上一个 organization name。

PKIX 规定一个网站的 DNS hostname 应该关联到 DN common name。最近，CAB Forum 已经废弃了这个规定，使整个 DN 字段变成可选的（Baseline Requirements, sections 7.1.4.2）。

SAN (subject alternative name)

在 RFC 5280 的 4.2.1.6 部分中，推荐的现代最佳实践是使用 证书扩展中的 subject alternative name(SAN) 来绑定证书中的 name。

常用的 SAN 有四种类型，绑定的都是广泛使用的名字：

domain names (DNS)
email addresse
IP addresse
URI

在我们讨论的上下文中，这些都是唯一的，而且它们能很好地映射到我们想识别的东西：

email addresses for people
domain names and IP addresses for machines and code,
URIs if you want to get fancy

应该使用 SAN。

image.png|800

注意，Web PKI 允许在一个证书内 bind 多个 name，name 也允许通配符。也就是说，

一个证书可以有多个 SNA，也可以有类似 *.smallstep.com 这样的 SAN。
这对有多个域名的的网站来说很有用。

证书扩展名与编码

通常，为了便于传输，需要为证书进行编码。就好比传输 JSON 数据时，也需要对其进行编码，收到后再解码。

一般情况下，X.509 格式证书的原始数据，会使用 ASN.1 的 DER 进行编码，将编码后的二进制数据再使用根据 PEM 格式使用 Base64 编码，然后就会生成 PEM 格式的证书数据，实际上，所谓的 X.509 格式的文件，其实就是具有 CERTIFICATE 标志的 PEM 格式文件。

可以将 ASN.1 理解成 X.509 的 JSON
但是实际上，更像是 protobuf、thrift 或 SQL DDL。说白了就是通过一种算法，将人类可读的明文的证书编码成另一种便于传输的格式。

OID

ASN.1 除了有常见的数据类型，如整形、字符串、集合、列表等，还有一个不常见但很重要的类型：OID（object identifier，对象标识符）。

OID 与 URI 有些像，但比 URI 要怪。
OID （在设计上）是全球唯一标识符。
在结构上，OID 是在一个 hierarchical namespace 中的一个整数序列（例如 2.5.4.3）。

可以用 OID 来 tag 一段数据的类型。例如，一个 string 本来只是一个 string，但可以 tag 一个 OID 2.5.4.3，然后就变成了一个特殊 string：这是 X.509 的通用名字（common name） 字段。

证书的扩展名

X.509 有多种常用的扩展名。不过其中的一些还用于其它用途，就是说具有这个扩展名的文件可能并不是证书，比如说可能只是保存了私钥。

.pem # 将使用 DER 格式编码的内容，再通过 PEM 进行 Base64 编码，得出来的数据存放在"—–BEGIN CERTIFICATE—–“和”—–END CERTIFICATE—–“之中
.cer, .crt, .der – 通常是 DER 二进制格式的，但 Base64 编码后也很常见。
.p7b, .p7c – PKCS#7 SignedData structure without data, just certificate(s) or CRL(s)
.p12 – PKCS#12 格式，包含证书的同时可能还有带密码保护的私钥
.pfx – PFX，PKCS#12 之前的格式（通常用 PKCS#12 格式，比如那些由 IIS 产生的 PFX 文件）

更多的编码信息见：密钥_证书的编码

证书示例

终端实体证书

这是 wikipedia.org 和其他几个维基百科网站使用的解码 X.509 证书的示例。它由 GlobalSign 颁发，如 Issuer 字段中所述。它的 Subject 字段将维基百科描述为一个组织，它的 Subject Alternative Name 字段描述了可以使用它的域名。主题公钥信息字段包含一个ECDSA公钥，而底部的签名是由 GlobalSign 的RSA私钥生成的。

Certificate:
    Data:
        # 证书版本
        Version: 3 (0x2)
        # 序列号
        Serial Number:
            10:e6:fc:62:b7:41:8a:d5:00:5e:45:b6
        # 证书的签名算法
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        # 证书的颁发者信息。CA 证书的 Issuer 与 Subject 相同
        Issuer: C=BE, O=GlobalSign nv-sa, CN=GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2
        # 证书有效期
        Validity
            Not Before: Nov 21 08:00:00 2016 GMT
            Not After : Nov 22 07:59:59 2017 GMT
        # 证书主体信息。i.e.该证书颁发给谁
        Subject: C=US, ST=California, L=San Francisco, O=Wikimedia Foundation, Inc., CN=*.wikipedia.org
        # 证书公钥信息
        Subject Public Key Info:
            # 证书主体的公钥算法
            Public Key Algorithm: id-ecPublicKey
                Public-Key: (256 bit)
            pub:
                    00:c9:22:69:31:8a:d6:6c:ea:da:c3:7f:2c:ac:a5:
                    af:c0:02:ea:81:cb:65:b9:fd:0c:6d:46:5b:c9:1e:
                    9d:3b:ef
                ASN1 OID: prime256v1
                NIST CURVE: P-256
        # X509 v3版本的扩展信息
        X509v3 extensions:
            # 密钥用法：critical级别。包括数字签名、密钥加密
            X509v3 Key Usage: critical
                Digital Signature, Key Agreement
            Authority Information Access:
                CA Issuers - URI:http://secure.globalsign.com/cacert/gsorganizationvalsha2g2r1.crt
                OCSP - URI:http://ocsp2.globalsign.com/gsorganizationvalsha2g2
            X509v3 Certificate Policies:
                Policy: 1.3.6.1.4.1.4146.1.20
                  CPS: https://www.globalsign.com/repository/
                Policy: 2.23.140.1.2.2
            X509v3 Basic Constraints:
                CA:FALSE
            X509v3 CRL Distribution Points:
                Full Name:
                  URI:http://crl.globalsign.com/gs/gsorganizationvalsha2g2.crl
            # 证书主体名称的替代名称。i.e.别名
            X509v3 Subject Alternative Name:
                DNS:*.wikipedia.org, DNS:*.m.mediawiki.org, DNS:*.m.wikibooks.org, DNS:*.m.wikidata.org, DNS:*.m.wikimedia.org, DNS:*.m.wikimediafoundation.org, DNS:*.m.wikinews.org, DNS:*.m.wikipedia.org, DNS:*.m.wikiquote.org, DNS:*.m.wikisource.org, DNS:*.m.wikiversity.org, DNS:*.m.wikivoyage.org, DNS:*.m.wiktionary.org, DNS:*.mediawiki.org, DNS:*.planet.wikimedia.org, DNS:*.wikibooks.org, DNS:*.wikidata.org, DNS:*.wikimedia.org, DNS:*.wikimediafoundation.org, DNS:*.wikinews.org, DNS:*.wikiquote.org, DNS:*.wikisource.org, DNS:*.wikiversity.org, DNS:*.wikivoyage.org, DNS:*.wiktionary.org, DNS:*.wmfusercontent.org, DNS:*.zero.wikipedia.org, DNS:mediawiki.org, DNS:w.wiki, DNS:wikibooks.org, DNS:wikidata.org, DNS:wikimedia.org, DNS:wikimediafoundation.org, DNS:wikinews.org, DNS:wikiquote.org, DNS:wikisource.org, DNS:wikiversity.org, DNS:wikivoyage.org, DNS:wiktionary.org, DNS:wmfusercontent.org, DNS:wikipedia.org
            # 扩展密钥用法
            X509v3 Extended Key Usage:
                TLS Web Server Authentication, TLS Web Client Authentication
            X509v3 Subject Key Identifier:
                28:2A:26:2A:57:8B:3B:CE:B4:D6:AB:54:EF:D7:38:21:2C:49:5C:36
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:96:DE:61:F1:BD:1C:16:29:53:1C:C0:CC:7D:3B:83:00:40:E6:1A:7C
    # 证书的签名算法及其标识符
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         8b:c3:ed:d1:9d:39:6f:af:40:72:bd:1e:18:5e:30:54:23:35:
         ...

中级证书

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            04:00:00:00:00:01:44:4e:f0:42:47
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=BE, O=GlobalSign nv-sa, OU=Root CA, CN=GlobalSign Root CA
        Validity
            Not Before: Feb 20 10:00:00 2014 GMT
            Not After : Feb 20 10:00:00 2024 GMT
        Subject: C=BE, O=GlobalSign nv-sa, CN=GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:c7:0e:6c:3f:23:93:7f:cc:70:a5:9d:20:c3:0e:
                    ...
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:
            X509v3 Key Usage: critical
                Certificate Sign, CRL Sign
            X509v3 Basic Constraints: critical
                CA:TRUE, pathlen:0
            X509v3 Subject Key Identifier:
                96:DE:61:F1:BD:1C:16:29:53:1C:C0:CC:7D:3B:83:00:40:E6:1A:7C
            X509v3 Certificate Policies:
                Policy: X509v3 Any Policy
                  CPS: https://www.globalsign.com/repository/

            X509v3 CRL Distribution Points:

                Full Name:
                  URI:http://crl.globalsign.net/root.crl

            Authority Information Access:
                OCSP - URI:http://ocsp.globalsign.com/rootr1

            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:60:7B:66:1A:45:0D:97:CA:89:50:2F:7D:04:CD:34:A8:FF:FC:FD:4B

    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         46:2a:ee:5e:bd:ae:01:60:37:31:11:86:71:74:b6:46:49:c8:
         ...

根证书

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            04:00:00:00:00:01:15:4b:5a:c3:94
        Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption
        Issuer: C=BE, O=GlobalSign nv-sa, OU=Root CA, CN=GlobalSign Root CA
        Validity
            Not Before: Sep  1 12:00:00 1998 GMT
            Not After : Jan 28 12:00:00 2028 GMT
        Subject: C=BE, O=GlobalSign nv-sa, OU=Root CA, CN=GlobalSign Root CA
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:da:0e:e6:99:8d:ce:a3:e3:4f:8a:7e:fb:f1:8b:
                    ...
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:
            X509v3 Key Usage: critical
                Certificate Sign, CRL Sign
            X509v3 Basic Constraints: critical
                CA:TRUE
            X509v3 Subject Key Identifier:
                60:7B:66:1A:45:0D:97:CA:89:50:2F:7D:04:CD:34:A8:FF:FC:FD:4B
    Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption
         d6:73:e7:7c:4f:76:d0:8d:bf:ec:ba:a2:be:34:c5:28:32:b5:
         ...

X.509 格式证书数据示例

PEM 格式数据

从 -----BEGIN CERTIFICATE----- 开始到 -----END CERTIFICATE----- 为止是证书的明文格式经过 ASN.1 编码再经过 Base64 编码得到的。

对于私钥文件，真正的私钥是包含在字符串 -----BEGIN PRIVATE KEY----- 和字符串 -----END PRIVATE KEY----- 之间。

原始数据

~]# openssl x509 -text -noout -in apiserver.crt
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)                            # 证书版本
        Serial Number: 0 (0x0)                      # 序列号
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption    # 证书的签名算法
        Issuer: CN=kubernetes                       # 证书的颁发者信息。CA证书的Issuer与Subject相同
        Validity                                    # 证书有效期
            Not Before: Nov 20 08:45:23 2019 GMT
            Not After : Nov 17 08:45:23 2029 GMT
        Subject: CN=kube-apiserver                  # 证书主体信息。i.e.该证书颁发给谁
        Subject Public Key Info:                    # 证书公钥信息
            Public Key Algorithm: rsaEncryption     # 证书主体的公钥算法
                Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:c7:2e:02:61:db:b0:24:db:22:aa:46:94:de:7e:
                    .......
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:                          # X509 v3版本的扩展信息
            X509v3 Key Usage: critical              # 密钥用法：critical级别。包括数字签名、密钥加密
                Digital Signature, Key Encipherment
            X509v3 Extended Key Usage:              # 扩展密钥用法
                TLS Web Server Authentication
            X509v3 Subject Alternative Name:        # 证书主体名称的替代名称。i.e.别名
                DNS:master-1.k8s.cloud.tjiptv.net, DNS:kubernetes, DNS:kubernetes.default, DNS:kubernetes.default.svc, DNS:kubernetes.default.svc.cluster.local, IP Address:10.96.0.1, IP Address:10.10.9.51, IP Address:10.10.9.54
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption    # 证书的签名算法及其标识符
         47:38:42:cf:02:85:71:49:ac:19:9c:ba:3a:f3:74:c3:4b:09:
         .....

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最后修改 April 4, 2024: update, network analysis (fc1713e1)