# 認識 PKI 架構下的數位憑證格式與憑證格式轉換的心得分享 數位憑證相關的知識真的頗為複雜，以前對這方面的理解都過於片段，上網找到的文章資料就算真的將命令打對了，要嘛沒有講解為什麼，要嘛就是在觀念講解的部分不夠清楚，或是內文描述有許多謬誤之處，以至於每次遇到憑證問題都深感信心不足。我最近又多花了些時間研究，這次對整個數位憑證架構總算有點理解，今天這篇文章主要想來介紹關於憑證格式方面的觀念。 在了解憑證格式之前，建議各位先行 [瞭解公開金鑰加密](https://technet.microsoft.com/zh-tw/library/aa998077\(v=exchg.65\).aspx) (Public Key Cryptography) 與 [瞭解數位憑證](https://technet.microsoft.com/zh-tw/library/bb123848\(v=exchg.65\).aspx) (Digital Certificates) 的基本觀念，這部分的知識與觀念是幫助你理解 [公開金鑰基礎建設](https://zh.wikipedia.org/wiki/公開金鑰基礎建設) ([Public Key Infrastructure](https://en.wikipedia.org/wiki/Public_key_infrastructure)) (PKI) 的基石。 簡單來說，PKI 基礎建設包含了： - A *[**certificate authority**](https://en.wikipedia.org/wiki/Certificate_authority)* (CA) that stores, issues and signs the digital certificates 一個 **憑證授權單位** (CA)，用來儲存、發行、簽署數位憑證。 - A ***registration authority*** which verifies the identity of entities requesting their digital certificates to be stored at the CA 一個 **註冊機構** (RA)，用來驗證申請憑證的實體身分 (個人、法人、應用程式、...)。 - A ***central directory***—i.e., a secure location in which to store and index keys 一個 **中央目錄**，用來儲存金鑰與檢索金鑰的地方。 - A ***certificate management system*** managing things like the access to stored certificates or the delivery of the certificates to be issued. 一套 **憑證管理系統**，用來管理像是存取憑證、傳遞已簽發憑證的系統。 - A ***certificate policy*** stating the PKI's requirements concerning its procedures. Its purpose is to allow outsiders to analyze the PKI's trustworthiness. 一套 **憑證管理政策**，用來規範維護 PKI 基礎架構下所有的管理程序，確保憑證與金鑰的安全性。 在開發與測試的情境下，你只要自己建立一個 **憑證授權單位** (CA) 外加一套 **憑證管理系統** (e.g. OpenSSL )，就可以自行架設一整套 PKI 基礎建設。 基本上，要建立一個 **憑證授權單位** (CA)，首先你必須要先建立一個 **私密金鑰** (Private key)，用來對未來要簽發的 **憑證** (Certificate) 進行 **簽章** (Signature)。這部分你可以使用的管理工具很多，在 Windows 平台，你可能會用 [MakeCert](https://msdn.microsoft.com/zh-tw/library/bfsktky3\(v=vs.100\).aspx) 或 PowerShell 來建立 CA 所需的**私密金鑰**與**憑證**；而在 Linux 平台，大部分人都會選擇採用複雜的 [OpenSSL](https://www.openssl.org/) 工具，這套工具參數與選項全部加起來應該有數百種組合，功能強大。 1\. 使用 [MakeCert](https://msdn.microsoft.com/zh-tw/library/bfsktky3\(v=vs.100\).aspx) 工具建立 CA 的命令如下    這個 MakeCert 工具會隨著 Visual Studio 或 Windows SDK 安裝的過程自動安裝，主要可以產生**僅供測試用途**的 [X.509](https://en.wikipedia.org/wiki/X.509) 憑證 ([RFC5280](https://tools.ietf.org/html/rfc5280))。 > **makecert -n "CN=Will Certificate Authority" -cy authority -a sha1 -sv "CA-PrivateKey.pvk" -r "CA-Certificate.cer"** 2\. 使用 [OpenSSL](https://www.openssl.org) 工具建立 CA 的命令如下    這個 OpenSSL 則是跨平台的 TLS/SSL 工具組，可以用來建立、簽發、轉換憑證格式等多功能用途。 > **openssl genrsa -des3 -out rootCA.key 4096 > openssl req -x509 -new -nodes -key rootCA.key -sha256 -days 3650 -out rootCA.crt** 從上述兩個工具所產生的**私密金鑰**與**憑證**你就會發現，他們之間的檔案內容格式完全不一樣，MakeCert 所建立的**私密金鑰**與**憑證**是**二進位格式**；而 OpenSSL 所建立的**私密金鑰**與**憑證**預設為文字格式。但事實上，不管你用什麼工具產生**私密金鑰**與**憑證**，都在做一樣的事情，只是格式不同而已，而且不同格式之間也可以互相轉換。 接著，我們就要進入重點了，介紹這些**私密金鑰**與**憑證**檔案的格式種類。 一般來說，跨平台共通標準的編碼格式有兩種： 1. **DER (Distinguished Encoding Rules)** - 檔案內容為**二進位格式** - DER 是 [ASN.1](https://en.wikipedia.org/wiki/Abstract_Syntax_Notation_One) 語法標準下的其中一種二進位的編碼方法 - 常見副檔名有 - \*.der - \*.cer (常用於Windows作業系統) - \*.crt (這種副檔名比較不好猜格式，建議少用) 4. **PEM (Privacy Enhanced Mail)** - 檔案內容為**文字格式** - 其內容是 DER 檔案內容經由 Base64 編碼過後的字串 - 以 \-----BEGIN \*\*\*----- 開頭，以 \-----END \*\*\*----- 結尾 - 詳見 [RFC 1421](https://tools.ietf.org/html/rfc1421)、[RFC 1422](https://tools.ietf.org/html/rfc1421)、[RFC 1423](https://tools.ietf.org/html/rfc1421)、[RFC 1424](https://tools.ietf.org/html/rfc1421) - 常見副檔名有 - \*.pem - \*.cert (常用於Linux作業系統) - \*.crt (這種副檔名比較不好猜格式，建議少用) > **備註**：CRT 與 CER 或 CERT 都是 Certficiate (憑證) 這個單字的縮寫。 所以無論你想要建立的是**私密金鑰**或是**憑證**，都可以自由選擇想要儲存的格式。但是在這三十多年的數位憑證發展過程中，出現了許許多多不同的規格，用著各種不同的格式來保存**私密金鑰**或**憑證**，以至於 OpenSSL 變得這麼複雜，參數與選項都多到爆炸，任何一個初學者想好好掌握工具使用，大多會被排山倒海的專有名詞給嚇跑。 以下我就來介紹幾個不同的檔案格式： - **KEY** - 用來存放一個**公鑰**或者**私鑰**，這種檔案並沒有事先定義格式，只是意義上的「**私密金鑰**」而已。 - 編碼格式可能是 **PEM** 或 **DER**，但通常是 **PEM** 格式 (因為在 Linux 或 Node.js 環境下很常用) - 金鑰內容可能是加密過的，但也可能是未加密過的，要依據實際內容而定。 - 常見副檔名有 - \*.key - **PVK (Microsoft PrivateKey Blob)** - 微軟專屬的「**私密金鑰**」格式 - PVK 是二進位檔案，檔案內容格式可參見：[PVK file format](https://web.archive.org/web/20170531040754/http:/www.drh-consultancy.demon.co.uk/pvk.html) - 透過 MakeCert 所產生的**私密金鑰**，預設就是 **PVK** 格式 - 這種檔案只有「**私密金鑰**」，不會包含「**憑證**」在內 - PVK 可以透過 OpenSSL 工具轉換為 PEM 格式，命令如下： - openssl rsa -in "ca.pvk" -inform PVK -out ca.key -outform PEM - PVK 也可以轉換為 PFX 格式，透過 WDK 內建的 [Pvk2Pfx](https://learn.microsoft.com/zh-tw/windows-hardware/drivers/devtest/pvk2pfx) 工具，就可以進行轉換： - "C:\\Program Files (x86)\\Windows Kits\\10\\bin\\10.0.16299.0\\x64\\pvk2pfx.exe" -pvk "server.pvk" -spc "server.cer" -pfx "server.pfx" - 備註：通常 WDK (Windows Driver Kit) 會隨著 Visual Studio 安裝過程自動安裝好。 - 常見副檔名有 - \*.pvk - **CSR (Certificate Signing Request) / PKCS #10** - CSR = 憑證簽署請求檔 - 當你需要讓 CA 幫你簽署一份憑證時，通常要先準備一把 **私密金鑰** (Private Key)，然後先產生 CSR 檔案，這份 CSR 檔案將包含 **主體資訊** (Subject) 與一把 **公開金鑰** (Public Key)，然後將 CSR 檔案提交給 CA 進行簽署，之後就可以由 CA 簽署過，並產生一份含有 **公開金鑰** (Public Key) 的 **憑證** (Certificate) 回來。 - **主體資訊** (Subject) 通常包括憑證的摘要資訊，例如國家代號、省分、城市、組織名稱、單位名稱、一般名稱 (Common Name) 等等，也可以外加一些 **擴充屬性** ('extra' attributes) 供 CA 簽署時參考。 - 詳見 [RFC 2986 - PKCS #10: Certification Request Syntax Specification](https://tools.ietf.org/html/rfc2986) - 你可以透過 OpenSSL 工具建立一個 CSR 檔案，命令如下：(先擁有私密金鑰，再建立 CSR 檔案) - openssl genrsa -out server.key 2048 - openssl req -new -sha256 -out **server.csr** -key server.key - 你可以透過 OpenSSL 工具查看 CSR 檔案的請求內容，命令如下： - openssl req -noout -text -in **server.csr** - 常見副檔名有 - \*.csr - **P7B / PKCS#7** - P7B/PKCS#7 檔只會包含**憑證**與**中繼憑證**，不會包含**私密金鑰**。 - 詳見 [RFC 2315 - PKCS #7: Cryptographic Message Syntax](https://tools.ietf.org/html/rfc2315) - 其內容採用 PEM 編碼 ( 意即 Base64 編碼過的文字格式 ) - PKCS#7 格式的憑證主要用來對訊息**簽章**或**加解密**。 - 完整的PKCS參考：[https://en.wikipedia.org/wiki/PKCS](https://en.wikipedia.org/wiki/PKCS) - 必較常見會用到 P7B 格式的平台只有 Microsoft Windows 與 Java Tomcat - 常見副檔名有 - \*.p7b - \*.p7c - \*.keystore (在 Java 開發環境下常用這個副檔名) - **PKCS#8** - PKCS#8 檔主要包含**私密金鑰**，且這份私密金鑰**必須設定密碼**！ - 詳見 [RFC 5958 - Asymmetric Key Packages](https://tools.ietf.org/html/rfc5958) 與 [RFC 5208 - Public-Key Cryptography Standards (PKCS) #8: Private-Key Information Syntax Specification Version 1.2](https://tools.ietf.org/html/rfc5208) - 其內容採用 PEM 編碼 ( 意即 Base64 編碼過的文字格式 ) - 檔案開頭: \-----BEGIN ENCRYPTED PRIVATE KEY----- - 檔案結尾: \-----END ENCRYPTED PRIVATE KEY----- - 你可以透過 OpenSSL 工具將一個 **RSA 加密過的私密金鑰**轉換為 **PKCS#8 密碼保護的金鑰**版本 (一樣為 PEM 格式)，命令如下： - openssl pkcs8 -in server.key -out server.pkcs8.key -topk8 - 你可以透過 OpenSSL 工具將一個 **PKCS#8 密碼保護的金鑰**轉換為**未加密金鑰**版本 (一樣為 PEM 格式)，命令如下： - openssl pkcs8 -in server.pkcs8.pem -out server.traditional.key -topk8 - 常見副檔名有 - \*.key - \*.pkcs8.key - **PFX / PKCS#12 (predecessor of PKCS#12)** - 在 Linux 平台下，通常**憑證檔**與**金鑰檔**都是分開保存的，所以當在設定網站 TLS/SSL 時，通常會需要設定兩個檔案。 - 在 Windows 平台下，IIS 改用 PFX 檔案格式，將**憑證**與**金鑰**結合在一個檔案裡，並加入一些擴充屬性(Metadata)。 - 後來 [PKCS](https://en.wikipedia.org/wiki/PKCS) 推出一份 [PKCS#12](https://tools.ietf.org/html/rfc7292) 規格 (二進位格式)，可以在一個檔案中同時包含**憑證**、**中繼憑證**、**私密金鑰**，取代 PFX 成為標準格式。 - 詳見 [RFC 7292 - PKCS #12: Personal Information Exchange Syntax v1.1](https://tools.ietf.org/html/rfc7292) - 產生 \*.pfx 檔案通常需要一組密碼，保護 PFX 檔案的安全性。 - 你隨時可以將 \*.pfx 檔案轉換成 PEM 編碼格式 (檔案中將會包含所有憑證與金鑰的 PEM 格式內容)，OpenSSL 的指令如下： - openssl pkcs12 -in **mysite.pfx** -out **mysite.pem** -nodes - 備註：上述命令的 \-nodes 參數，其實是 No DES 加密的意思，也就是產生出來的私密金鑰不需要加密。 - 產生 PFX 檔案的 OpenSSL 命令如下： - openssl pkcs12 -export -in server.crt -inkey server.key -out server.pfx - openssl pkcs12 -export -in server.crt -inkey server.key -out server.pfx -certfile CACert.crt - 備註：上述命令的 \-certfile 用來將額外的憑證一併加入 PFX 檔案，通常是一個以上的**中繼憑證**或**根憑證**。 - 常見副檔名有 - \*.pfx - \*.p12 - \*.pkcs12 - **JKS (Java Key Storage)** - 這是一種 Java 專用的金鑰格式，有專利保護 ( 我在設定 [Jenkins](https://jenkins.io) 的時候有看過 ) - 你可以利用 Java的 **keytool** 工具來產生 \*.jks 檔案 - 透過 Java 的 **keytool** 工具也可以將 PFX 轉為 JKS 格式 - 詳見 [keytool-Key and Certificate Management Tool](https://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/tools/solaris/keytool.html) - 常見附檔名有 - \*.jks 終於介紹完了到目前為止我所知道的金鑰與憑證格式，當然在 Wikipedia 的 [PKCS](https://en.wikipedia.org/wiki/PKCS) (Public Key Cryptography Standards) 文件中，你還會看到更多其他不同時期定義出來的規格，有需要再去查看了解即可。 **相關連結** - 新手上路 - [Understanding Public Key Cryptograph](https://technet.microsoft.com/en-us/library/aa998077\(v=exchg.65\).aspx) - [Understanding Digital Certificates](https://technet.microsoft.com/en-us/library/bb123848\(v=exchg.65\).aspx) - [Understanding Certificates and PKI - Technical Documentation - Support - Juniper Networks](https://www.juniper.net/documentation/en_US/junos/topics/concept/certificate-digital-understanding.html#id-45699) - [Public key infrastructure - Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Public_key_infrastructure) - [紐菲斯的部落格 » X.509 的基礎觀念](https://blog.nuface.tw/?p=208) - [PKCS - Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/PKCS) - [certificate - What is a Pem file and how does it differ from other OpenSSL Generated Key File Formats? - Server Fault](https://serverfault.com/questions/9708/what-is-a-pem-file-and-how-does-it-differ-from-other-openssl-generated-key-file/9717#9717) - [.NET Framework Cryptography Model | Microsoft Docs](https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/security/cryptography-model) - MakeCert - [MakeCert | Microsoft Docs](https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/devtest/makecert) - [產生並匯出點對站的憑證：MakeCert：Azure | Microsoft Docs](https://learn.microsoft.com/zh-tw/azure/vpn-gateway/vpn-gateway-certificates-point-to-site-makecert) - [\[研究\] makecert.exe 憑證建立工具 安裝](http://shaurong.blogspot.tw/2017/07/makecertexe.html) - OpenSSL - [openssl-rsa, rsa - RSA key processing tool](https://www.openssl.org/docs/man1.0.2/man1/rsa.html) - [openssl-genrsa, genrsa - generate an RSA private key](https://www.openssl.org/docs/man1.0.2/man1/genrsa.html) - [openssl-req, req - PKCS#10 certificate request and certificate generating utility](https://www.openssl.org/docs/man1.0.2/man1/req.html) - [openssl-x509, x509 - Certificate display and signing utility](https://www.openssl.org/docs/man1.0.2/man1/x509.html) - [openssl-pkcs8, pkcs8 - PKCS#8 format private key conversion tool](https://www.openssl.org/docs/man1.0.2/man1/pkcs8.html) - [openssl-pkcs12, pkcs12 - PKCS#12 file utility](https://www.openssl.org/docs/man1.0.2/man1/pkcs12.html)