Web Security – Ceritificate

August 17, 2025 by walter

1. Concepts

1) 密钥对（私钥 & 公钥）

What

• 私钥：只属于持有者的秘密数据；用于签名或解密。
• 公钥：可公开分发；用于验签或加密。
• 常见算法：RSA（2048/3072/4096）、ECDSA（P-256/384/521）、Ed25519（签名友好、体积小）。

Why

• 将“机密性”和“身份/完整性”分离：公开分发公钥不会泄密；只有私钥才能产生可信签名。
• 支持大规模、跨组织的互联网信任模型（PKI）。

When

• TLS/HTTPS、mTLS、JWT 签名、软件发布签名（如容器镜像/包）、SSH 登录等。

Who

• 服务器/服务实例、反向代理、客户端（mTLS）、CI/CD 签名者、KMS/HSM 托管方、开发者/运维。

How（要点 & 实践）

• 生成与存放：优先 KMS/HSM 或文件系统 + 严格权限；避免将私钥写入镜像与代码库。

• 算法选择：

  • 兼容性优先：RSA-2048；
  • 性能与体积：ECDSA P-256；
  • 现代签名：Ed25519（但看 TLS/库兼容性）。
• 备份与轮换：定期轮换（如 6–12 个月），并保留旧私钥用于历史数据验签。

2) 数字签名（Digital Signature）

What

• 用私钥对“数据的哈希”做签名(即用私钥对这个摘要进行加密)，任何人用公钥可验证“是谁签的、有没有被改”。

Why

• 证明 身份（只有私钥持有者能签）、保证 完整性（数据改了就验不过）。

When

• CA 签发证书；TLS 握手；JWT/消息/工件（artifact）签名；代码签名。

Who

• 签名者：持私钥方（服务器、CA、CI/CD）。
• 验签者：浏览器、服务端、消费者。

How（流程）

1. 对数据做哈希（SHA-256 等）。
2. 私钥对哈希签名(加密) → 产生签名值。
3. 验签时：公钥还原签名(解密)并比对哈希是否一致。
4. TLS/证书里，验签逻辑由 x509.Verify、浏览器/系统完成。

3) CSR（证书签名请求）

What

• 包含 申请者公钥 + 主题信息（CN/组织） + 扩展（SAN） 的请求文件，本身由申请者私钥签名。

Why

• CA 通过 CSR 确认：

  • 你拥有这把私钥；
  • 你声明的身份/域名是什么。

When

• 向公有 CA（Let’s Encrypt/DigiCert）或内部 CA 申请证书。

Who

• 申请证书的主体（网站/服务），或自动化工具（cert-manager、lego、acme.sh）。

How（关键点）

• 在生成 CSR 时就把 SAN 写全（DNS/IP/URI）。
• 保护私钥；CSR 可公开。
• 通过 ACME/HTTP-01/DNS-01 完成域名所有权验证（公有 CA）。

4) 证书（X.509）与 SAN

What

• 证书 = 公钥 + 身份信息 + 有效期 + 扩展（KeyUsage/EKU/SAN/AIA/AKI/SKI），由 CA 私钥签名。
• SAN（Subject Alternative Name）：列出证书覆盖的所有主机名/IP/URI。现代客户端仅看 SAN，不再依赖 CN。

Why

• 将“是谁（身份）”与“这把公钥”绑定；SAN 保障一个证书可安全覆盖多个域名。

When

• Web 服务器证书、mTLS 客户端证书、内网服务网格证书。
• 通配符：*.example.com 覆盖单层子域，场景合适时减少证书数量。

Who

• 颁发者：CA（中级 CA 为主）。
• 使用者：服务器/客户端；验证者：浏览器、反向代理、API 客户端。

How（实务）

• KeyUsage/EKU：

  • 服务器证书：DigitalSignature|KeyEncipherment + ExtKeyUsageServerAuth；
  • 客户端证书：ExtKeyUsageClientAuth；
  • CA：CertSign|CRLSign、IsCA=true。
• 有效期：公有 TLS 证书常见 ≤ 398 天；内部可更短以便自动轮换。
• 一定部署完整链（leaf + intermediates），否则部分客户端“链不完整”。

5) CA / 根 CA / 中级 CA

What

• CA：受信的签发机构。
• 根 CA（Root）：自签，公钥预置在系统/浏览器；几乎不直接签发终端证书。
• 中级 CA（Intermediate）：由 Root 或上级中级签发，真正负责面向终端的证书签发。

Why

• 分层降低风险：一旦中级泄露可吊销该中级，不伤根。
• 运营与审计职责分离，满足合规。

When

• 互联网 PKI 必备；企业内部 PKI 也建议采用“根离线 + 多中级”架构。

Who

• 根 CA 运维团队（通常离线 HSM、实体安保）；
• 中级 CA 运营（在线签发、审计、速率限制、策略）。

How（落地）

• 根 CA 置于离线/受控环境，使用 HSM；
• 中级 CA 在线服务，配合审批/ACME/审计与告警；
• 定期轮换中级；根 CA 更长周期轮换；使用 CRL/OCSP 发布状态。

6) 证书链与验证

What

• 链 = 服务器证书 ← 中级 CA 证书 ← 根 CA 证书（信任锚）。
• 验证 = 逐级验签 + 策略检查（有效期、KeyUsage/EKU、SAN/主机名、吊销）。

Why

• 让任意两方在不预先交换私钥的情况下，基于公共“信任锚”（Root）建立信任。

When

• 浏览器访问 HTTPS、反向代理到上游、服务间 mTLS、API 客户端校验。

Who

• 验证者：客户端/浏览器/网关/SDK；
• 提供链：服务器必须连同中级证书一起发送。

How（步骤）

1. 使用上一级证书的公钥验下一级证书签名；
2. 检查证书有效期、KeyUsage/EKU 是否允许当前用途；
3. 校验 SAN 是否覆盖访问的主机名；
4. 检查 吊销（CRL/OCSP/OCSP-Stapling）；
5. 根 CA 作为信任锚存在于本机信任库中（系统/浏览器/容器镜像）。

7) 吊销（CRL & OCSP）

What

• CRL：由 CA 发布的“被吊销证书列表”；
• OCSP：在线查询某一证书是否有效；
• OCSP Stapling：服务器把新鲜的 OCSP 响应随握手一并提供，减少客户端外呼。

Why

• 私钥泄露、误签、主体不再合法等场景必须“立即失效”证书。

When

• 任何你怀疑密钥泄露、错误签发、主体终止时；
• 公网站点建议开启 Stapling 以降低时延与隐私泄露。

Who

• 吊销方：签发该证书的 CA；
• 查询方：客户端/浏览器/网关。

How（实践）

• 部署 OCSP Stapling（Nginx/Envoy/Apache 支持）；
• 监控 CRL/OCSP 可用性；
• 对关键内网系统引入 短周期证书 + 自动轮换，降低对吊销实时性的依赖。

好的，我们继续把证书体系中的 EKU、CRL、OCSP 拆开讲清楚，从 What / Why / When / Who / How 五个角度来理解。

8) EKU (Extended Key Usage，扩展密钥用法)

What

• EKU 是证书中的一个扩展字段（X.509 v3 扩展），用来指定该证书的具体用途。

• 例如：

  • serverAuth → 用于服务器身份认证（HTTPS 网站证书）
  • clientAuth → 用于客户端身份认证（双向 TLS）
  • codeSigning → 用于代码签名（软件发布）
  • emailProtection → 用于加密/签名电子邮件
  • timeStamping → 用于时间戳服务

Why

• 防止证书被误用。比如一个服务器证书不能用来签发代码，否则可能被滥用。
• 明确证书的边界，提高安全性和合规性。

When

• 当颁发证书时，CA 会根据用途设置 EKU。
• 浏览器或系统在使用证书时会验证 EKU 字段，确保用途匹配。

Who

• 由 CA 签发时设定。
• 客户端（浏览器、操作系统、应用程序）负责验证。

How

• 证书中 Extended Key Usage OID 表示用途。

• 例如：

  • 1.3.6.1.5.5.7.3.1 → TLS Web Server Authentication
  • 1.3.6.1.5.5.7.3.2 → TLS Web Client Authentication

9) CRL (Certificate Revocation List，证书吊销列表)

What

• CRL 是由 CA 定期发布的“被吊销的证书列表”。
• 包含证书序列号、吊销时间、吊销原因。

Why

• 有些证书在有效期内可能需要失效：

  • 私钥泄露
  • 持有者身份不再可信
  • 证书错误签发
• CRL 能让客户端避免信任已不再安全的证书。

When

• CA 会定期（如每天或每周）生成并发布 CRL 文件。
• 客户端在验证证书时，可以下载并检查证书是否在 CRL 中。

Who

• 由 CA 维护和发布。
• 客户端（浏览器、系统）使用。

How

• CA 在证书中写入 CRL Distribution Point (CDP) 扩展，告诉客户端从哪里获取 CRL。
• 客户端下载 CRL 文件（一般是 .crl 格式），检查证书序列号是否在其中。

⚠️ 缺点：CRL 文件可能很大，更新不够实时。

10) OCSP (Online Certificate Status Protocol，在线证书状态协议)

What

• OCSP 是一种比 CRL 更高效的证书状态检查协议。
• 通过网络实时向 CA 或 OCSP 服务器查询某个证书是否有效。

Why

• CRL 太笨重（下载整个列表），OCSP 可以直接查询单个证书的状态。
• 更实时，通常延迟只有几秒到几分钟。

When

• 浏览器访问 HTTPS 网站时，会发送 OCSP 请求，CA 响应“Good / Revoked / Unknown”。
• 在安全性要求高的场景（金融、支付、政务系统）尤其常用。

Who

• OCSP Responder：通常由颁发证书的 CA 运行。
• 客户端：浏览器、应用、操作系统负责发起查询。

How

• 证书里会有 Authority Information Access (AIA) 扩展，指明 OCSP 服务器的 URL。
• 客户端构造一个 OCSP 请求，发送到服务器。

• 服务器返回一个带签名的响应：

  • good → 证书有效
  • revoked → 证书已吊销
  • unknown → 不认识这个证书

⚠️ 缺点：

• 如果 OCSP 服务器宕机，可能导致访问延迟或失败。
• 有些浏览器会用 OCSP Stapling（服务器提前缓存并返回 OCSP 响应，避免客户端单独查询）。

2. 典型使用场景与决策

Web 服务器（单域/多域）

• Why：HTTPS 与 SEO/合规；
• When：所有公网服务默认启用；
• How：ACME 自动签发与续期（Let’s Encrypt + certbot/cert-manager），SAN 列全域名；启用 HTTP/2/3，OCSP Stapling。

API 网关 ↔ 上游（内网）

• Why：上游鉴别与加密；
• How：网关验证上游服务证书链与 SAN；若需要双向认证，启用 mTLS 并为客户端颁发 ClientAuth 证书。

服务网格 / mTLS（微服务）

• Why：零信任/细粒度身份；
• How：Istio/Linkerd 会托管 CA（或对接外部 CA），为 Workload 自动签发短期证书（如 24h），Sidecar 负责轮换与分发；策略由 SPIFFE ID/SAN 绑定。

移动/IoT 设备

• Why：抗中间人、设备身份；
• How：出厂烧录设备私钥与证书，服务端校验；可结合证书**钉（pinning）**或透明日志（CT）。

3. 操作与安全最佳实践（给 Web/后端/DevOps）

• 私钥绝不进代码库；尽量使用 KMS/HSM 或独立密钥卷。
• 最小权限：密钥文件仅服务进程可读；容器用 readOnlyRootFilesystem、fsGroup 控制访问。
• 自动化：证书短期（30–90 天）+ 自动续期（ACME/cert-manager）；失败告警。
• 完整链部署：确保中级证书随同发送；用 openssl s_client -showcerts 或在线工具验证。
• 严格 SAN：访问名必须出现在 SAN；别再依赖 CN。
• 用途正确：KeyUsage/EKU 与角色匹配（ServerAuth/ClientAuth/CodeSigning）。
• 日志与可观测：OCSP/CRL 查询、握手失败原因、证书过期预警。
• 应急：密钥疑似泄露 → 立刻吊销 + 重新签发 + 强制轮换。

4. 快速命令备忘（OpenSSL 示例）

# 生成私钥（RSA 或 EC）
openssl genpkey -algorithm RSA -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048 -out server.key
# 或：EC P-256
openssl ecparam -genkey -name prime256v1 -noout -out server.key

# 生成含 SAN 的 CSR（用 -addext）
openssl req -new -key server.key -out server.csr \
  -subj "/CN=example.com/O=Example Ltd" \
  -addext "subjectAltName=DNS:example.com,DNS:www.example.com,DNS:api.example.com"

# 由中级 CA 签发（举例）
openssl x509 -req -in server.csr -CA intermediate.pem -CAkey intermediate.key \
  -CAcreateserial -out server.pem -days 398 -sha256 \
  -extfile <(printf "keyUsage=digitalSignature,keyEncipherment\nextendedKeyUsage=serverAuth\nsubjectAltName=DNS:example.com,DNS:www.example.com,DNS:api.example.com")

# 验证证书链与主机名（OpenSSL 3）
cat root.pem intermediate.pem > chain.pem
openssl verify -CAfile chain.pem -verify_hostname www.example.com server.pem

建议：把签发与存储迁到 ACME / cert-manager / step-ca / Vault PKI 等自动化方案；根 CA 离线保存，中级 CA 在线托管并审计。

5. Example

package main

import (
    "crypto/rand"
    "crypto/rsa"
    "crypto/sha1"
    "crypto/x509"
    "crypto/x509/pkix"
    "encoding/pem"
    "fmt"
    "math/big"
    "time"
)

// ---- Helpers ----

func mustRSA(bits int) *rsa.PrivateKey {
    key, err := rsa.GenerateKey(rand.Reader, bits)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    return key
}

func mustCreateCert(template, parent *x509.Certificate, pub *rsa.PublicKey, parentKey *rsa.PrivateKey) []byte {
    der, err := x509.CreateCertificate(rand.Reader, template, parent, pub, parentKey)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    return der
}

func pemEncodeCert(der []byte) []byte {
    return pem.EncodeToMemory(&pem.Block{Type: "CERTIFICATE", Bytes: der})
}

func pemEncodeKey(key *rsa.PrivateKey) []byte {
    return pem.EncodeToMemory(&pem.Block{Type: "RSA PRIVATE KEY", Bytes: x509.MarshalPKCS1PrivateKey(key)})
}

func mustSerial() *big.Int {
    serial, err := rand.Int(rand.Reader, new(big.Int).Lsh(big.NewInt(1), 128))
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    return serial
}

func subjectKeyID(pub *rsa.PublicKey) []byte {
    spki, _ := x509.MarshalPKIXPublicKey(pub)
    sum := sha1.Sum(spki)
    return sum[:]
}

func printPEM(title string, b []byte) {
    fmt.Printf("\n===== %s =====\n%s\n", title, string(b))
}

func days(n int) time.Time { return time.Now().Add(time.Duration(n) * 24 * time.Hour) }

// ---- Main flow ----

func main() {
    // 1) 生成 Root CA（自签）
    rootKey := mustRSA(2048)
    rootTmpl := &x509.Certificate{
        SerialNumber:          mustSerial(),
        Subject:               pkix.Name{CommonName: "Demo Root CA", Organization: []string{"Acme Corp"}},
        NotBefore:             time.Now().Add(-time.Hour),
        NotAfter:              days(3650), // 10 年
        KeyUsage:              x509.KeyUsageCertSign | x509.KeyUsageCRLSign,
        ExtKeyUsage:           []x509.ExtKeyUsage{},
        BasicConstraintsValid: true,
        IsCA:                  true,
        MaxPathLen:            2,
        SubjectKeyId:          subjectKeyID(&rootKey.PublicKey),
    }
    rootDER := mustCreateCert(rootTmpl, rootTmpl, &rootKey.PublicKey, rootKey)
    rootCert, _ := x509.ParseCertificate(rootDER)

    printPEM("ROOT CA CERT", pemEncodeCert(rootDER))
    printPEM("ROOT CA KEY", pemEncodeKey(rootKey))

    // 2) 生成 Intermediate CA，由 Root 签发
    intKey := mustRSA(2048)
    intTmpl := &x509.Certificate{
        SerialNumber:          mustSerial(),
        Subject:               pkix.Name{CommonName: "Demo Intermediate CA", Organization: []string{"Acme Corp"}},
        NotBefore:             time.Now().Add(-time.Hour),
        NotAfter:              days(3650),
        KeyUsage:              x509.KeyUsageCertSign | x509.KeyUsageCRLSign,
        BasicConstraintsValid: true,
        IsCA:                  true,
        MaxPathLen:            1,
        SubjectKeyId:          subjectKeyID(&intKey.PublicKey),
        AuthorityKeyId:        rootCert.SubjectKeyId,
    }
    intDER := mustCreateCert(intTmpl, rootCert, &intKey.PublicKey, rootKey)
    intCert, _ := x509.ParseCertificate(intDER)

    printPEM("INTERMEDIATE CA CERT", pemEncodeCert(intDER))
    printPEM("INTERMEDIATE CA KEY", pemEncodeKey(intKey))

    // 3) 生成服务器私钥与 CSR（包含 SAN）
    leafKey := mustRSA(2048)
    csrTmpl := &x509.CertificateRequest{
        Subject:  pkix.Name{CommonName: "fanyamin.com", Organization: []string{"Fanyamin Ltd"}},
        DNSNames: []string{"fanyamin.com", "www.fanyamin.com", "api.fanyamin.com"}, // SAN
    }
    csrDER, err := x509.CreateCertificateRequest(rand.Reader, csrTmpl, leafKey)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    csr, err := x509.ParseCertificateRequest(csrDER)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    if err := csr.CheckSignature(); err != nil {
        panic(fmt.Errorf("CSR signature invalid: %w", err))
    }
    printPEM("SERVER CSR", pem.EncodeToMemory(&pem.Block{Type: "CERTIFICATE REQUEST", Bytes: csrDER}))
    printPEM("SERVER KEY", pemEncodeKey(leafKey))

    // 4) 中级 CA 根据 CSR 签发服务器证书（服务器证书不是 CA）
    leafTmpl := &x509.Certificate{
        SerialNumber:          mustSerial(),
        Subject:               csr.Subject, // 沿用 CSR 主题
        NotBefore:             time.Now().Add(-time.Hour),
        NotAfter:              days(825), // 约 27 个月，符合常见限制
        KeyUsage:              x509.KeyUsageDigitalSignature | x509.KeyUsageKeyEncipherment,
        ExtKeyUsage:           []x509.ExtKeyUsage{x509.ExtKeyUsageServerAuth},
        BasicConstraintsValid: true,
        IsCA:                  false,
        DNSNames:              csr.DNSNames, // 从 CSR 注入 SAN
        SubjectKeyId:          subjectKeyID(&leafKey.PublicKey),
        AuthorityKeyId:        intCert.SubjectKeyId,
    }
    leafDER := mustCreateCert(leafTmpl, intCert, &leafKey.PublicKey, intKey)
    leafCert, _ := x509.ParseCertificate(leafDER)
    printPEM("SERVER CERT", pemEncodeCert(leafDER))

    // 5) 构建验证所需的根与中级池，并验证证书链 + 主机名
    roots := x509.NewCertPool()
    roots.AddCert(rootCert)

    inters := x509.NewCertPool()
    inters.AddCert(intCert)

    // 验证：主机名 www.fanyamin.com 是否被证书覆盖（SAN 中包含）
    if _, err := leafCert.Verify(x509.VerifyOptions{
        DNSName:       "www.fanyamin.com",
        Roots:         roots,
        Intermediates: inters,
    }); err != nil {
        panic(fmt.Errorf("verify failed (www.fanyamin.com): %w", err))
    }
    fmt.Println("✓ 证书链与主机名验证通过：www.fanyamin.com")

    // 故意用一个未在 SAN 中的主机名，看看失败情况
    if _, err := leafCert.Verify(x509.VerifyOptions{
        DNSName:       "not-in-san.fanyamin.com",
        Roots:         roots,
        Intermediates: inters,
    }); err != nil {
        fmt.Println("✗ 预期的验证失败（主机名不在 SAN）：", err)
    } else {
        panic("unexpected: verification should have failed for not-in-san.fanyamin.com")
    }

    // 6) 补充：说明数字签名在链路验证中的体现
    fmt.Println("\n说明：以上 x509.Verify 实际做了“用上级证书公钥验证下级证书签名”的工作，")
    fmt.Println("即：Root 公钥 验证 Intermediate 的签名；Intermediate 公钥 验证 Leaf 的签名；")
    fmt.Println("再结合 DNSName 检查 SAN 与证书有效期、用途等扩展，最终确定是否可信。")
}

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