数字证书和golang的研究

旧城等待， 2022-05-15 01:49 38阅读 0赞

# 数字证书和golang的研究 #

> 在go语言提供的系统包中包含了大量和数字证书有关的方法。在这些方法中就有私钥生成的方法、私钥解析的方法、证书请求生成的方法、证书生成的方法等等。通过这些方法应该能够实现和openssl命令类似的功能。
> 
> 仿照openssl生成证书的流程（从私钥的生成—>证书请求的生成—>证书的生成）用go语言进行模拟。

## 私钥的生成 ##

在go的x509包下有go定义的证书的结构，该结构如下：

Raw                     []byte // Complete ASN.1 DER content (certificate, signature algorithm and signature).
            RawTBSCertificate       []byte // Certificate part of raw ASN.1 DER content.
            RawSubjectPublicKeyInfo []byte // DER encoded SubjectPublicKeyInfo.
            RawSubject              []byte // DER encoded Subject
            RawIssuer               []byte // DER encoded Issuer
            Signature          []byte
            SignatureAlgorithm SignatureAlgorithm
            PublicKeyAlgorithm PublicKeyAlgorithm
            PublicKey          interface{}
            Version             int
            SerialNumber        *big.Int
            Issuer              pkix.Name
            Subject             pkix.Name
            NotBefore, NotAfter time.Time // Validity bounds.
            KeyUsage            KeyUsage
            Extensions []pkix.Extension
            ExtraExtensions []pkix.Extension
            UnhandledCriticalExtensions []asn1.ObjectIdentifier
            ExtKeyUsage        []ExtKeyUsage           // Sequence of extended key usages.
            UnknownExtKeyUsage []asn1.ObjectIdentifier // Encountered extended key usages unknown to this package.
            BasicConstraintsValid bool // if true then the next two fields are valid.
            IsCA                  bool
            MaxPathLen            int
            MaxPathLenZero bool
    
            SubjectKeyId   []byte
            AuthorityKeyId []byte
            OCSPServer            []string
            IssuingCertificateURL []string
    
            // Subject Alternate Name values
            DNSNames       []string
            EmailAddresses []string
            IPAddresses    []net.IP
            PermittedDNSDomainsCritical bool // if true then the name constraints are marked critical.
            PermittedDNSDomains         []string
            CRLDistributionPoints []string
            PolicyIdentifiers []asn1.ObjectIdentifier

在该结构中有`PublicKeyAlgorithm`字段，该字段用来表示生成公钥的算法。该字段的变量中可使用的字段如下：

const (
            UnknownPublicKeyAlgorithm PublicKeyAlgorithm = iota
            RSA
            DSA
            ECDSA
    )

一共定义了4中情况。除去Unknown的情况。剩下的三种的实现分别在`crypto/rsa`、`crypto/dsa`、`crypto/ecdsa`这三个包中定义了实现。

### RSA ###

使用RSA方法生成公私钥的方式非常简单。在`crypto/rsa`包中直接提供了生成方法。

func GenerateKey(random io.Reader, bits int) (*PrivateKey, error)

*  1

该方法生成一个rsa的私钥。查找整个包所提供的方法并没有什么方法能够生成公钥。但在包中有公钥的结构说明。查看私钥的结构：

type PrivateKey struct {
            PublicKey            // public part.
            D         *big.Int   // private exponent
            Primes    []*big.Int // prime factors of N, has >= 2 elements.
            Precomputed PrecomputedValues
    }

赫然发现，公钥包含在私钥的结构中。换句话说，只要生成的私钥，公钥就同时拥有了（ECDSA和DSA的公钥也是如此）。

### ECDSA ###

使用ECDSA生成公私钥的方式和RSA的方式非常类似：

func GenerateKey(c elliptic.Curve, rand io.Reader) (*PrivateKey, error)

在`crypto/elliptic`为参数c提供了4中实现方式。分别为：

func P224() Curve
     func P256() Curve
     func P384() Curve
     func P521() Curve

### DSA ###

使用DSA生成公私钥的方式和上面两种有些不同：

func GenerateKey(priv *PrivateKey, rand io.Reader) error

私钥并不是作为结果返回，而是作为参数传入。那很简单，我直接初始化一个DSA的私钥，然后把该私钥作为参数传入不就可以了嘛。事实是，仅仅是实例化了一个DSA的私钥是无法完成公私钥的生成的。生成的结果如下：

priv:&{PublicKey:{Parameters:{P:<nil> Q:<nil> G:<nil>} Y:<nil>} X:<nil>}

可以发现公钥中的所有内容都是为nil(空)，由此可以说明无法只通过`GenerateKey()`方法生成DSA的私钥。

在`crypto/dsa`包中还提供了:

func GenerateParameters(params *Parameters, rand io.Reader, sizes ParameterSizes) error

通过该方法的描述，可以了解到该方法是为DSA设置参数。那又如何和公私钥有关呢？，在DSA的私钥结构中包含公钥，在公钥的结构中就包含该方法所需要传入的参数`Parameters`。由此，我便想到可以先使用该方法对一些参数进行初始化，然后再生成私钥。

priv := &dsa.PrivateKey{}
    dsa.GenerateParameters(&priv.Parameters, rand.Reader, dsa.L1024N160)
    dsa.GenerateKey(priv, rand.Reader)

生成的私钥内容如下：

priv:&{PublicKey:{Parameters:{P:+91268520972047344779510472614939006285152176630742165979533208518526258287540244526987668731096217967904150874969731516661412604963023247030101570715552650277776208098462838867711078025572452557692674802977527475661989210578136725258241385474445330497234586673407237238372329018550727884900161895964574509801 Q:+767580094855879488293276223470508701563202760721 G:+42393651221310072390273970570719382707264443685255379637082820177806079494092036767507554061381644533127114802103872901363724639317297276457243780033980909021336576570837756106975221868617534717069925676009421223798208864916837561389117514471387385853288499961716794226875046226553216578582138687489881455573} Y:+68767508229940365112562020548287141674708444377336699267991474890690034611201698420418573204906537903040876819582645033160073997940957577512216430788561800033703926395782022182868300960590402743043934344374390498368316144177816214923367214895567903510165216432049170686626889267028482641530556275670781873053} X:+628682865942164859869306394087148223993136336500}

> 注意：Golang 对DSA证书没有完整的支持。

### 给私钥上锁（加访问密码） ###

在使用openssl进行私钥生成的时候，openssl需要我提供私钥的访问密码。那使用go进行私钥时，应该也有该功能。那应该在什么时候添加这个密码呢？是在生成私钥的时候，还是在生成pem文件的时候。我首先想到的是在生成秘密的时候，但是在`crypto/rsa`、`crypto/dsa`、`crypto/ecdsa`这三个包中查找时并没有发现任何和密码有关的词眼。那就应该在生成pem文件的时候加上密码。生成pem文件的方法在`encoding/pem`这个包中。但该包中只有两个编码，一个解码的方法，和密码有没有任何关系，唯一的存在的关系就是`Block`结构中的`Header`字段。

使用openssl生成的私钥文件中会存在这样的字段：

Proc-Type: 4,ENCRYPTED
    DEK-Info: DES-EDE3-CBC,02a0ba59e8cfd431

使用该字段来说明使用加密方式和提供用于解密的初始值向量。

在生成私钥和生成文件都无法把密码添加进去。那我就在想是否是在得到私钥的时候对私钥的byte数组进行加密。但这样就需要自己实现了。讲道理的话，go应该会为这种普遍性的东西提供已经封装好的方法。来回重新看api文档。发现自己漏看一个非常重要的包`crypto/x509`。在该包提供的方法中。很轻松的就找到了如下两个方法：

func DecryptPEMBlock(b *pem.Block, password []byte) ([]byte, error)
    func EncryptPEMBlock(rand io.Reader, blockType string, data, password []byte, alg PEMCipher) (*pem.Block, error)

在这两个方法中又要pem，password，恩应该就是这两个方法了，正好一个生成一个解析。

同在`x509`包下提供了:

func MarshalPKCS1PrivateKey(key *rsa.PrivateKey) []byte
    func MarshalECPrivateKey(key *ecdsa.PrivateKey) ([]byte, error)

把RSA和ECDSA私钥转换成byte数组的方法，但是没有找到把DSA私钥转换成byte数组的方法。

## 生成证书请求 ##

证书请求生成很简单在`crypto/x509`中直接提供了现成的方法。

func CreateCertificateRequest(rand io.Reader, template *CertificateRequest, priv interface{}) (csr []byte, err error)

但使用用该方法有一个限制条件：

All keys types that are implemented via crypto.Signer are supported (This includes *rsa.PublicKey and *ecdsa.PublicKey.)

无法使用\*dsa.PublicKey类型的公钥。而传入的参数是一个私钥，因此无法使用dsa类型的私钥。

> go对dsa类型的证书

该方法需要通过一个证书请求的模板，在go中CertificateRequest是如下定义的：

Raw                      []byte // Complete ASN.1 DER content (CSR, signature algorithm and signature).
    RawTBSCertificateRequest []byte // Certificate request info part of raw ASN.1 DER content.
    RawSubjectPublicKeyInfo  []byte // DER encoded SubjectPublicKeyInfo.
    RawSubject               []byte // DER encoded Subject.
    Version            int
    Signature          []byte
    SignatureAlgorithm SignatureAlgorithm
    PublicKeyAlgorithm PublicKeyAlgorithm
    PublicKey          interface{}
    Subject pkix.Name
    Attributes []pkix.AttributeTypeAndValueSET
    Extensions []pkix.Extension
    ExtraExtensions []pkix.Extension
    DNSNames       []string
    EmailAddresses []string
    IPAddresses    []net.IP

有一些内容可以不用填写。如果填写了，在后面生成证书时将作为内容直接填入，我就根据openssl生成证书请求时在控制台所展现的内容进行填写。即添加Subject中的内容。Subject是这样定义的：

type Name struct {
            Country, Organization, OrganizationalUnit []string
            Locality, Province                        []string
            StreetAddress, PostalCode                 []string
            SerialNumber, CommonName                  string
    
            Names      []AttributeTypeAndValue
            ExtraNames []AttributeTypeAndValue
    }

## 生成证书 ##

在go提供的`crypto/x509`包下并没有生成CA的方法，生成证书的方法也只有一个方法：

func CreateCertificate(rand io.Reader, template, parent *Certificate, pub, priv interface{}) (cert []byte, err error)

它的参数中使用的是两个证书，和我们之前生成的CertificateRequest没有关系，而且在整个`crypto/x509`中的方法中都没有找到把CertificateRequest转换成Certificate的方法，而且CertificateRequest和Certificate中的部分数据结构是一样的，因此猜想是通过把CertificateRequest中的部分内容复制到Certificate中。然后再通过CreateCertificate进行签发。

如果传入的两个证书参数是一样的，那么生成的证书是一张自签发的根证书。如果传入的两张证书不同，生成的就是普通的证书了。使用的公钥和私钥是签发者的公私钥即参数parent的公私钥。和生成CertificateRequest一样，在这个方法中使用的公私钥不能是DSA类型的。

## 坑 ##

### 设置CA ###

在Certificate这个结构体中有`IsCA`这个字段。用来标识该证书是CA证书，但是在设置该字段为true后生成的证书在扩展中并没有显示这个证书是CA证书的。原因是在如果要使`IsCA`生效，需要设置`BasicConstraintsValid`也为true。同样的也适用于`MaxPathLen`这个字段。

### 签名算法的选择 ###

在go中为证书的签名算法提供了常见的类型：

UnknownSignatureAlgorithm SignatureAlgorithm = iota
    MD2WithRSA
    MD5WithRSA
    SHA1WithRSA
    SHA256WithRSA
    SHA384WithRSA
    SHA512WithRSA
    DSAWithSHA1
    DSAWithSHA256
    ECDSAWithSHA1
    ECDSAWithSHA256
    ECDSAWithSHA384
    ECDSAWithSHA512

在生成证书的时候我直接选择的`SHA1WITHRSA`,应为我的私钥是通过RSA算法生成的，没有任何问题，但是在看go的源码中有一段生成自签名证书的测试方法。在该方法中使用了其他的签名算法。因此我想，这些签名算法的应该如何选择。当我把签名算法改成`ECDSAWITHSHA1`的时候，在进行签名的时候，出现了签名错误。

因此我猜猜签名算法的选择需要和签署者的公私钥的生成方式有关。

## 代码时间 ##

> 一切用代码说话。

和生成私钥有关：

func GenRSAPriv(fileName, passwd string, len int) error {
        priv, err := rsa.GenerateKey(rand.Reader, len)
        if err != nil {
            return err
        }
    
        data := x509.MarshalPKCS1PrivateKey(priv)
        err = encodePrivPemFile(fileName, passwd, data)
        return err
    }
    
    //GenECDSAPriv 生成ECDSA私钥文件
    func GenECDSAPriv(fileName, passwd string) error {
        priv, err := ecdsa.GenerateKey(elliptic.P224(), rand.Reader)
        if err != nil {
            return err
        }
        data, err := x509.MarshalECPrivateKey(priv)
        if err != nil {
            return err
        }
        err = encodePrivPemFile(fileName, passwd, data)
        return err
    }
    //GenDSAPriv 生成DSA私钥(用于演示)
    func GenDSAPriv() {
        priv := &dsa.PrivateKey{}
        dsa.GenerateParameters(&priv.Parameters, rand.Reader, dsa.L1024N160)
        dsa.GenerateKey(priv, rand.Reader)
        fmt.Printf("priv:%+v\n", priv)
    }
    
    //DecodePriv 解析私钥文件生成私钥，（RSA，和ECDSA两种私钥格式）
    func DecodePriv(fileName, passwd string) (pubkey, priv interface{}, err error) {
        data, err := ioutil.ReadFile(fileName)
        if err != nil {
            return nil, nil, errors.New("读取私钥文件错误")
        }
        block, _ := pem.Decode(data)
        data, err = x509.DecryptPEMBlock(block, []byte(passwd))
        if err != nil {
            return nil, nil, err
        }
    
        privKey, err := x509.ParsePKCS1PrivateKey(data) //解析成RSA私钥
        if err != nil {
            priv, err = x509.ParseECPrivateKey(data) //解析成ECDSA私钥
            if err != nil {
                return nil, nil, errors.New("支持持RSA和ECDSA格式的私钥")
            }
        }
        priv = privKey
        pubkey = &privKey.PublicKey
        return
    }
    
    //生成私钥的pem文件
    func encodePrivPemFile(fileName, passwd string, data []byte) error {
        block, err := x509.EncryptPEMBlock(rand.Reader, "RSA PRIVATE KEY", data, []byte(passwd), x509.PEMCipher3DES)
        if err != nil {
            return err
        }
        file, err := os.Create(fileName)
        if err != nil {
            return err
        }
        err = pem.Encode(file, block)
        if err != nil {
            return err
        }
        return nil
    }

在这个代码用有一些问题：使用ECDSA生成私钥后加密的Type不知道填什么，暂时使用了”RSA PRIVATE KEY”。

和CertificateRequest有关的代码：

// EncodeCsr 生成证书请求
    func EncodeCsr(country, organization, organizationlUnit, locality, province, streetAddress, postallCode []string, commonName, fileName string, priv interface{}) error {
        req := &x509.CertificateRequest{
            Subject: pkix.Name{
                Country:            country,
                Organization:       organization,
                OrganizationalUnit: organizationlUnit,
                Locality:           locality,
                Province:           province,
                StreetAddress:      streetAddress,
                PostalCode:         postallCode,
                CommonName:         commonName,
            },
        }
    
        data, err := x509.CreateCertificateRequest(rand.Reader, req, priv)
        if err != nil {
            return err
        }
        err = util.EncodePemFile(fileName, "CERTIFICATE REQUEST", data)
        return err
    }
    
    //DecodeCsr 解析CSRpem文件
    func DecodeCsr(fileName string) (*x509.CertificateRequest, error) {
        data, err := util.DecodePemFile(fileName)
        if err != nil {
            return nil, err
        }
    
        req, err := x509.ParseCertificateRequest(data)
        return req, err
    }

和生成Certificate有关的代码：

//GenSignselfCertificate 生成自签名证书
    func GenSignselfCertificate(req *x509.CertificateRequest, publickey, privKey interface{}, fileName string, maxPath int, days time.Duration) error {
        template := &x509.Certificate{
            SerialNumber:          big.NewInt(random.Int63n(time.Now().Unix())),
            Subject:               req.Subject,
            NotBefore:             time.Now(),
            NotAfter:              time.Now().Add(days * 24 * time.Hour),
            BasicConstraintsValid: true,
            IsCA:               true,
            SignatureAlgorithm: x509.SHA1WithRSA, // 签名算法选择SHA1WithRSA
            KeyUsage:           x509.KeyUsageCertSign | x509.KeyUsageCRLSign | x509.KeyUsageDataEncipherment,
            SubjectKeyId:       []byte{1, 2, 3},
        }
        if maxPath > 0 { //如果长度超过0则设置了 最大的路径长度
            template.MaxPathLen = maxPath
        }
        cert, err := x509.CreateCertificate(rand.Reader, template, template, publickey, privKey)
        if err != nil {
            return errors.New("签发自签名证书失败")
        }
        err = util.EncodePemFile(fileName, "CERTIFICATE", cert)
        if err != nil {
            return err
        }
        return nil
    }
    
    //GenCertificate 生成非自签名证书
    func GenCertificate(req *x509.CertificateRequest, parentCert *x509.Certificate, pubKey, parentPrivKey interface{}, fileName string, isCA bool, days time.Duration) error {
        template := &x509.Certificate{
            SerialNumber: big.NewInt(random.Int63n(time.Now().Unix())),
            Subject:      req.Subject,
            NotBefore:    time.Now(),
            NotAfter:     time.Now().Add(days * 24 * time.Hour),
            // ExtKeyUsage: []x509.ExtKeyUsage{ //额外的使用
            //  x509.ExtKeyUsageClientAuth,
            //  x509.ExtKeyUsageServerAuth,
            // },
            //
    
            SignatureAlgorithm: x509.SHA1WithRSA,
        }
    
        if isCA {
            template.BasicConstraintsValid = true
            template.IsCA = true
        }
    
        cert, err := x509.CreateCertificate(rand.Reader, template, parentCert, pubKey, parentPrivKey)
        if err != nil {
            return errors.New("签署证书失败")
        }
        err = util.EncodePemFile(fileName, "CERTIFICATE", cert)
        if err != nil {
            return err
        }
        return nil
    }

在生成证书这方法，由于可设置的内容过多，不应该使用参数来对证书内容进行控制。应该和openssl一样使用配置文件的方式来对证书中的内容进行配置。