X.509證書(shū)的編碼及解析：程序解析以及winhex模板解析
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一、證書(shū)的整體結(jié)構(gòu)：證書(shū)內(nèi)容、簽名算法、簽名結(jié)果。
用ASN.1語(yǔ)法描述如下：
Certificate::=SEQUENCE{
tbsCertificate TBSCertificate,
signatureAlgorithm AlgorithmIdentifier,
signatureValue BIT STRING
}其中，簽名算法為CA對(duì)tbsCertificate進(jìn)行簽名所使用的算法；類型為AlgorithmIdentifier，其ASN.1語(yǔ)法描述如下：
AlgorithmIdentifier::=SEQUENCE{
algorithm OBJECT IDENTIFIER,
parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL
}其中，algorithm給出了算法的OID；可選的parameters給出算法的參數(shù)。
需要注意，algorithm同時(shí)說(shuō)明了雜湊算法和數(shù)字簽名算法，常見(jiàn)的有：(1)MD5wihRSAEncryption, MD5 Hash函數(shù)和RSA簽名算法配合使用，OID為1.2.840.113549.1.1.4。(2)SHA1withRSAEncryption, SHA-1 Hash函數(shù)和RSA簽名算法配合使用，OID為1.2.840.113549.1.1.5。
簽名結(jié)果是CA對(duì)tbsCertificate進(jìn)行簽名的結(jié)果，類型為BIT STRING。
證書(shū)內(nèi)容是需要被CA簽名的信息，ASN.1語(yǔ)法描述如下：
TBSCertificate::=SEQUENCE{
version [0] EXPLICIT Version DEFAULT v1,
serialNumber CertificateSerialNumber,
signature AlgorithmIdentifier,
issuer Name,
validity Validity,
subject Name,
subjectPublicKeyInfo SubjectPublicKeyInfo,
issuerUniqueID [1] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL,
subjectUniqueID [2] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL,
extensions [3] EXPLICIT Extensions OPTIONAL
}其中，issuerUniqueID和subjectUniqueID只能在版本2或者3中出現(xiàn)；extensions只能在版本3中出現(xiàn)。
下面我們逐一說(shuō)明TBSCertificate中的每一個(gè)字段。
1>版本號(hào)
版本(version)為整數(shù)格式。到目前為止，證書(shū)格式的版本只有v1、v2、v3，分別用整數(shù)0、1、2表示。
其類型Version的ASN.1描述如下：
Version::=INTEGER {v1(0),v2(1),v3(2)}目前最常用的版本是v3。
2>序列號(hào)
證書(shū)序列號(hào)(serialNumber)為整數(shù)格式。
其類型CertificateSerialNumber的ASN.1描述如下：
CertificateSerialNumber::=INTEGER
證書(shū)序列號(hào)用來(lái)在某一個(gè)CA范圍內(nèi)唯一地標(biāo)識(shí)一張證書(shū)。由此，“簽發(fā)者”和“證書(shū)序列號(hào)”配合起來(lái)就能唯一地標(biāo)識(shí)一張數(shù)字證書(shū)。在很多PKI的通信協(xié)議中使用的就是這種方式。
RFC 3280標(biāo)準(zhǔn)要求證書(shū)序列號(hào)必須是正整數(shù)，且長(zhǎng)度不應(yīng)該大于20字節(jié)。
3>簽名算法
簽名算法(signature)給出了CA簽發(fā)證書(shū)時(shí)所使用的數(shù)字簽名算法，它的類型與signatureAlgorithm的類型相同，都為AlgorithmIdentifier，它們的值必須一致，否則該證書(shū)無(wú)效。
4>簽發(fā)者和主體
證書(shū)的簽發(fā)者(issuer)和證書(shū)主體(subject)分別標(biāo)識(shí)了簽發(fā)證書(shū)的CA實(shí)體和證書(shū)持有者實(shí)體，兩者類型均為Name。ASN.1描述如下：
Name::=CHOICE{
RDNSequence
}
RDNSequence::=SEQUENCE OF RelativeDistinguishedName
RelativeDistinguishedName::=SET OF AttributeTypeAndValue
AttributeTypeAndValue::=SEQUENCE{
type AttributeType,
value AttributeValue
}
AttributeType::=OBJECT IDENTIFIER
AttributeValue::=ANY DEFINED BY AttributeType證書(shū)的簽發(fā)者和證書(shū)主體用X.509 DN表示，DN是由RDN構(gòu)成的序列。RDN用“屬性類型=屬性值”的形式表示。常用的屬性類型名稱以及簡(jiǎn)寫(xiě)如下：
| 屬性類型名稱 | 含義 | 簡(jiǎn)寫(xiě) |
| Common Name | 通用名稱 | CN |
| Organizational Unit name | 機(jī)構(gòu)單元名稱 | OU |
| Organization name | 機(jī)構(gòu)名 | O |
| Locality | 地理位置 | L |
| State or province name | 州/省名 | S |
| Country | 國(guó)名 | C |
5>有效期
證書(shū)有效期(validity)給出證書(shū)的有效使用期，包含起、止兩個(gè)時(shí)間值。時(shí)間值可以使用UTCTime或者GeneralizedTime的形式表示。ASN.1描述如下：
Validity::=SEQUENCE{
notBefore Time,
notAfter Time
}
Time::=CHOICE{
utcTime UTCTime,
generalTime GeneralizedTime
}6>主體公鑰信息
主體公鑰信息(subjectPublicKeyInfo)給出了證書(shū)所綁定的加密算法和公鑰。其ASN.1描述如下：
SubjectPublicKeyInfo::=SEQUENCE{
algorithm AlgorithmIdentifier,
subjectPublicKey BIT STRING
}其中，algorithm表示被綁定的、證書(shū)主體持有的公鑰密碼算法；subjectPublicKey是具體的公鑰數(shù)據(jù)，內(nèi)容和格式依算法不同而異。對(duì)于RSA算法，它包含公鑰參數(shù)e和n。
7>簽發(fā)者唯一標(biāo)識(shí)符和主體唯一標(biāo)識(shí)符
簽發(fā)者唯一標(biāo)識(shí)符(issuerUniqueID)和主體唯一標(biāo)識(shí)符(subjectUniqueID)給出了證書(shū)簽發(fā)者和證書(shū)主體的唯一標(biāo)識(shí)符。UniqueIdentifier類型的ASN.1描述如下：
UniqueIdentifier::=BIT STRING
二、證書(shū)編碼
針對(duì)ASN.1的語(yǔ)法，編碼可以采用“TLV”方式，即依次對(duì)數(shù)據(jù)的類型(type)、長(zhǎng)度(length)、值(value)編碼，這樣就可以完整地表示一個(gè)特定類型的數(shù)據(jù)。“TLV”方式的編碼有多種，下面介紹DER這種編碼方式。都是big-endian字節(jié)序。
1.簡(jiǎn)單類型的編碼
1>BOOLEAN：01
布爾類型，兩種取值：TRUE(0xFF)、FALSE(0x00)。
編碼為：
T L V TRUE 01 01 FF FALSE 01 01 00
2>INTEGER：02
整數(shù)類型。兩種情況：
第一種，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不大于0x7F，稱為“短形式”，length占1字節(jié)，直接把長(zhǎng)度賦給length。舉例：0x123456的DER編碼為：
T L V02 03 12 34 56
第二種，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于0x7F，稱為“長(zhǎng)形式”，把數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L表示為字節(jié)碼，計(jì)算其長(zhǎng)度n，然后把n與0x80進(jìn)行“位或”運(yùn)算的結(jié)果賦給length的第一個(gè)字節(jié)。舉例：0x1234...34(長(zhǎng)0100字節(jié))，即n=2，編碼為：
T L V02 82 01 00 12 34 ... 34
此外，對(duì)于整數(shù)，還有正負(fù)的問(wèn)題。規(guī)定value的最高位表示符號(hào)---0(+) 1(-) 負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示。
1)對(duì)于正數(shù)，如最高位為1，則向左擴(kuò)展00。
2)對(duì)于負(fù)數(shù)，如其補(bǔ)碼的最高位為0，則向左擴(kuò)展FF。
3>BIT STRING：03
比特串的長(zhǎng)度可能不是8的倍數(shù)，而DER編碼以字節(jié)為單位。故而，如果需要，則在比特串的最后填若干位“0”，使其長(zhǎng)度達(dá)到8的倍數(shù)；在最前面增加1字節(jié)，寫(xiě)明填充的位數(shù)。特別注意：value部分的第一字節(jié)，即表示填充位數(shù)的那個(gè)字節(jié)，也要計(jì)入數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度。如果不需要填充，則第一字節(jié)也需要用00來(lái)表示填充位數(shù)。舉例：1011010010編碼為：
T L V03 03 06 B4 80
4>OCTET STRING：04
字節(jié)碼串。舉例：AB CD EF 01 23的編碼為：
T L V04 05 AB CD EF 01 23
5>NULL：05
編碼是固定的，value部分為空，一共兩字節(jié)：
T L05 00
6>OBJECT IDENTIFIER：06
對(duì)象標(biāo)識(shí)符（OID），是一個(gè)用“.”隔開(kāi)的非負(fù)整數(shù)組成的序列。下面說(shuō)下OID的編碼設(shè)計(jì)：設(shè)OID=V1.V2.V3.V4.V5....Vn，則DER編碼的value部分規(guī)則如下：(1)計(jì)算40*V1+V2作為第一字節(jié)；(2)將Vi(i>=3)表示為128進(jìn)制，每一個(gè)128進(jìn)制位作為一個(gè)字節(jié)，再將除最后一個(gè)字節(jié)外的所有字節(jié)的最高位置1；(3)依次排列，就得到了value部分。舉例：OID=1.2.840.11359.1.1的編碼如下：
說(shuō)明：Vi的最后一個(gè)字節(jié)不對(duì)最高位置1，系統(tǒng)以此來(lái)識(shí)別這里是這個(gè)字段的最后一字節(jié)。
7>PrintableString：13
表示任意長(zhǎng)度的ASCII字符串。舉例：“Hello, world”的編碼為：
T L V13 0C 48 65 6C 6C 6F 2C 20 77 6F 72 6C 64
8>UTCTime：17
表示時(shí)間,可以用GMT格林威治時(shí)間(結(jié)尾標(biāo)“Z”)來(lái)表示，或者是用本地時(shí)間和相對(duì)于GMT的偏移量來(lái)表示。
UTCTime的格式如下多種：
YYMMDDhhmmZ
YYMMDDhhmm+hh'mm'
YYMMDDhhmm-hh'mm'
YYMMDDhhmmssZ
YYMMDDhhmmss+hh'mm'
YYMMDDhhmmss-hh'mm'
其中，
YY：年的最后2位
MM：月，01-12
DD：日，01-31
hh：小時(shí)，00-23
mm：分鐘，00-59
ss：秒，00-59
Z/+/-：Z表示GMT時(shí)間，+/-表示本地時(shí)間與GMT時(shí)間的差距
hh’：與GMT的差
mm’：與GMT的差
舉例：北京時(shí)間2008年8月8日晚8時(shí)表示成UTCTime為：080808120000Z 或 080808200000-0800 其編碼為：
T L V17 0D 30 38 30 38 30 38 31 32 30 30 30 30 5A 或 T L V17 11 30 38 30 38 30 38 32 30 30 30 30 30 2D 30 38 30 30
9>GeneralizedTime：18
與UTCTime類似，差別只在于用4位數(shù)字表示“年”，以及“秒”可精確到千分位。舉例：北京時(shí)間2008年8月8日晚8時(shí)1分2.345秒表示成GeneralizedTime為：20080808120102.345Z 或 20080808200102.345-0800 其編碼為：
T L V18 13 32 30 30 38 30 38 30 38 31 32 30 31 30 32 2E 33 34 35 5A 或 T L V18 17 32 30 30 38 30 38 30 38 32 30 30 31 30 32 2E 33 34 35 2D 30 38 30 30
2.構(gòu)造類型數(shù)據(jù)的編碼
1>序列構(gòu)造類型：30
SEQUENCE與SEQUENCE OF的type相同，都是30。value部分為序列內(nèi)所有項(xiàng)目的編碼的依次排列。length為這些項(xiàng)目編碼的總長(zhǎng)度。舉例：一天中幾次溫度測(cè)量的結(jié)果：temperatureInADay SEQUENCE(7) OF INTEGER::={21,15,5,-2,5,10,5}, 其DER編碼為：
T L V30 15 02 01 15 02 01 0F 02 01 05 02 01 FE 02 01 05 02 01 0A 02 01 05
構(gòu)造類型的定義中，常常包含CHOICE、ANY、OPTIONAL、DEFAULT等關(guān)鍵字，其編碼規(guī)則如下：
(1)CHOICE
多選一，按照實(shí)際選中的類型編碼。舉例：
Time::=CHOICE{
utcTime UTCTime,
generalizedTime GeneralizedTime
}若實(shí)際用到的類型是UTCTime，則數(shù)據(jù)用UTCTime的編碼規(guī)則編碼。
(2)ANY
類型依賴于另一個(gè)域的值，則按照實(shí)際類型編碼。舉例：
AlgorithmIdentifier::=SEQUENCE{
algorithm OBJECT IDENTIFIER,
parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL
}若algorithm的值表示RSA，則parameters按RSA算法的參數(shù)類型編碼；若algorithm的值表示Diffie-Hellman算法，則parameters按Diffie-Hellman算法的參數(shù)類型編碼。
(3)OPTIONAL
所標(biāo)記的字段在實(shí)際中可能存在，也可能不存在。如果有值，則編碼；如果無(wú)值，則直接跳過(guò)。舉例：
AlgorithmIdentifier::=SEQUENCE{
algorithm OBJECT IDENTIFIER,
parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL
}實(shí)際中，如果沒(méi)有參數(shù)parameters，則相當(dāng)于
AlgorithmIdentifier::=SEQUENCE{
algorithm OBJECT IDENTIFIER
}(4)DEFAULT
如果所標(biāo)記的字段在實(shí)際中正好等于缺省值，則可以編碼也可以不編碼，相當(dāng)于是OPTIONAL；如果不等于缺省值，則應(yīng)該如實(shí)編碼。舉例：
Certificate::=SEQUENCE{
version Version DEFAULT 0
......
}若version的值恰好等于0（缺省值），則可以不編碼；否則，必須按其類型編碼。
2>集合構(gòu)造類型：31
SET和SET OF的type都是31，value部分包括集合內(nèi)所有項(xiàng)目的編碼，length為其總長(zhǎng)度。需要注意的是，集合構(gòu)造類型中的各字段是并列的，邏輯上不分先后，但為了編碼的唯一性，在DER編碼中，編碼的排列是有一定順序的。SET按標(biāo)簽的順序排列。舉例：
Name::=SET{
surname [0] PrintableString,
mid-name [1] PrintableString,
first-name [2] PrintableString
}編碼時(shí)則按照surname，mid-name，first-name的順序。
SET OF按字典升序排列，即將各項(xiàng)目的DER結(jié)果看做字節(jié)碼從小到大排列。舉例：一天中幾次溫度測(cè)量的結(jié)果：temperatureInADay SET(7) OF INTEGER::={21,15,5,-2,5,10,5}, 其DER編碼為：
T L V30 15 02 01 05 02 01 05 02 01 05 02 01 0A 02 01 0F 02 01 15 02 01 FE
由于排序需要一定的時(shí)間和空間代價(jià)，故而實(shí)際情況中，應(yīng)避免使用集合構(gòu)造類型。
3.標(biāo)簽
僅僅以上的編碼規(guī)則是不夠的，會(huì)有些出現(xiàn)歧義的情況。比如：有相鄰的字段屬于相同的數(shù)據(jù)類型。type相同，則根據(jù)編碼的排列順序來(lái)區(qū)分他們。一旦其中有字段是可選的，解碼時(shí)就不能再僅僅根據(jù)排列順序來(lái)判斷下一個(gè)是哪個(gè)字段了，產(chǎn)生歧義。故而，引入了標(biāo)簽，目的是把相同的type標(biāo)簽為不同的type，以便區(qū)分。
標(biāo)簽分為隱式標(biāo)簽和顯式標(biāo)簽兩種。分別如下：
隱式標(biāo)簽：
舉例：
Contact::=SEQUENCE{
name PrintableString,
sex BOOLEAN,
title [0] IMPLICIT PrintableString OPTIONAL,
locality [1] IMPLICIT PrintableString OPTIONAL,
telephone [2] IMPLICIT PrintableString OPTIONAL,
fax [3] IMPLICIT PrintableString OPTIONAL
}DER編碼時(shí)，對(duì)于加了標(biāo)簽的項(xiàng)目，按如下規(guī)則編碼：
對(duì)于簡(jiǎn)單類型，type=80+tag序號(hào)；對(duì)于構(gòu)造類型，type=A0+tag序號(hào)。length和value不變。
例如，上例中如果項(xiàng)目fax被賦值為“86-10-12345678”，則編碼為
T L V83 0E 38 36 2D 31 30 2D 31 32 33 34 35 36 37 38
顯式標(biāo)簽：
舉例：（隱式標(biāo)簽的例子）
Record::=SEQUENCE{
......
time [1] IMPLICIT Time OPTIONAL,
......
}
Time::=CHOICE{
utcTime UTCTime,
generalizedTime GeneralizedTime
}假設(shè)time被賦值為UTCTime類型的值080808120000Z，而由于隱式標(biāo)簽的type編碼覆蓋了表示這一類型的type編碼，導(dǎo)致編碼時(shí)無(wú)法判斷time究竟是哪種類型，造成混亂。于是這里需要使用顯式標(biāo)簽。運(yùn)用顯式標(biāo)簽，上例描述為：
Record::=SEQUENCE{
......
time [1] EXPLICIT Time OPTIONAL,
......
}
Time::=CHOICE{
utcTime UTCTime,
generalizedTime GeneralizedTime
}編碼規(guī)則如下：
T L V A0+Tag序號(hào) 原TLV格式編碼的總長(zhǎng)度 原TLV格式編碼
上例中time=080808120000Z的編碼為：
T L V A1 0F 17 0D 30 38 30 38 30 38 31 32 30 30 30 30 5A
事實(shí)上，顯式標(biāo)簽就是在原編碼外再封裝一層。
三、證書(shū)解析 C程序
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