.NET Core加解密實戰系列之——使用BouncyCastle製作p12(.pfx)數字證書

2020-09-23 12:00:23

簡介

加解密現狀，編寫此係列文章的背景：

需要考慮系統環境相容性問題（Linux、Windows）
語言互通問題（如C#、Java等）（加解密本質上沒有語言之分，所以原則上不存在互通性問題）
網上資料版本不一、或不全面
.NET官方庫密碼演算法提供不全面，很難針對其他語言（Java）進行適配

本系列文章主要介紹如何在 .NET Core 中使用非對稱加密演算法、編碼演算法、訊息摘要演算法、簽名演算法、對稱加密演算法、國密演算法等一系列演算法，如有錯誤之處，還請大家批評指正。

本系列文章旨在引導大家能快速、輕鬆的瞭解接入加解密，乃至自主組合搭配使用BouncyCastle密碼術包中提供的演算法。

本系列程式碼項目地址：https://github.com/fuluteam/ICH.BouncyCastle.git

上一篇文章《.NET Core加解密實戰系列之——對稱加密演算法》：https://www.cnblogs.com/fulu/p/13650079.html

功能依賴

BouncyCastle（https://www.bouncycastle.org/csharp）是一個開放源碼的輕量級密碼術包；它支援大量的密碼術演算法，它提供了很多 .NET Core標準庫沒有的演算法。

支援 .NET 4，.NET Standard 1.0-2.0，WP，Silverlight，MonoAndroid，Xamarin.iOS，.NET Core

功能	依賴
Portable.BouncyCastle	Portable.BouncyCastle • 1.8.6

前言

在工作中我們難免會接觸對接外部系統（如銀行、支付寶、微信等），對接過程中又無可避免會對資料的加解密和加簽驗籤。一般第三方會提供一個授權證書，讓我們自行解密提取祕鑰。為了讓你拿到證書後不會像我當初一樣一臉懵逼，咱們來看看如何使用C#程式碼製作使用p12證書。

當然，比較常見的，還是推薦大家使用OpenSSL。

OpenSSL是目前最流行的 SSL密碼庫工具，其提供了一個通用、健壯、功能完備的工具套件，用以支援SSL/TLS 協議的實現。
官網：https://www.openssl.org/source/

什麼是p12證書

公鑰加密技術12號標準（Public Key Cryptography Standards #12，PKCS#12）為儲存和傳輸使用者或伺服器私鑰、公鑰和證書指定了一個可移植的格式。它是一種二進位制格式，這些檔案也稱為PFX檔案。

P12證書包含了私鑰、公鑰並且有口令保護，在證書洩露後還有最後一道保障。沒有證書口令無法提取祕鑰。
對PKCS標準感興趣的小夥伴可以參考百度百科PKCS介紹

什麼是X.509格式

在密碼學中，X.509是定義公鑰證書格式的標準。X.509證書用於許多Internet協議，包括TLS/SSL，它是HTTPS(用於瀏覽web的安全協議)的基礎。它們也用於離線應用程式，比如電子簽名。一個X.509證書包含一個公鑰和一個標識(主機名、組織或個人)，由證書頒發機構簽名或自簽名。當證書由受信任的證書頒發機構簽名時，或者通過其他方法進行驗證時，持有該證書的人可以依賴於它包含的公鑰來與另一方建立安全通訊，或者驗證由相應私鑰數字簽名的文件。

X.509還定義了證書撤銷列表，這是一種分發被簽名機構認為無效的證書資訊的方法，以及認證路徑驗證演算法，該演算法允許證書由中間CA證書籤名，而中間CA證書又由其他證書籤名，最終到達信任錨。

X.509由國際電信聯盟標準化部門(ITU-T)定義，並基於ITU-T的另一個標準ASN.1。

SSL Certificate (編碼)格式

SSL Certificate實際上就是X.509 Certificate。X.509是一個定義了certificate結構的標準。它在SSL certificate中定義了一個數據域。X.509使用名為 Abstract Syntax Notation One (ASN.1)的通用語言來描述certificate的資料結構。

X.509 certificate 有幾種不同的格式，例如 PEM，DER，PKCS#7 和 PKCS#12。 PEM和PKCS#7格式使用Base64 ASCII編碼，而DER和PKCS#12使用二進位制編碼。certificate檔案基於不同的編碼格式有不同的副檔名。

如下圖就展示了X.509證書的編碼方式和副檔名。

X.509 證書結構

X.509證書的結構是用ASN.1(Abstract Syntax Notation One：抽象語法標記)來描述其資料結構，並使用ASN1語法進行編碼。

X.509 v3數字證書的結構如下：
certificate 證書
Version Number版本號
Serial Number序列號
ID Signature Algorithm ID簽名演算法
Issuer Name頒發者名稱
Validity period 有效期
Not before起始日期
Not after截至日期
Subject Name主題名稱
Subject pbulic Key Info 主題公鑰資訊
Public Key Algorithm公鑰演算法
Subject Public Key主題公鑰
Issuer Unique Identifier (optional)頒發者唯一標識符（可選）
Subject Unique Identifier (optional)主題唯一標識符（可選）
Extensions (optional) 證書的擴展項（可選）
Certificate Sigature Algorithm證書籤名演算法
Certificate Signature證書的簽名

證書操作

證書生成

/// <summary>
/// 生成證書
/// </summary>
/// <param name="notAfter">證書失效時間</param>
/// <param name="keyStrength">金鑰長度</param>
/// <param name="password">證書密碼</param>
/// <param name="signatureAlgorithm">設定將用於簽署此證書的簽名演算法</param>
/// <param name="issuer">設定此證書頒發者的DN</param>
/// <param name="subject">設定此證書使用者的DN</param>
/// <param name="friendlyName">設定證書友好名稱（可選）</param>
/// <param name="notBefore">證書生效時間</param>
public static void GenerateCertificate(string filename, string password, string signatureAlgorithm, X509Name issuer, X509Name subject, DateTime notBefore, DateTime notAfter, string friendlyName, int keyStrength = 2048)
{
    SecureRandom random = new SecureRandom(new CryptoApiRandomGenerator());

    var keyGenerationParameters = new KeyGenerationParameters(random, keyStrength);
    var keyPairGenerator = new RsaKeyPairGenerator(); //RSA金鑰對生成器
    keyPairGenerator.Init(keyGenerationParameters);
    var subjectKeyPair = keyPairGenerator.GenerateKeyPair();

    ISignatureFactory signatureFactory = new Asn1SignatureFactory(signatureAlgorithm, subjectKeyPair.Private, random);

    //the certificate generator
    X509V3CertificateGenerator certificateGenerator = new X509V3CertificateGenerator();

    var spki = SubjectPublicKeyInfoFactory.CreateSubjectPublicKeyInfo(subjectKeyPair.Public);

    //設定一些擴展欄位
    //允許作為一個CA證書（可以頒發下級證書或進行簽名）
    certificateGenerator.AddExtension(X509Extensions.BasicConstraints, true, new BasicConstraints(true));
    //使用者金鑰標識符
    certificateGenerator.AddExtension(X509Extensions.SubjectKeyIdentifier, false, new SubjectKeyIdentifier(spki));
    //授權金鑰標識符
    certificateGenerator.AddExtension(X509Extensions.AuthorityKeyIdentifier, false, new AuthorityKeyIdentifier(spki));

    certificateGenerator.AddExtension(X509Extensions.ExtendedKeyUsage.Id, true, new ExtendedKeyUsage(KeyPurposeID.IdKPServerAuth));

    //證書序列號
    BigInteger serialNumber = BigIntegers.CreateRandomInRange(BigInteger.One, BigInteger.ValueOf(long.MaxValue), random);
    certificateGenerator.SetSerialNumber(serialNumber);

    certificateGenerator.SetIssuerDN(issuer);   //頒發者資訊
    certificateGenerator.SetSubjectDN(subject); //使用者資訊
    certificateGenerator.SetNotBefore(notBefore);   //證書生效時間
    certificateGenerator.SetNotAfter(notAfter); //證書失效時間
    certificateGenerator.SetPublicKey(subjectKeyPair.Public);

    Org.BouncyCastle.X509.X509Certificate certificate = certificateGenerator.Generate(signatureFactory);

    //生成cer證書，公鑰證書
    //var certificate2 = new X509Certificate2(DotNetUtilities.ToX509Certificate(certificate))
    //{
    //    FriendlyName = friendlyName, //設定友好名稱
    //};
    ////cer公鑰檔案
    //var bytes = certificate2.Export(X509ContentType.Cert);
    //using (var fs = new FileStream(certPath, FileMode.Create))
    //{
    //    fs.Write(bytes, 0, bytes.Length);
    //}

    //另一種程式碼生成p12證書的方式（要求使用.net standard 2.1）
    //certificate2 =
    //             certificate2.CopyWithPrivateKey(DotNetUtilities.ToRSA((RsaPrivateCrtKeyParameters)keyPair.Private));

    //var bytes2 = certificate2.Export(X509ContentType.Pfx, password);
    //using (var fs = new FileStream(pfxPath, FileMode.Create))
    //{
    //    fs.Write(bytes2, 0, bytes2.Length);
    //}

    var certEntry = new X509CertificateEntry(certificate);
    var store = new Pkcs12StoreBuilder().Build();
    store.SetCertificateEntry(friendlyName, certEntry);   //設定證書  
    var chain = new X509CertificateEntry[1];
    chain[0] = certEntry;
    store.SetKeyEntry(friendlyName, new AsymmetricKeyEntry(subjectKeyPair.Private), chain);   //設定私鑰  
    using (var fs = File.Create(filename))
    {
        store.Save(fs, password.ToCharArray(), random); //儲存  
    };

}


private static void Certificate_Sample()
{
    //頒發者DN
    var issuer = new X509Name(new ArrayList
    {
        X509Name.C,
        X509Name.O,
        X509Name.OU,
        X509Name.L,
        X509Name.ST
    }, new Hashtable
    {
        [X509Name.C] = "CN",
        [X509Name.O] = "Fulu Newwork",
        [X509Name.OU] = "Fulu RSA CA 2020",
        [X509Name.L] = "Wuhan",
        [X509Name.ST] = "Hubei",
    });
    //使用者DN
    var subject = new X509Name(new ArrayList
    {
        X509Name.C,
        X509Name.O,
        X509Name.CN
    }, new Hashtable
    {
        [X509Name.C] = "CN",
        [X509Name.O] = "ICH",
        [X509Name.CN] = "*.fulu.com"
    });

    var password = "123456";    //證書密碼
    var signatureAlgorithm = "SHA256WITHRSA"; //簽名演算法

    //生成證書
    CertificateUtilities.GenerateCertificate("fuluca.pfx", password, signatureAlgorithm, issuer, subject, DateTime.UtcNow.AddDays(-1), DateTime.UtcNow.AddYears(2), "fulu passport");

    //載入證書
    X509Certificate2 pfx = new X509Certificate2("fuluca.pfx", password, X509KeyStorageFlags.Exportable);

    var keyPair = DotNetUtilities.GetKeyPair(pfx.PrivateKey);

    var subjectPublicKeyInfo = SubjectPublicKeyInfoFactory.CreateSubjectPublicKeyInfo(keyPair.Public);
    var privateKeyInfo = PrivateKeyInfoFactory.CreatePrivateKeyInfo(keyPair.Private);

    var privateKey = Base64.ToBase64String(privateKeyInfo.ParsePrivateKey().GetEncoded());
    var publicKey = Base64.ToBase64String(subjectPublicKeyInfo.GetEncoded());

    Console.ForegroundColor = ConsoleColor.DarkYellow;

    Console.WriteLine("Pfx證書私鑰：");
    Console.WriteLine(privateKey);

    Console.WriteLine("Pfx證書公鑰：");
    Console.WriteLine(publicKey);

    var data = "hello rsa";

    Console.WriteLine($"加密原文：{data}");

    var pkcs1data = RSA.EncryptToBase64(data, AsymmetricKeyUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormPublicKey(publicKey), Algorithms.RSA_ECB_PKCS1Padding);

    Console.WriteLine("加密結果：");
    Console.WriteLine(pkcs1data);

    Console.WriteLine("解密結果：");
    var datares = RSA.DecryptFromBase64(pkcs1data,
        AsymmetricKeyUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormPrivateKey(privateKey), Algorithms.RSA_ECB_PKCS1Padding);

    Console.WriteLine(datares);
}

生成的證書檔案：

證書安裝

雙擊證書檔案進行安裝，儲存位置選擇當前使用者。

證書儲存選擇個人

檢視安裝的證書

可以在MMC的證書管理單元中對證書儲存區進行管理。Windows沒有給我們準備好直接的管理證書的入口。自己在MMC中新增，步驟如下：

開始→運行→MMC，開啟一個空的MMC控制檯。
在控制檯選單，檔案→新增/刪除管理單元→新增按鈕→選”證書”→新增→選”我的使用者賬戶”→關閉→確定

展開證書控制檯根節點→證書-當前使用者→個人→證書，找到證書，可以看到下圖中選中的即為我們創建的證書檔案

雙擊證書，可以看到證書的相關資訊

OpenSSL安裝

工具：openssl

安裝軟體：Win64 OpenSSL v1.1.1g Light

下載地址：http://slproweb.com/products/Win32OpenSSL.html

PFX檔案提取公鑰私鑰

openssl pkcs12 -in fulusso.pfx -nocerts -nodes -out private.key

輸入密碼

openssl rsa -in private.key -out pfx_pri.pem

openssl rsa -in private.key -pubout -out pfx_pub.pem

安裝好OpenSSL後，開啟Win64 OpenSSL Command Prompt，讀取到證書檔案所在目錄，按上述命令執行