《資訊安全》 CA建置工具：Openssl的管理與使用介紹（上） 陸維肇 編按：為建立一套更為安全之資訊使用機制，中心PC Farm小組不 斷整合並利用各種可行之軟體工具，進行相關之研發，以期能提供 同仁更多好用之使用軟體與環境。有關資訊安全之議題在今日資訊 網路發達之情況下，更顯得益形重要，對此，該小組成員近日完成 建置CA之免費軟體openssl相關之研究就與探討，並將成果推廣予同 仁分享。本文首對此一軟體工具與機制作介紹，其後將另有相關說 明內容分享同仁。 前言 openssl為目前廣為在unix/linux平台上做為使用建制CA（Certificate Authority）的免費軟體，它除了提供建制CA的基礎功能以外，使用 者也可以使用openssl來做文件加解密、簽章認證等應用。本文中將 分別從CA Server管理者與一般User兩方面，來介紹如何使用openssl 與相關工具。 在CA server方面，介紹如何建置一個CA Server、如何簽發及報 廢 certificate、以及CA簽證policy的設定；在一般User方面，則 包括private key的製作、申請certificate、驗證certificate的有 效性以及一般性的應用，如文件的加解密、簽章與驗證等。 另外，在建置CA時，亦介紹setupCA這套tools，它係以openssl為 基礎，來幫助管理者更方便地完成CA的建置。 為了讓讀者能很快地瞭解openssl的使用方式，筆者將在本文中的 每個實際範例之解說後，附上操作指令，以幫助讀者能夠順利的完 成整個操作的過程。如果操作指令長度超過一行，則會於行末處加 上一反斜線（“\”），以表示次行仍為指令，每個指令後附上指令 參數的說明。例如： 使用user之private key在文件上簽名： openssl smime -sign -inkey user.key -signer user.pem -in test.txt\-out test.sig -sign：簽章 -inkey：user的private key -signer：user.pem--使用的certificate -in：欲簽署的文件 -out：包含簽章的文件 上面的例子中，第一行「使用user之private key在文件上簽名」 說明了這個指令的功能，接著「openssl smime -sign -inkey user.key -signer user.pem -in test.txt \ -out test.sig」則是完整的指 令行，而在指令行中第一行行末出現的反斜線“\”，其代表次行仍 是該指令的一部分，最後則說明了指令中各option所代表的功能說 明。 另，本文中指令內的option可能需要檔案名稱作為該option之參 數，茲將本文指令中所用之檔名代表含意說明如下： ca-key.pem：CA server的private key； ca-cert.pem：CA server的certificate； ca.config：CA server的設定檔； mykey.pem：使用者之private key； mycsr.pem：使用者所提出的 signing request檔案； mycert.pem：在server端，為使用者產生之certificate檔名、 在user端，為使用者之certificate； test.txt：所要簽章或加密之文件檔； test.sig：簽章後的文件檔； test.msg：加密後之文件檔。 相關資源 本文所使用的軟體包括：openssl-0.9.7-beta2以及setupCA-1.1， 使用者可以在以下網址找到相關資源： openssl: http://www.openssl.org/source/ setupCA: http://beta.wsl.sinica.edu.tw/~wzlu/software/setupCA-1.1.tar.gz 軟體安裝 1. openssl安裝 　 安裝openssl前，系統必須已安裝Perl 5、以及ANSI C compiler。 　請下載openssl-0.9.7-beta2.tar.gz並解開後，開始下列的安裝 步驟： $ ./config $ make $ make install 　 openssl內定會安裝在/usr/local/ssl，如果欲安裝在其它路徑， 例如 /usr/local，在 config時，可以進行如下設定： $ ./config --prefix=/usr/local --openssldir=/usr/local/openssl 詳細的安裝步驟，請連線至下列網址 http://www.cgicentral.net/400CS/Docs/openssl/INSTALL.openssl.html 逕行參閱。 2. setupCA安裝 　 請下載setupCA-1.1.tar.gz並解開後，直接執行install.sh進行 安裝，作業方式如下： $ ./install.sh 　其預設安裝之路徑在/usr/local/catools之目錄下；相關之tools 則放置在/usr/local/catools/bin目錄下。 建置CA與實際運作 在這個部份當中，筆者將介紹使用者如何建置自己的Ca以及相關 運作，內容包括：建置Certificate Authority（CA）、 設定CA Signing Policy、簽屬certificat、以及報廢certificate。說明 如下： 1.建置Certificate Authority（CA） 　首先，在建置CA之前，必須先瞭解所要建置CA的種類。基本上， CA分為Signed CA、以及Self-Signed CA（root CA）兩種。此兩 者主要的差異只在於“CA的certificate被認證的方式”不同而已。 　所謂的Singed CA，指的是CA的certificate是被其它CA所認證； 而認證它的CA，我們在這裡稱之為Singed CA的上層CA，或Parent CA，而Singed CA則稱為sub CA或Child CA。通常，Signed CA會 找比較知名或廣受大眾所認可的CA來認證，如Verisign （www.verisign.com）。 　 另外，所謂的Self-Signed CA，其意即為CA的certificate是由自 己所認證，而非經由其他CA來認證。由於其CA的certificate不是 被其他的CA所認證，它沒有所謂的上層CA。而這種CA通常是CA鏈 當中最頂層的CA，因此，它又稱為root CA。 　為便於說明，以下我們將建立一組Self-Signed CA，稱為Central； 一組Signed CA，稱為Sinica，由Central所認證。在建立Self-Signed CA與Signed CA的例子中，使用的是setupCA準備好的tools，這些 tools都是建構在openssl的指令之上，目的在幫助我們快速且方 便地建立自己的CA。 a)建立Self-Signed CA 　 建立Self-Signed CA之目標，即在於建置一組Self-Signed CA， 名稱為Central。首先，請找到setupCA tools的安裝目錄，然後 使用create_ca來建置一個Self-Signed CA，create_ca放置在bin 目錄底下。以下為create_ca使用說明： Usage： create_ca -d CA_directory -t SELF -d：建置CA所放的目錄； -t：CA Type，SELF表示Self-Signed CA。 $ cd /usr/local/catools $ bin/create_ca -d /tmp/Central -t SELF Using configuration from /tmp/Central/config/ca.conf Generating a 1024 bit RSA private key .....++++++ .++++++ writing new private key to ‘/tmp/Central/ca-key.pem’ Enter PEM pass phrase: Verifying password - Enter PEM pass phrase: ----- You are about to be asked to enter information that will be incorporated into your certificate request. What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN. There are quite a few fields but you can leave some blank For some fields there will be a default value, If you enter ‘.’, the field will be left blank. ----- Counrty [TW]: Organization [AS]: Name (CA Name) []:Central Create Self Signed CA Success 　 在上面的例子中，CA放置的目錄為/tmp/Central，CA type為SELF， 表示self-signed CA（請注意：此處SELF全為大寫）。實際的操 作過程如下： ．產生CA的private key； ．產生self-signed certificate。 　 首先，程式會要求輸入CA private key的passphrase，然後輸入 CA的information。其中，有關CAinformation的schema定義，是 在/usr/local/catools/conf/ca.conf檔內，目前ca.conf檔只設 定輸入Country Name、Organization、Common Name三項，我們分 別設定為TW、AS Central，使用者可依據自己的需求來修改CA information的schema內容。修改方式請參考Config CA Signing Policy。 　 我們來檢視一下Central CA目錄下的內容： $ ls /tmp/Central bin ca-cert.pem ca-key.pem config crl index.txt newcerts serial bin目錄下放置CA server常用的tools； ca-cert.pem為CA的certificate； ca-key.pem是CA的private key； config目錄下放置CA server的config file； crl目錄放置certificate revoke list檔； index.txt檔為CA的 log file，用來記錄簽屬certificate 的資料； serial檔記錄簽發的序號，讓CA在每次issue一份certificate時都 會給定一組序號，以16進位數字表示，serial number 起始 值為01。 　接著，檢視一下ca-cert.pem檔，可以找到issuer與subject的欄位， 內容都是C=TW、O=AS、CN=Central，表示CA確實是Self-Signed CA。 b)建立Signed CA 建立Signed CA之目標在於建置一組Signed CA，名稱為Sinica. Sinica CA，其是由Central CA所簽署認證的。 建置Singed CA與Self-Signed CA，同樣都是使用create_ca，用法如下： Usage： create_ca -d CA_directory -t SIGNED -p Parent Directory -d：建置CA所放的目錄； -t：CA TYPE, SIGNED表示signed CA。 建立Signed CA與Self-Signed CA稍微不同的是，CA type要改為 SIGNED，另外還要加上它的上層CA的目錄（parent directory）， 加入parent directory的前提是，兩組CA都同在一台機器上面。 此時，Sinica CA的parent CA為Central CA；而建置Central CA 時，目錄是放在/tmp/Central下，因此指令的用法如下： $ bin/create_ca -d /tmp/Sinica -t SIGNED -p /tmp/Central Using configuration from /tmp/Sinica/config/ca.conf Generating a 1024 bit RSA private key .++++++ .....................................................++++++ writing new private key to ‘/tmp/Sinica/ca-key.pem’ Enter PEM pass phrase: Verifying password - Enter PEM pass phrase: ----- You are about to be asked to enter information that will be incorporated into your certificate request. What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN. There are quite a few fields but you can leave some blank For some fields there will be a default value, If you enter ‘.’, the field will be left blank. ----- Counrty [TW]: Organization [AS]: Name (CA Name) []:Sinica Signature ok subject=/C=TW/O=AS/CN=Sinica Getting CA Private Key Enter PEM pass phrase: Create Signed CA Success 以上指令的操作過程如下： ．產生Sinica CA的private key； ．產生Sinica CA的certificate signing request (csr)； c)請Central CA簽署 　指令執行完成後，會將Sinica CA建置在/tmp/Sinica目錄下。在 這個例子中要注意的一點是，輸入完Sinica CA的相關資訊後，最 後還會要求輸入的passphrase是Central CA Private Key的passphrase， 以確認Sinica CA的certificate是由Central CA同意簽署，如稍 微檢視Sinica CA的certificate，可以看到issuer為C=TW、O=AS、 CN=Central；subject為C=TW、O=AS、CN=Sinica。 　另外，如果parent directory沒有指定的話，那麼，create_ca只 會產生certificate signing request（csr），而不會產生certificate。 舉例如下： $ bin/create_ca -d /tmp/testCA -t SIGNED $ ls /tmp/testCA bin ca-csr.pem ca-key.pem config crl index.txt newcerts serial 　 ca-csr.pem檔為testCA的certificate signing request，必須自 行拿這個檔案請其他的CA簽署。 2.設定CA簽證Policy（Config CA Signing Policy） 　CA在簽發certificate前，會先審核certificate signing request （csr）的內容。其實，每個CA對於certificate的簽發都有不一樣 的規定，我們稱之為CA的Signing Policy。以下我們將檢視Sinica CA的Signing Policy設定： $ cd /tmp/Sinica $ vi config/user.conf policy = policy_match [ policy_match ] countryName = match stateOrProvinceName = optional organizationName = optional organizationalUnitName = optional commonName = supplied emailAddress = optional 在上面的設定中，CA會檢查6個項目，包括：countryName、stateOrProvinceName 等。CA對每個項目可以設定三種（match、supplied、optional）不 同的要求標準：match表示user在csr中的schema必須包含此一項目， 而且必須與CA一致。例如，Sinica CA的countryName為TW，則user csr中的countryName也要為TW；supplied表示csr中的schema必須包 含此一項目，但不需與CA一致。例如，user的commonName就不會與CA 相同，但要求一定要有；第三項optional，則表示這個項目可有可無， user沒有提供也沒有太大關係。 　使用setupCA安裝好的CA，可以在config目錄下找到如下兩個檔案： ca.conf、user.conf。這兩個檔案分別設定發行CA certificate的 policy與發行user certificate的policy，管理者可以依據實際需求 分別修改自己的Signing Policy： $ ls /tmp/Sinica/config ca.conf user.conf 3.發行Certificate（Issue Certificate） a)發行User的Certificate 　發行user的certificate時會有如下兩種情況發生： ．由user自行產生private key、以及certificate signing request（csr）； ．由CA server代為產生private key、及certificate signing request（csr）。 　 第一種情況，user在產生完csr檔案以後，必須交由CA server簽 署。當CA簽署過後，再將user certificate交給user。這種情況的 優點是：user可以確保private key不被CA server經手；缺點則是 user必須自行設定產生csr時需的user information schema，而且 必須與CA Signing Policy一致，才能通過簽證。 　 第二種情況則是由CA完全代辦，從private key的產生到certificate 的完成都在CA server端完成。其優點是：User只需依照CA server 的要求填入user information，就能領到CA簽署的certificate以及 user private key；然其缺點則是private key是由CA代為產生，user 必須要完全信任CA server，才能使用此種方式。 　 上述之第一種情況將會在申請Certificate與應用中談及，以下我 們實際操作第二種情況，也就是製作一張由Sinica CA所issue的 certificate。 產生user certificate的步驟如下： ．產生user的private key； ．產生user的certificate signing request（csr）； ．由Sinica CA簽署csr。 　 安裝完CA後，setupCA已經在CA的bin目錄下準備好常用的tools。 首先，請使用create_user_csr產生user的private key與certificate signing request。 Usage： create_user_csr user_name $ cd /tmp/Sinica $ bin/create_user_csr ccchang 　 同樣地，程式會要求輸入user private key的passphrase以及 information，完成以後，可以找到user的private key與csr兩個 檔案：ccchang-key.pem ccchang-req.pem。 　當產生csr檔後，請使用sign_usr_csr工具簽署。Sinica CA對user 的Signing Policy，則是定義在/tmp/Sinica/config/user.conf目 錄下。 Usage： sing_usr_csr csr_file $ bin/sign_usr_csr ccchang-req.pem 　 此時，程式會詢問是否確認簽署，當回答“y”後，就能產生user certificate，檔名為cert.pem。請檢視一下index.txt檔，會發現 這個檔案已經加入一筆certificate的資訊，第一個字元“V”表示 此為有效的certificate，第三個欄位01，表示為CA第一份簽出的 certificate。 $ cat index.txt V 030725083328Z 01 unknown /C=TW/O=AS/OU=AS/CN=Chih-Chiang Chang/Email=ccchang@beta.wsl.sinica.edu.tw b)發行CA的Certificate 　發行CA的certificate程序與發行User certificate一樣，兩者唯 一的差別主要在於它們所使用的Signing Policy不同。其中，Sinica CA對CA的Signing Policy是定義在/tmp/Sinica/config/ca.conf 之下，我們可以使用bin目錄下的create_ca_csr與sign_ca_csr兩 個工具來簽發CA certificate。 Usage： create_ca_csr CA_name sign_ca_csr csr_file 4.取消Certificate（Revoke Certificate） 　 當user的certificate使用一段時間後，可能因更換或其他理由而 不再使用時，CA必須對user的 certificate做註消（Revoke）的 動作，意即告訴其他人這個certificate已經不再使用。這次使用 的指令為revoke_cert，將前面所產生的user certificate給revoke 掉。 Usage： revoke_cert cert_file $ bin/revoke_cert cert.pem 　 此時，如檢視一下index.txt檔的內容，可以發現第一個字變成“R”， 此則表示這個certificate已經被revoke。 $ cat index.txt R 030725070207Z 020725081646Z 01 unknown /C=TW/O=AS/CN=Chih-Chiang Chang/Email=ccchang@beta.wsl.sinica.edu.tw 申請Certificate與應用 前述發行Certificate中，我們談到發行user certificate的兩種 情況，並且實際操作過其中一種，現在，我們要做的另一種情況， 即是由user自行產生private key與certificate signing request。 1.申請Certificate 　 User申請Certificate的步驟包括：產生private key、產生certificate signing request、申請CA server簽署認證，說明如下： a)產生user的 private key： $ mkdir /tmp/Mycert; cd /tmp/Mycert $ openssl genrsa -des3 -out mykey.pem 1024 $ ls mykey.pem 　 首先，使用openssl產生一把使用DES3所加密，長度為1024的private key。產生private key時，程式會要求輸入passphrase。Passphrase 是一個保護”安全使用private key”的機制，每次user使用private key時，都會被要求輸入passphrase，以確保private key不會被冒用。 b)產生user的certificate signing request（csr） 　 User使用private key與個人information產生csr，產生csr時， 會要求輸入passphrase。此外，程式會依據/usr/share/ssl/openssl.cnf 檔的設定，要求輸入user information。請注意，此時的設定必 須與CA server的Signing Policy一致，否則將無法通過認證： $ openssl req -new -key mykey.pem -out mycsr.pem $ ls mycsr.pem mykey.pem c)請CA server簽署認證 　 完成csr檔的製作後，User可以將此csr檔（mycsr.pem）寄給CA單 位代為簽署，如果通過審核後，將收到屬於自己的certificate。 此外，如果發現passphrase已經不安全或被其他人知道時，亦可 以利用下列指令更換passphrase： $ openssl rsa -in private.pem -des3 -out new_private.pem 2.檢視Certificate內容 　 當user收到CA寄回的Certificate之後，接著，筆者將介紹如何驗 證所收到Certificate是否有效，以及其中內含哪些訊息。其內容 包括：驗證certificate（Verify Vertificate）、Serial Number、 Issuer、Start Date & Expire Date、Subject、Public Key、MD5 fingerprint、以及SHA1 fingerprint等。分別說明如下： a)驗證Certificate（Verify Certificate） 　 取得Certificate後，User可以download CA的Certificate，來確 認簽發的來源，以判別這份Certificate是否有效。假設我們已經 由Sinica CA取得certificate，其檔名為mycert.pem，並且download 了Sinica CA的certificate準備驗證，檔名為sinica.pem： $ ls mycert.pem mycsr.pem mykey.pem sinica.pem $ openssl verify -CApath . -CAfile sinica.pem mycert.pem mycert.pem: /C=TW/O=AS/CN=Sinica error 2 at 1 depth lookup:unable to get issuer certificate 　 結果卻發現錯誤訊息：error 2 at 1 depth lookup:unable to get issuer certificate，這並非certificate不是由Sinica CA 所簽發出來，而是因為certificate在驗證時，如果issuer不是 root CA，則CA file內要包含所issuer上層CA的certificate， 亦即包括root CA。 　 由於Sinica CA是由Central CA所簽署，而Central CA為Self- Signed CA，也就是root CA，所以，CA file只需再加入Central CA的certificate即可。首先，我們取得Central CA的certificate， 檔名為central.pem： $ ls central.pem mycert.pem mycsr.pem mykey.pem sinica.pem 　 我們將Sinica CA與Central CA的certificate存在同一個檔，檔 名為ca-list.pem，再驗證一次： $ cat sinica.pem central.pem > ca-list.pem $ openssl verify -CApath . -CAfile ca-list.pem mycert.pem mycert.pem: OK 　 此時，結果一如我們所預期，certificate驗證過關。（待續）