1 介绍

公开密钥认证（英语：Public key certificate），又称公开密钥证书、公钥证书、数字证书（digital certificate）、数字认证、身份证书（identity certificate）、电子证书或安全证书，是用于公开密钥基础建设的电子文件，用来证明公开密钥拥有者的身份。

此文件包含了公钥信息、拥有者身份信息（主体）、以及数字证书认证机构（发行者）对这份文件的数字签名，以保证这个文件的整体内容正确无误。

拥有者凭着此文件，可向计算机系统或其他用户表明身份，从而对方获得信任并授权访问或使用某些敏感的计算机服务。计算机系统或其他用户可以透过一定的程序核实证书上的内容，包括证书有否过期、数字签名是否有效，如果你信任签发的机构，就可以信任证书上的密钥，凭公钥加密与拥有者进行可靠的通信。

2 证书类型

主要的数字证书类型有两类，一类是终端/叶子证书 （End-entity or leaf certificate），一类是CA证书（CA certificate）。
终端证书由CA证书签发的。根证书（Root CA certificate），中介证书（Intermediate CA certificate）都算是CA证书。

CA证书本身可以按以下类型进行分类：
- 自行颁发的证书（Self-issued certificate），这是CA证书，其中颁发者和主题是相同的CA。可以用于在密钥翻转操作期间提供来自旧证书到新密钥的信任。

- 自签名证书（Self-signed certificate），这是自行颁发证书的特殊情况，其中私钥使用CA签署证书对应于CA证书中认证的公钥。可以用于可能会使用自签名证书来宣传他们的公钥或其他有关他们的信息操作。

- 交叉证书（Cross-certificate），这是CA证书，其中颁发者和主题是不同的CA.
CA颁发证书给其他CA作为授权主体CA存在的机制（例如，严格的（等级）或识别主题CA的存在（例如，在分布式信任模型中）。该交叉证书结构用于这两者。

3 证书的结构

业界现行的公钥证书格式标准是X.509。X.509是用ASN.1（一种标准的语言）来进行描述，现在已经到X.509 v3版本。

3.1 基本的证书字段（Basic Certificate Fields）

证书的数据结构如下：
Certificate ::= SEQUENCE{
tbsCertificate TBSCertificate, -- 证书主体
signatureAlgorithm AlgorithmIdentifier, -- 证书签名算法标识
signatureValue BIT STRING --证书签名值,是使用signatureAlgorithm部分指定的签名算法对tbsCertificate证书主题部分签名后的值.}

将证书进一步展开，数据结构如下：

以上结构除了extensions部分，其余部分构成基本的证书字段（Basic Certificate Fields）。而证书的扩展字段（Certificate Extensions Fields）。

3.2 证书的扩展字段（Certificate Extensions Fields）

Extensions部分的结构都是固定为三部分：
extnID：表示一个扩展元素的OID。
critical：表示这个扩展元素是否极重要，如果重要为TRUE，非重要则为FALSE。
extnValue：表示这个扩展元素的值，字符串类型。

常见的扩展部分如下：

以下列出证书整体结构，如果加载不了的可以去百度网盘取。
链接：https://pan.baidu.com/s/1U8diSNpmeMRh4ojjb_tv_Q 提取码：k7nr

5 ASN.1编码规则

ASN.1编码规则包含基本编码规则（Basic Encoding Rules BER），规范编码规则（Canonical Encoding Rules CER）和区分编码规则（Distinguished Encoding Rules DER）。

5.1基本编码规则（Basic Encoding Rules BER）

BER的OID: {joint-iso-itu-t(2) asn1(1) basic-encoding(1)}，2.1.1

5.1.1编码的结构

数据值的编码结构按顺序由以下四部分组成:

1. 数据类型标识符（Tag）
2. 数据内容长度（Length）
3. 数据内容（Value）
4. 数据结束标识（可选）
   所以根据是否包含结束标识符，编码结构有两种类型。

第一种

俗称TLV结构，是最常用，最简单的结构。

第二种

这种结构只是某种特殊情况下才会用。

4.1.2数据类型标识符Identifier octets（Tag）

4.1.2.1编码规则

数据类型标识符（Identifier octets）是由下规则组成单个字节的值，其中Tag number范围从0到30（含）。这是最常见的编码规则。

1. Bit 8 和 Bit 7表示Tag的类别。所以共有四种，分别是Universal（00）、Application（01）、Context-specific（10）和Private（11）。

   
   
2. Bit 6只能为0或1。 0说明编码类型是简单类型，1说明编码是结构类型。
3. Bit 5 到Bit 0则表示Tag number，其中Bit 5是最高位。

所以整个数据类型标识符（Identifier octets）的规则可以用以下图表示：

以下列表是Universal（00）系列常见简单类型的Tag值：

4.1.2.2特殊编码规则

可能有的人会问，如果Tag number超过30怎么办？那么就需要另外一种编码规则。
数据类型标识符（Identifier octets）必须由一个前导字节（leading octet），紧接着一个或多个次级字节（subsequent octets）组成

前导字节（leading octet）的规则如下：

1. Bit 8 和 Bit7表示Tag的类别。所以共有四种，分别是Universal（00）、Application（01）、Context-specific（10）和Private（11）。与上述5.1.2.1没有区别。
2. Bit 6只能为0或1。0说明编码类型是简单类型，1说明编码是结构类型。与上述5.1.2.1没有区别。
3. Bit 5 到Bit 0固定为0b 11111即全为1。

次级字节（subsequent octets）的规则如下：

1. Bit 8 必须固定为1，除非是最后一个字节。
2. Bit 7 到 Bit 1 表示为Tag number。
3. 第一个的次级字节（subsequent octets）中Bit 7 到Bit 1不能全为0。

所以特殊数据类型标识符（Identifier octets）的规则可以用以下图表示：

4.1.2.3 IMPLICIT，EXPLICIT介绍

（1）一个类型被声明了IMPLICIT tag，编码时会用新的tag。即IMPLICIT前面[]括号中的值替换旧的值(IMPLICIT后面[]括号中的tag值或universal tag)。

例如：
Number1:: = INTEGER
Number2:: = [1] INTEGER
Number1的tag值为2，Number2 的tag值都是1。

然后将其声明为IMPLICIT tag后
Number1 ::= [0] IMPLICIT INTEGER
Number2 ::= [0] IMPLICIT [1] INTEGER
Number1，Number2 的tag值都是0。

另外复合类型sequence,set被声明了IMPLICIT tag，那么它的成员和成员的成员都默认为IMPLICIT，除非手工为这些成员设定了另外的tag模式。
例如：
Msg ::= [0] IMPLICIT SEQUENCE
{
YourIncome [0] INTEGER OPTIONAL,
YourDebit [1] INTEGER OPTIONAL,
AccountedClosed [2] EXPLICIT BOOLEAN
}
Msg 的YourIncome, YourDebit成员的tag是 IMPLICIT模式。AccountedClosed成员tag是
EXPLICIT模式。

（2）一个类型被声明了 EXPLICIT tag，编码时会在旧的tlv基础上嵌套一层新TLV。T是
EXPLICIT tag值，L是旧tlv的长度，V即原tlv。
例如：
Record::=SEQUENCE{
......
time [1] EXPLICIT Time OPTIONAL,
......
}

Time::=CHOICE{
utcTime UTCTime,
generalizedTime GeneralizedTime
}

假设time被赋值为UTCTime类型的值080808120000Z，运用显式标签，上例描述为：
编码规则如下：
T              L                   V
A0+Tag序号   原TLV格式编码的总长度   原TLV格式编码
上例中time=080808120000Z的编码为：
T     L               V
A1   0F   17 0D 30 38 30 38 30 38 31 32 30 30 30 30 5A

注：DER编码时，对于加了标签的项目，按如下规则编码：
对于简单类型，type=80+tag序号；对于构造类型，type=A0+tag序号。length和value不变。

再举个例子：
Type1 ::= VisibleString
Type2 ::= [APPLICATION 3] IMPLICIT Type1
Type3 ::= [2] Type2
Type4 ::= [APPLICATION 7] IMPLICIT Type3
Type5 ::= [2] IMPLICIT Type2

值"Jones"按照以下编码:
For Type1:
VisibleString   Length   Contents
1A           05     4A6F6E6573
注：VisibleString 的type为0x1A (Universal(00)+ Primitive (0) + Tag number(11010) = 0001 1010)。

For Type2:
[Application 3]     Length     Contents
43              05    4A6F6E6573
注：VisibleString 的type为0x43( Application(01)+ Primitive (0) + Tag number(00011) = 0100 0011)。

For Type3:
[2]    Length                   Contents
A2    07          [APPLICATION 3]     Length     Contents
                      43            05      4A6F6E6573
注：VisibleString 被默认声明为EXPLICIT，会再次嵌套一次TLV结构。其中type为0xA2(Context-specific (10)+ Constructed (1) + Tag number (00010) = 1010 0010)。

For Type4:
[Application 7]   Length               Contents
67            07    [APPLICATION 3]       Length         Contents
                        43              05        4A6F6E6573
注：VisibleString 的type为0x67( Application(01)+ Constructed (1) + Tag number(00111) = 0110 0111)。

For Type5:
[2]     Length       Contents
82      05      4A6F6E6573
注：VisibleString 的type为0xA2(Context-specific (10)+ Primitive (0) + Tag number(00010) = 1000 0010)。

4.1.2.3 ANY，CHOICE，OPTIONAL、DEFAULT等关键字

构造类型的定义中，常常包含CHOICE、ANY、OPTIONAL、DEFAULT等关键字，其编码规则如下：

(1)CHOICE
表示一个联合体即多选一，按照实际选中的类型编码。举例：
Time::=CHOICE{
utcTime UTCTime,
generalizedTime GeneralizedTime
}
若实际用到的类型是UTCTime，则数据用UTCTime的编码规则编码。

(2)ANY
类型依赖于另一个域的值，则按照实际类型编码。举例：
AlgorithmIdentifier::=SEQUENCE{
algorithm OBJECT IDENTIFIER,
parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL
}
若algorithm的值表示RSA，则parameters按RSA算法的参数类型编码；若algorithm的值表示Diffie-Hellman算法，则parameters按Diffie-Hellman算法的参数类型编码。

(3)OPTIONAL
所标记的字段在实际中可能存在，也可能不存在。如果有值，则编码；如果无值，则直接跳过。举例：
AlgorithmIdentifier::=SEQUENCE{
algorithm OBJECT IDENTIFIER,
parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL
}
实际中，如果没有参数parameters，则相当于
AlgorithmIdentifier::=SEQUENCE{
algorithm OBJECT IDENTIFIER
}

(4)DEFAULT
如果所标记的字段在实际中正好等于缺省值，则可以编码也可以不编码，相当于是OPTIONAL；如果不等于缺省值，则应该如实编码。举例：
Certificate::=SEQUENCE{
version Version DEFAULT 0
......
}
若version的值恰好等于0（缺省值），则可以不编码；否则，必须按其类型编码。

4.1.3数据内容长度Length octets（Length）

长度字段有两种编码规则，定长形式（definite form）和不定长形式（indefinite
form）。

4.1.3.1定长形式（definite form）

定长形式规则编码方式为：

假定内容的长度为X，则

4.1.3.2不定长形式（indefinite form）

Length 固定为0x80，表示数据内容长度不定，由数据结束标识作为数据结束。

4.1.4数据内容Contents octets（Value）

数据内容由零个，一个或多个字节组成，由相应的数据类型决定。

4.1.5数据结束标识End-of-contents octets（可选）

由两个字节全0表示，即0x0000。只会在上述不定长（indefinite form）中即Length固定为0x80才会出现。
注：如果在TLV表示中，Tag为0x00，Length为0x00，Value缺失，就会跟上述两个字节缺失的情况一致。

4.2规范编码规则（Canonical Encoding Rules CER）和区分编码规则（Distinguished Encoding Rules DER）

规范编码规则的OID: {joint-iso-itu-t(2) asn1(1) ber-derived(2) canonical-encoding(0)}, 2.1.2.0
区分编码规则的OID: {joint-iso-itu-t(2) asn1(1) ber-derived(2) distinguished-encoding(1)}，2.1.2.1

此章节详细待续！

附录 A OID 介绍及使用

对象标识符或OID是由国际电信联盟（ITU）和ISO / IEC标准化的标识符机制，用于命名具有全局明确的持久名称的任何对象，概念或“事物”。
OID对应于“OID树”或层次结构中的节点，其使用ITU的OID标准X.660正式定义。树中的每个节点由一系列整数表示，这些整数由句点分隔，对应于从根到祖先节点系列到节点的路径。

1 OID解析
举例：证书里面的Key usage的OID是2.5.29.15，解析如下：

第二个ds(5)是次级OID，里面5表示X500目录服务。
部分同级的OID（第二级）部分如下：
2.1 - ASN.1 (JTC 1.21.17.05;21.17.06, Q19/VII)
2.2 - Association Control (ACSE)
2.3 - Reliable Transfer (RTSE)
2.4 - Remote Operations (ROSE)
2.5 - X.500 Directory Services
2.6 - X.400 Messaging services
2.7 - Commitment, concurrency and recovery
2.8 - ODA
2.9 - OSI Management
2.16 - Joint assignments by country
2.23 - International organizations
2.25 - UUID arc

第三个certificateExtension(29)是证书扩展部分id-ce。
部分同级的OID（第三极）如下：
2.5.1 - X.500 modules
2.5.2 - X.500 service environment
2.5.3 - X.500 application context
2.5.4 - X.500 attribute types
2.5.5 - X.500 attribute syntaxes
2.5.6 - X.500 standard object classes
2.5.7 - X.500 attribute sets
2.5.8 - X.500 defined algorithms
2.5.9 - X.500 abstract syntaxes
2.5.12 - DSA Operational Attributes
2.5.13 - Matching Rule
2.5.14 - X.500 knowledge Matching Rules.
2.5.15 - X.500 name forms
2.5.16 - X.500 groups
2.5.17 - X.500 subentry
2.5.18 - X.500 operational attribute type
2.5.19 - X.500 operational binding
2.5.20 - X.500 schema Object class
2.5.21 - X.500 schema operational attributes
2.5.22 - unused
2.5.23 - X.500 administrative roles
2.5.24 - X.500 access control attribute
2.5.25 - X.500 ros object
2.5.26 - X.500 contract
2.5.27 - X.500 package
2.5.28 - X.500 access control schema
2.5.29 - certificateExtension (id-ce)
2.5.30 - managementObject (id-mgt)

第四个keyUsage(15)表示证书中的公钥用途。
部分同级的OID（第四级）如下：
2.5.29.1 - old Authority Key Identifier
2.5.29.2 - old Primary Key Attributes
2.5.29.3 - Certificate Policies
2.5.29.4 - Primary Key Usage Restriction
2.5.29.9 - Subject Directory Attributes
2.5.29.14 - Subject Key Identifier
2.5.29.15 - Key Usage
2.5.29.16 - Private Key Usage Period
2.5.29.17 - Subject Alternative Name
2.5.29.18 - Issuer Alternative Name
2.5.29.19 - Basic Constraints
2.5.29.20 - CRL Number
2.5.29.21 - Reason code
2.5.29.23 - Hold Instruction Code
2.5.29.24 - Invalidity Date
2.5.29.27 - Delta CRL indicator
2.5.29.28 - Issuing Distribution Point
2.5.29.29 - Certificate Issuer
2.5.29.30 - Name Constraints
2.5.29.31 - CRL Distribution Points
2.5.29.32 - Certificate Policies
2.5.29.33 - Policy Mappings
2.5.29.35 - Authority Key Identifier
2.5.29.36 - Policy Constraints
2.5.29.37 - Extended key usage
2.5.29.46 - FreshestCRL
2.5.29.54 - X.509 version 3 certificate extension Inhibit Any-policy

注：对OID感兴趣的可以访问网址https://www.alvestrand.no/objectid/top.html和http://www.oid-info.com/，里面有更详细的解释。这里只是介绍跟X509有关的OID。

2 OID值转化
对象标识符（OID），是一个用“.”隔开的非负整数组成的序列。
在实际应用中，可能需要将OID值转化为实际十六进制值。那么下面说说OID的编码规则。

设OID=V1.V2.V3.V4.V5....Vn，则DER编码的value部分规则如下：
(1)计算40*V1+V2作为第一字节；
(2)将Vi(i>=3)表示为128进制，每一个128进制位作为一个字节，再将除最后一个字节外的所有字节的最高位置1；
(3)依次排列，就得到了value部分。

举例：OID=1.2.840.11359.1.1的编码如下：

.png

注：以上规则可以在以下两个文档找到
1 NIST.SP.800-32 Introduction to Public Key Technology and the Federal PKI Infrastructure.pdf
2 NIST.SP.800-25 Federal Agency Use of Public Key Technology for Digital Signatures and Authentication.pdf

参考资料

1 维基百科 https://en.wikipedia.org/wiki/Public_key_certificate
2X.509证书的编码及解析：程序解析以及winhex模板解析http://www.cnblogs.com/jiu0821/p/4598352.html
3 https://www.cnblogs.com/nliao/archive/2012/02/15/2352887.html
4 https://blog.csdn.net/sever2012/article/details/7767867
5 https://www.cnblogs.com/jiu0821/p/4598352.html