憑證和 PKI：在網際網路上建立信任

Published: Sat Feb 01 2025 | Modified: Wed Feb 18 2026 , 9 minutes reading.

1. 為什麼要關心這個問題？

你造訪 https://bank.example.com。你的瀏覽器顯示了一個鎖標誌。它怎麼知道這真的是你的銀行而不是攻擊者？

答案是憑證——將公鑰綁定到身分的數位文件。沒有它們，HTTPS 將毫無意義。

理解 PKI 能幫助你：

偵錯 TLS 憑證錯誤
為你的應用程式設定 HTTPS
理解為什麼「直接點擊忽略警告」是危險的
知道何時以及如何使用用戶端憑證

2. 定義

數位憑證（具體來說是 X.509）綁定了：

公鑰
身分（網域名稱、組織等）
來自可信機構的簽章

公鑰基礎建設 (PKI) 是一個系統，包括：

核發憑證的憑證授權機構 (CA)
核發和撤銷憑證的政策
包含可信根憑證的信任庫

憑證 = 「我，可信 CA，證明
       公鑰 XYZ 屬於 bank.example.com」
       + CA 的簽章

3. 憑證內部有什麼

X.509 憑證結構

Certificate:
    Version: 3
    Serial Number: 04:00:00:00:00:01:2F:4E:E1:5B:3D
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
    Issuer: CN=DigiCert Global Root CA
    Validity:
        Not Before: Mar 08 12:00:00 2023 GMT
        Not After:  Mar 08 12:00:00 2024 GMT
    Subject: CN=www.example.com
    Subject Public Key Info:
        Public Key Algorithm: id-ecPublicKey
        EC Public Key:
            pub: 04:AB:CD:...
            ASN1 OID: prime256v1
    X509v3 Extensions:
        Subject Alternative Name:
            DNS:www.example.com
            DNS:example.com
        Basic Constraints:
            CA:FALSE
        Key Usage:
            Digital Signature, Key Encipherment
        Extended Key Usage:
            TLS Web Server Authentication

關鍵欄位解釋

Subject：憑證是給誰的
  CN=www.example.com（通用名稱）
  O=Example Inc（組織）

Issuer：誰簽署了憑證
  為此身分擔保的 CA

Validity：憑證何時有效
  Not Before / Not After 日期

Subject Alternative Name (SAN)：
  涵蓋的其他網域名稱
  現代瀏覽器要求這個

Key Usage：
  金鑰可以用於什麼
  數位簽章、金鑰加密等

Extended Key Usage：
  更具體的用途
  TLS Web 伺服器認證
  程式碼簽章等

4. 信任鏈

信任如何運作

根 CA（自簽章，在瀏覽器信任庫中）
    │
    │ 簽署
    ▼
中繼 CA 憑證
    │
    │ 簽署
    ▼
終端實體憑證（你的網站）

瀏覽器驗證：
1. 終端憑證由中繼 CA 簽署
2. 中繼 CA 由根 CA 簽署
3. 根 CA 在信任庫中
4. 所有憑證有效（未過期、未撤銷）

為什麼需要中繼 CA？

安全性：根金鑰極其珍貴
  - 儲存在離線 HSM 中
  - 很少使用（只用於簽署中繼 CA）
  - 如果洩露，整個 PKI 崩潰

靈活性：
  - 如果中繼 CA 洩露可以撤銷
  - 不同中繼 CA 用於不同目的
  - 更短的有效期

縱深防禦：
  - 多一層需要攻破
  - 可以輪換中繼 CA 而不改變根 CA

5. 憑證授權機構 (CA)

CA 做什麼

1. 驗證憑證申請者的身分
   - 網域驗證 (DV)：證明你控制網域
   - 組織驗證 (OV)：驗證組織存在
   - 延伸驗證 (EV)：廣泛的法律驗證

2. 核發憑證
   - 用 CA 的私鑰簽章
   - 包含適當的限制

3. 維護撤銷資訊
   - CRL（憑證撤銷清單）
   - OCSP（線上憑證狀態協定）

4. 保護他們的金鑰
   - 根金鑰在 HSM 中
   - 嚴格的存取控制
   - 定期稽核

主要 CA

商業：
- DigiCert
- Sectigo（前身 Comodo）
- GlobalSign
- Entrust

免費：
- Let's Encrypt（自動化 DV 憑證）
- ZeroSSL

私有：
- 你組織的內部 CA
- 用於內部服務、用戶端憑證

6. 取得憑證

使用 Let’s Encrypt（免費、自動化）

# 安裝 certbot
sudo apt install certbot

# 取得憑證（獨立模式）
sudo certbot certonly --standalone -d example.com -d www.example.com

# 憑證檔案：
# /etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem  (憑證 + 中繼憑證)
# /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem   (私鑰)

# 自動續期（每天執行兩次）
sudo certbot renew

使用 ACME 協定（程式化方式）

# 使用 acme 函式庫的概念範例
from acme import client, messages
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import ec

# 產生帳戶金鑰
account_key = ec.generate_private_key(ec.SECP256R1())

# 建立 ACME 用戶端
acme_client = client.ClientV2(
    directory='https://acme-v02.api.letsencrypt.org/directory',
    key=account_key
)

# 請求網域憑證
order = acme_client.new_order(['example.com'])

# 完成驗證（證明網域所有權）
for auth in order.authorizations:
    challenge = get_http_challenge(auth)
    # 部署驗證回應
    # ...
    acme_client.answer_challenge(challenge)

# 完成並取得憑證
certificate = acme_client.finalize_order(order, csr)

7. 憑證驗證

瀏覽器檢查什麼

1. 簽章鏈有效
   └─ 每個憑證由其核發者簽章

2. 根 CA 可信
   └─ 在瀏覽器/作業系統信任庫中

3. 憑證未過期
   └─ 目前時間在有效期內

4. 憑證未被撤銷
   └─ 檢查 CRL 或 OCSP

5. 網域匹配
   └─ Subject 或 SAN 包含該網域

6. 金鑰用途適當
   └─ TLS Web 伺服器認證

7. 憑證政策滿足
   └─ 各種 X.509 限制

驗證程式碼範例

from cryptography import x509
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.x509.oid import ExtensionOID
import ssl
import socket
import datetime

def validate_server_certificate(hostname, port=443):
    """驗證伺服器的憑證"""
    # 取得憑證
    context = ssl.create_default_context()
    with socket.create_connection((hostname, port)) as sock:
        with context.wrap_socket(sock, server_hostname=hostname) as ssock:
            der_cert = ssock.getpeercert(binary_form=True)

    cert = x509.load_der_x509_certificate(der_cert, default_backend())

    # 檢查有效期
    now = datetime.datetime.utcnow()
    if now < cert.not_valid_before or now > cert.not_valid_after:
        return False, "憑證已過期或尚未生效"

    # 檢查主體替代名稱
    try:
        san = cert.extensions.get_extension_for_oid(
            ExtensionOID.SUBJECT_ALTERNATIVE_NAME
        )
        names = san.value.get_values_for_type(x509.DNSName)
        if hostname not in names:
            return False, f"主機名稱 {hostname} 不在 SAN 中"
    except x509.ExtensionNotFound:
        return False, "沒有 SAN 延伸"

    return True, "憑證有效"

# 檢查
valid, message = validate_server_certificate("www.google.com")
print(f"有效: {valid}, 訊息: {message}")

8. 憑證撤銷

為什麼撤銷很重要

需要撤銷的情境：
- 私鑰洩露
- 憑證核發錯誤
- 網域所有權變更
- 組織不再可信

沒有撤銷檢查：
- 持有被盜金鑰的攻擊者可以冒充網站
- 直到憑證自然過期（最長 398 天！）

CRL vs OCSP

CRL（憑證撤銷清單）：
┌────────────────────────────────┐
│ 已撤銷序號的大清單              │
│ 定期下載                        │
│ 可能有幾兆位元組                │
│ 更新之間有延遲                  │
└────────────────────────────────┘

OCSP（線上憑證狀態協定）：
┌────────────────────────────────┐
│ 查詢：「這個憑證被撤銷了嗎？」   │
│ 回應：「是/否」                 │
│ 即時                            │
│ 隱私問題（CA 看到查詢）          │
└────────────────────────────────┘

OCSP Stapling：
┌────────────────────────────────┐
│ 伺服器取得 OCSP 回應            │
│ 附加到 TLS 握手                 │
│ 用戶端取得新鮮證明              │
│ 沒有隱私洩露給 CA               │
└────────────────────────────────┘

9. 常見憑證問題

憑證錯誤和解決方案

錯誤：NET::ERR_CERT_DATE_INVALID
原因：憑證已過期或尚未生效
修復：續期憑證，檢查伺服器時鐘

錯誤：NET::ERR_CERT_AUTHORITY_INVALID
原因：CA 不可信
修復：使用知名 CA，或安裝根憑證

錯誤：NET::ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID
原因：網域不在憑證中
修復：取得包含正確 SAN 的憑證

錯誤：SSL_ERROR_BAD_CERT_DOMAIN
原因：主機名稱不匹配
修復：使用正確的主機名稱存取

錯誤：憑證鏈不完整
原因：缺少中繼憑證
修復：設定伺服器使用完整鏈

偵錯憑證

# 檢視憑證詳情
openssl s_client -connect example.com:443 -showcerts

# 檢查憑證日期
openssl s_client -connect example.com:443 2>/dev/null | \
  openssl x509 -noout -dates

# 檢查憑證鏈
openssl s_client -connect example.com:443 -showcerts 2>/dev/null | \
  openssl x509 -noout -issuer -subject

# 驗證憑證
openssl verify -CAfile ca-bundle.crt certificate.pem

10. 用戶端憑證

用途

伺服器憑證：伺服器向用戶端證明身分
用戶端憑證：用戶端向伺服器證明身分

用例：
- 服務間認證的雙向 TLS (mTLS)
- 無需密碼的使用者認證
- 物聯網裝置認證
- VPN 認證

設定 mTLS

import ssl
import socket

# 伺服器端
server_context = ssl.SSLContext(ssl.PROTOCOL_TLS_SERVER)
server_context.load_cert_chain('server.crt', 'server.key')
server_context.load_verify_locations('client-ca.crt')
server_context.verify_mode = ssl.CERT_REQUIRED  # 要求用戶端憑證

with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as sock:
    sock.bind(('0.0.0.0', 8443))
    sock.listen()
    with server_context.wrap_socket(sock, server_side=True) as ssock:
        conn, addr = ssock.accept()
        # conn.getpeercert() 回傳用戶端憑證

# 用戶端
client_context = ssl.SSLContext(ssl.PROTOCOL_TLS_CLIENT)
client_context.load_cert_chain('client.crt', 'client.key')
client_context.load_verify_locations('server-ca.crt')

with socket.create_connection(('server.example.com', 8443)) as sock:
    with client_context.wrap_socket(sock, server_hostname='server.example.com') as ssock:
        # 使用雙向認證連線
        pass

11. 自簽憑證

何時使用

適合：
- 開發和測試
- 內部服務（使用私有 CA）
- 學習和實驗

不適合：
- 公開網站
- 被外部用戶端使用的正式環境 API
- 任何信任重要的地方

建立自簽憑證

# 產生私鑰
openssl genrsa -out server.key 2048

# 產生自簽憑證
openssl req -new -x509 -key server.key -out server.crt -days 365 \
  -subj "/CN=localhost"

# 帶 SAN 延伸（現代瀏覽器要求）
openssl req -new -x509 -key server.key -out server.crt -days 365 \
  -subj "/CN=localhost" \
  -addext "subjectAltName=DNS:localhost,IP:127.0.0.1"

12. 憑證透明度

它解決什麼問題

如果 CA 為你的網域核發了憑證會怎樣？
- 你可能永遠不知道
- 攻擊者可以攔截流量
- CA 洩露是災難性的

憑證透明度：
- 所有憑證記錄到公開日誌
- 你可以監控你的網域的日誌
- 錯誤核發的憑證可被偵測

如何運作

1. CA 核發憑證
2. CA 提交到 CT 日誌
3. 日誌回傳簽署憑證時間戳記 (SCT)
4. 憑證包含 SCT
5. 瀏覽器驗證 SCT 存在
6. 網域擁有者監控日誌

工具：
- crt.sh（搜尋 CT 日誌）
- Google 憑證透明度
- Cert Spotter（監控）

13. 本章小結

三點要記住：

憑證將金鑰綁定到身分。 憑證是 CA 的簽章聲明，表明公鑰屬於特定網域或實體。
信任來自根 CA。 你的瀏覽器信任約 100 個根 CA。那些 CA 簽署中繼 CA，中繼 CA 簽署終端憑證。如果任何環節斷裂，信任就失敗了。
憑證管理是營運工作。 續期、撤銷和鏈設定是持續的工作。盡可能使用 Let’s Encrypt 自動化。

14. 下一步

我們已經介紹了非對稱密碼學、簽章和憑證。但還有另一個基本原語：確保資料沒有被修改，而不需要證明誰修改了它。

在下一篇文章中：HMAC 和資料完整性——當你已經共享金鑰時，如何用對稱金鑰偵測篡改。

Luke Sun