"Almost no one will remember what he had just not interested." - Nobody

“幾乎沒有人會記得他所絲毫不感興趣的事情。” —— 佚名

0x00 大綱

目錄

• 0x00 大綱
• 0x01 前言
• 0x02 技術選型
• 0x03 需求分析
  • 目標用戶
  • 用戶故事
  • 功能需求
  • 安全需求
  • 兼容需求
  • 性能需求
• 0x04 原型設計
  • 主窗體
  • RSA根證書生成頁面
  • ECC根證書生成頁面
  • RSA證書生成頁面
  • ECC證書生成頁面
• 0x05 架構設計
• 0x06 概要設計
• 0x07 詳細設計
• 0x08 編碼實現
  • RSA根證書生成（節選關鍵部分）
  • ECC根證書生成
• 0x09 小結
  • 運行效果

0x01 前言

隨著這些年人們對于信息安全的愈加重視，工作中經常用到各種數字證書，最主要的用途就是加密和簽名。但是反復生成用于測試的數字證書是一件麻煩事，雖然感謝有強大的OpenSSL工具，但是問就是記不住命令，問就是不想看文檔。為了提高工作效率，降低苦痛指數，遂決定開發一個證書生成小工具。

0x02 技術選型

我們需要一個簡單的GUI，在Java的領域中，可以選擇使用JavaFX或著Swing來實現，鑒于我們不需要太花哨的東西，只需要幾個簡單的布局和控件，這里選擇了使用Swing來開發圖形界面。小聲BB：甲方是我，乙方也是我，能用就行，要啥自行車。

我們需要用到RSA或著國密的數字證書，湊巧BouncyCastle就是一個提供了很多哈希算法和加密算法的第三方庫。老牌子，易使用。

初步估計工期為一周，太長容易從入門到放棄，太短則對心臟不友好。

0x03 需求分析

目標用戶

• 給開發人員用
• 給業務人員用
• 給測試人員用

用戶故事

作為使用者：

• 我需要工具同時支持生成RSA和國密的證書；
• 我想簡單點幾下按鈕就能生成自己想要的證書，我不想記一大串又臭又長的命令行；
• 我不希望到處搜索一堆奇奇怪怪的參數，最好什么都不用我填，什么都不用我自己思考；
• 什么YES or NO統統不要，問就是YES......
• 我希望你界面盡量不要太花哨，時間長了看的我眼花；
• 最好支持批量操作，免得折了我鼠標的壽。

功能需求

• 使用GUI操作的小工具，包含四個功能菜單：
  • RSA根證書生成
  • RSA證書生成
  • ECC根證書生成，支持批量操作；
  • ECC證書生成，支持批量操作；
  • 生成的同時通過文件選擇對話框選擇保存路徑；
• RSA根證書簽發：
  • 可以根據選定的密鑰算法和簽名算法，生成RSA和國密的非對稱密鑰對，默認使用123456對私鑰進行加密，可指定密碼，也可一鍵生成隨機密碼；
  • 證書
  • 對于同一對密鑰，需要同時導出：
    • DER編碼的PKCS#8加密私鑰，文件后綴名為.key；
    • PEM編碼的PKCS#8加密私鑰，文件后綴名為.pri.pem；
    • PEM編碼的X.509公鑰，文件后綴名為.pub.pem；
    • DER編碼的X.509公鑰，文件后綴名為.cer；
    • 同時包含X.509公鑰和PKCS#8加密私鑰的PKCS#12證書，文件后綴名為.pfx；
    • 包含私鑰密碼的文本文件，文件后綴為.txt；
      以上文件在一個壓縮包中打包導出，壓縮文件后綴為.zip；
• RSA證書簽發：
  • 使用選定的根證書，簽發中間證書或葉子證書；
  • 導出要求同上；
• ECC證書簽發：
  • 同RSA根證書簽發；
• ECC證書簽發：
  • 使用國密sm2p256v1曲線，其余同RSA證書簽發；
• 對于RSA證書，擬支持2048（首選）、1024、4096密鑰位數，支持SHA1withRSA、SHA256withRSA、MD5withRSA簽名算法；
• 對于ECC證書，擬支持sm2p256v1曲線，支持SM3withSM2、SHA256withSM2簽名算法；
• 證書頒發者信息至少包含：
  • country code (C)
  • locality name (L)
  • state/province name (ST)
  • organization (O)
  • common name (CN)
  • organizational unit name (OU)
    最好都有默認值，能不填就盡量不要填，免得浪費我喝咖啡的時間；
• 證書使用者信息默認同頒發者信息；
• 證書有效期默認十年（部分系統不允許過長的證書有效期，第一個版本不考慮這么多）；

安全需求

略，見功能需求加密部分。

兼容需求

應與操作系統和其他軟硬加密機生成的證書互相兼容。

性能需求

能用就行。

0x04 原型設計

有了大體上的功能需求分析，就可以進入設計階段了，既然是GUI程序，那就先從界面入手，簡單做一下原型。正好idea上帶有Swing UI Designer，所見即所得，原型可以直接轉化為后期工程。

主窗體

使用JTabbedPane作為容器，承載四個主要功能菜單，簡化交互設計。再加上四個功能界面功能上高度相似，也意味著GUI元素的高度相似，只要設計出一個，其他幾個直接Ctrl+C，Ctrl+V即可。

為了減少動態窗體大小帶來的布局調整和元素Resize，直接使用固定大小窗體，初步定為 640*560 像素。

RSA根證書生成頁面

大部分GUI元素都是按鈕（JButton），下拉框（JComboBox）和輸入框（JTextField or JPasswordField），因此可以考慮左邊為標簽（JLabel），右邊為交互元素的表單結構，首選布局即為Grid Layout。剩下的就是往JPanel上扔控件了。經過一番努力，我們得到了這樣的窗體設計：

于是通過復制粘貼，很快可以完成剩余的三個界面：

ECC根證書生成頁面

RSA證書生成頁面

ECC證書生成頁面

0x05 架構設計

由于證書生成工具的定位是C端程序，區別于B/S模型的應用，它更適合使用傳統老三層模型（USL、BLL、DAL），而不是Web應用上經常使用的MVC分層模式。

通過前面的原型設計，已經基本完成了USL表示層中的視圖部分，接下來需要實現USL的控制部分和BLL層的業務邏輯（其實就是實現各個控件需要關注的事件監聽以及對應的事件處理），由于我們的數據持久方式就是文件，所以數據訪問層反而比較簡單了。

DAL層雖然簡單，但是我們保持開放修改的后路，萬一哪天要用數據庫呢？嘿嘿~

0x06 概要設計

通過需求分析和原型設計已經大致可以劃分出功能模塊了，核心部分就是幾個按鈕的事件監聽和處理。

它們都可以統合到一個流程模型中：

參數錄入->點擊按鈕->獲取參數->驗證參數->生成數據->更新UI

以生成RSA根證書處理流程為例：

1. 參數錄入：界面上選擇密鑰位數、簽名算法、證書密碼（可選）、證書頒發者信息（可選）；
2. 點擊按鈕：監聽按鈕點擊事件；
3. 獲取參數：獲取UI和后臺的相關參數；
4. 驗證參數：進行參數合法性檢查，包括但不限于長度，格式，關聯性等；
5. 生成數據：根據參數，調用BouncyCastle庫生成RSA密鑰對；適配和打包輸出壓縮文件；
6. 更新UI：提示生成結果，選擇文件存儲路徑等；

異常處理：

1. 界面彈出提示框；
2. 后臺記錄日志等；

0x07 詳細設計

將主業務流程的各個節點展開并詳細描述其實現，必要時借助偽代碼進行邏輯表示；這里就不寫了，問就是懶……

0x08 編碼實現

RSA根證書生成（節選關鍵部分）

public final class RSA {
    public static final String MD5_WITH_RSA = "MD5withRSA";
    public static final String SHA1_WITH_RSA = "SHA1withRSA";
    public static final String SHA256_WITH_RSA = "SHA256withRSA";
    public static final int KEY_SIZE_1024 = 1024;
    public static final int KEY_SIZE_2048 = 2048;
    public static final int KEY_SIZE_4096 = 4096;

    private RSA() {
    }

    public static KeyPair generateKeyPair(int keySize) throws NoSuchAlgorithmException {
        if ((keySize & keySize - 1) != 0) {
            throw new InvalidParameterException("非法RSA密鑰位數" + keySize);
        }
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(Global.ALGO_NAME_RSA);
        keyPairGenerator.initialize(keySize);
        return keyPairGenerator.generateKeyPair();
    }
}

private ActionListener rsaRootGenerateButtonListener() {
    return e -> {
        try {
            checkRSARootCertificateConfig();
            JFileChooser fileChooser = makeSaveFileChooser();
            if (JFileChooser.APPROVE_OPTION == fileChooser.showSaveDialog(mainFrame)) {
                String saveDir = fileChooser.getSelectedFile().getAbsolutePath();
                char[] passwordChars = rsaRootPasswordField.getPassword();
                X500Name issuer = obtainIssuerEntry(rsaIssuerCField, rsaIssuerLField, rsaIssuerSTField, rsaIssuerOField, rsaIssuerCNField, rsaIssuerOUField).getValue();
                KeyPair caKeyPair = RSA.generateKeyPair(rsaRootKeySizeBox.getItemAt(rsaRootKeySizeBox.getSelectedIndex()));
                X509Certificate caCertificate = CertificateUtil.generateCertificate(rsaRootSignAlgoBox.getItemAt(rsaRootSignAlgoBox.getSelectedIndex()), caKeyPair, issuer);
                caCertificate.checkValidity(caCertificate.getNotBefore());
                caCertificate.checkValidity(caCertificate.getNotAfter());
                caCertificate.verify(caKeyPair.getPublic());
                PKCS8EncryptedPrivateKeyInfo caPrivateKeyInfo = KeyUtil.makePKCS8EncryptedKey(caKeyPair.getPrivate(), passwordChars);
                PKCS12PfxPdu caPfxPdu = KeyUtil.makePfx(caCertificate, caKeyPair.getPrivate(), passwordChars);
                saveCertificateFiles(saveDir, rsaIssuerCNField.getText(), caPrivateKeyInfo, caCertificate, caPfxPdu, passwordChars);
            }
        } catch (RuntimeException | IOException | GeneralSecurityException | OperatorCreationException | PKCSException ex) {
            JOptionPane.showMessageDialog(mainFrame, ex.getLocalizedMessage(), "錯誤提示", JOptionPane.ERROR_MESSAGE);
        }
    };
}

public static X509Certificate generateCertificate(String signatureAlgorithm, KeyPair keyPair, X500Name subject) throws OperatorCreationException, IOExcepti
    return generateCertificate(signatureAlgorithm, keyPair, subject, Duration.ofDays(365L * 10));
}

public static X509Certificate generateCertificate(String signatureAlgorithm, KeyPair keyPair, X500Name subject, Duration duration) throws OperatorCreationE
    ContentSigner contentSigner = makeContentSigner(signatureAlgorithm, keyPair.getPrivate());
    PKCS10CertificationRequest csr = generateCsr(contentSigner, keyPair, subject, true);
    BcX509ExtensionUtils extUtils = new BcX509ExtensionUtils();
    final Date notBefore = new Date();
    X509v3CertificateBuilder v3CertificateBuilder = new X509v3CertificateBuilder(
            csr.getSubject(),
            BigInteger.valueOf(UUID.randomUUID().getMostSignificantBits() & Long.MAX_VALUE),
            notBefore,
            new Date(notBefore.getTime() + duration.toMillis()),
            Locale.CHINA,
            csr.getSubject(),
            csr.getSubjectPublicKeyInfo());
    v3CertificateBuilder.addExtension(Extension.basicConstraints, true, new BasicConstraints(true));
    v3CertificateBuilder.addExtension(Extension.keyUsage, true, new KeyUsage(KeyUsage.keyCertSign | KeyUsage.cRLSign));
    v3CertificateBuilder.addExtension(Extension.subjectKeyIdentifier, false, extUtils.createSubjectKeyIdentifier(csr.getSubjectPublicKeyInfo()));
    v3CertificateBuilder.addExtension(Extension.authorityKeyIdentifier, false, extUtils.createAuthorityKeyIdentifier(csr.getSubjectPublicKeyInfo()));
    return new JcaX509CertificateConverter().setProvider(BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME).getCertificate(v3CertificateBuilder.build(contentSigner));
}

public static PKCS8EncryptedPrivateKeyInfo makePKCS8EncryptedKey(PrivateKey privateKey, char[] passwordChars) {
    PKCS8EncryptedPrivateKeyInfoBuilder privateKeyInfoBuilder = new JcaPKCS8EncryptedPrivateKeyInfoBuilder(privateKey);
    return privateKeyInfoBuilder.build(new BcPKCS12PBEOutputEncryptorBuilder(
            PKCSObjectIdentifiers.pbeWithSHAAnd3_KeyTripleDES_CBC,
            new CBCBlockCipher(new DESedeEngine())).build(passwordChars));
}

public static PKCS12PfxPdu makePfx(X509Certificate x509Certificate, PrivateKey privateKey, char[] passwordChars) throws IOException, PKCSException {
    PKCS12SafeBagBuilder certBagBuilder = new JcaPKCS12SafeBagBuilder(x509Certificate);
    certBagBuilder.addBagAttribute(PKCSObjectIdentifiers.pkcs_9_at_friendlyName, new DERBMPString("Forge CA Certification"));
    certBagBuilder.addBagAttribute(PKCSObjectIdentifiers.pkcs_9_at_localKeyId, ASN1Primitive.fromByteArray(x509Certificate.getExtensionValue(Extension.subjectKeyIdentifier.getId())));
    PKCS12SafeBagBuilder keyBagBuilder = new JcaPKCS12SafeBagBuilder(privateKey,
            new BcPKCS12PBEOutputEncryptorBuilder(
                    PKCSObjectIdentifiers.pbeWithSHAAnd3_KeyTripleDES_CBC,
                    new CBCBlockCipher(new DESedeEngine())).build(passwordChars));
    keyBagBuilder.addBagAttribute(PKCSObjectIdentifiers.pkcs_9_at_friendlyName, new DERBMPString("Forge CA Key"));
    keyBagBuilder.addBagAttribute(PKCSObjectIdentifiers.pkcs_9_at_localKeyId, ASN1Primitive.fromByteArray(x509Certificate.getExtensionValue(Extension.subjectKeyIdentifier.getId())));
    PKCS12PfxPduBuilder pfxPduBuilder = new PKCS12PfxPduBuilder();
    PKCS12SafeBag[] certs = new PKCS12SafeBag[1];
    certs[0] = certBagBuilder.build();
    pfxPduBuilder.addEncryptedData(new BcPKCS12PBEOutputEncryptorBuilder(
                    PKCSObjectIdentifiers.pbeWithSHAAnd40BitRC2_CBC,
                    new CBCBlockCipher(new RC2Engine())).build(passwordChars),
            certs);
    pfxPduBuilder.addData(keyBagBuilder.build());
    return pfxPduBuilder.build(new BcPKCS12MacCalculatorBuilder(), passwordChars);
}

ECC根證書生成

略，與RSA大同小異。

0x09 小結

運行效果

完成任務。