公开密钥基础设施（ Public Key Infrastructure, PKI ），是确保现今互联网传输安全的基础技术。我们日常上网使用的工具里，很多是基于自由／开源的软件工具，比如 OpenSSL 、 GnuTLS 、 Network Security Services ，以及嵌入式平台上的 wolfSSL 等等实现。因为有这些工具，不需要很大的花费，我们就可以运营一个小型的电子证书认证机构，作为给亲朋好友或一个小型公司内部用户验证的手段。本文以一个很常见的工具 OpenSSL 为例，展示运营一个小型证书认证机构的常见操作。
一开始我之所以会想自己运营一个电子证书认证机构，是为了在自己配置的虚拟专用网络（ VPN ）服务中用电子证书验证和加密传输的数据。
电子证书认证机构工作流程中的专用名词：
为了方便普通的网友理解，这里拿中华人民共和国居民身份证做类比：
本文中使用的 OpenSSL 版本为 3.1.4 ，读者如果以本文作为参照的话，只要使用不太旧的 OpenSSL 版本，命令行接口选项应该差不多。在本文的示例中，我们有两个电子证书持有者：颁发者和一个持有者。
创建证书颁发机构的私钥，并把它利用 128 位高级加密标准算法加密，然后存储在 encrypted.ca.key.pem 文件中， OpenSSL 会询问两次用于加密私钥数据的密码。
$ openssl ecparam -genkey -name prime256v1 | openssl ec -aes128 -out encrypted.ca.key.pem
read EC key
writing EC key
Enter pass phrase for PEM:
Verifying - Enter pass phrase for PEM:
运行 openssl ecparam -list_curves 可以列出 OpenSSL 支持的椭圆曲线密钥算法。
接着用 OpenSSL 的 req 子命令从证书颁发者的私钥生成机构的根证书， OpenSSL 需要从私钥数据生成根证书，所以需要提供上面命令过程中输入的密码以解密私钥文件。
$ openssl req -x509 -new -sha256 -days 1200 -key encrypted.ca.key.pem \
-subj '/C=CN/O=Swan CA/CN=Swan Root Cert' -out ca.crt.pem
Enter pass phrase for encrypted.ca.key.pem:
这个示例命令中，根证书有效期 1200 天，组织名字由 O=Swan CA 指定，用于识别根证书的 common name 字段由 CN=Swan Root Cert 指定。
可以使用 OpenSSL 的 x509 子命令解码证书数据，查看里面的内容：
$ openssl x509 -in ca.crt.pem -noout -text
.
Signature Algorithm: ecdsa-with-SHA256
Issuer: C = CN, O = Swan CA, CN = Swan Root Cert
Validity
Not Before: Nov 13 09:26:38 2023 GMT
Not After : Feb 25 09:26:38 2027 GMT
Subject: C = CN, O = Swan CA, CN = Swan Root Cert
.
电子证书中一些重要字段：
Issuer 部分表示颁发者信息Validity 部分表示根证书有效期Subject 部分表示证书持有者
此处颁发和持有者为同一实体，所以这种证书也被称为「自签名」的电子证书。通常更常见的做法是使用交叉签名，由第三方给这个颁发者做担保。证书持有者生成自己的私钥文件 user1.key.pem ，此处的文件不会被加密。
$ openssl ecparam -genkey -name prime256v1 | openssl ec -out user1.key.pem
生成证书签名请求（ Certificate Signing Request ）文件 user1.csr.pem ，然后把文件发送给证书颁发机构。
$ openssl req -new -sha256 -key user1.key.pem -out user1.csr.pem \
-subj "/C=CN/O=Swan CA/[email protected]"
此处的 O=Swan CA 不一定是必需的。
这里需要用到颁发者的私钥文件 encrypted.ca.key.pem 、颁发者的证书文件 ca.crt.pem 以及一个普通电子证书持有者的证书签名请求文件 user1.csr.pem ，然后生成持有者的电子证书文件 user1.crt.pem ，命令中需要提供解密颁发者私钥数据文件 encrypted.ca.key.pem 的密码，。
$ openssl x509 -addtrust clientAuth -addtrust serverAuth \
-req -days 360 -sha256 -CA ca.crt.pem -CAkey encrypted.ca.key.pem \
-in user1.csr.pem -out user1.crt.pem
这个命令中，需要配置一些证书的属性，比如 -addtrust clientAuth ，表示持有此电子证书的实体可以作为网络服务客户端参与通信， -addtrust serverAuth 表示此实体可以作为网络服务的服务器端参与通信。实际应用中，各个证书软件工具对标准的证书属性的支持情况，需要查阅各个工具的文档确认。
颁发机构生成这一持有者（让我们把他称为「张三」）的证书文件 user1.crt.pem 后，需要把证书文件发回给张三，然后张三在进行网络通信的时候，就需要给通信的对端（这里我们称其为「李四」）提供自己的证书信息。为了验证证书确实是张三的，李四需要事先获取颁发者的根证书，在通信开始前配置好软件工具指向根证书的文件，用根证书就可以验证通信过程中收到的张三的证书确实是张三的。
重复此段的步骤以生成其他实体或用户的电子证书。
电子证书颁发机构运营一段时间后，我们需要根据情况更新某一持有者的电子证书，本段展示更新证书的操作步骤。
从持有者私钥重新生成证书签名请求文件 user1.csr.pem ，再重新发给颁发机构。
$ openssl req -new -key user1.key.pem -out user1.csr.pem -subj '/C=CN/O=Swan CA/CN=张三' -utf8
如果持有者的名字字段中含有万国码字符，需要在命令中加上 -utf8 选项。
查看持有者名字字段含有万国码字符的文件时，需要加上 -nameopt utf8 选项，才可以在终端正确显示名字中的字符。
$ openssl req -in user1.csr.pem -nameopt utf8 -noout -text
.
Subject: C=CN, O=Swan CA, CN=张三
.
如果持有者希望更新自己的私钥，可以按生成某一证书持有者的证书段落步骤操作。
根据电子认证机构的用户数量和密钥更新频率，使用本文的命令行手动更新方式可能会不太现实。不过，运营这样一个小型认证机构，主要的挑战可能是在用户对这些技术、对工具不够熟悉。
之前我写了几个快速生成自签名电子证书的脚本，读者可以去 https://gist.github.com/HtwoO/9930212d0c70c4688db57cf3b6187a66 下载脚本来用，或者参考脚本里面的命令。
现今热门的「数字化转型」里很重要的一项基础技术就是数字签章或者叫数字签名技术。如果读者购物时向卖家索取过电子发票，一般下载到的电子发票是 pdf 格式的文件，这些文件通常就是带有数字签章的。在 Linux 或者 macOS 平台上，使用 LibreOffice 办公套件打开 pdf 格式的电子发票，可以查看嵌入在文件中的数字签章。 Adobe 公司的软件对 pdf 数字签章的支持应该不错，可以从他们网站的文档看到他们产品也在做数字签章方面的集成。 Windows 平台的其他 pdf 工具对电子发票数字签章的支持怎样，我还不清楚，现在也没有测试环境。
希望更多人熟悉和使用电子发票，因为它比传统的发票更容易保存和备份。不过因为 pdf 文件一般是二进制文件，里面的信息不是很方便转移到其他工具中，所以有一些新的在开发和推广中的文件格式，比如 ofd 格式。如果用更合适的文件格式，对促进更高效的网购等电子商务活动会更有帮助。
自由／开源软件社区已经使用数字签名技术几十年了，我写本篇文章的一个目的，是希望更多的行业和公司使用数字签名技术，推进无纸化工作流程。
Everything you should know about certificates and PKI but are too afraid to ask