邵奇峰，龔雪容，吳保中

（解放軍信息工程大學(xué)，鄭州450005）

引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)字證書(shū)的安全服務(wù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。證書(shū)解析是數(shù)字證書(shū)應(yīng)用的基礎(chǔ)，用于獲取證書(shū)中各字段的信息。目前已知的證書(shū)解析方法有 Microsoft 的 CryptoApi［1］和.net［2］、開(kāi) 源 的 OpenSSL［3－4］等，均是在操作系統(tǒng)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的，且 CryptoApi和.net只能在 Windows平臺(tái)中使用。內(nèi)核層解析時(shí)，一般是將證書(shū)傳遞到應(yīng)用層進(jìn)行解析后再將結(jié)果送回，給證書(shū)驗(yàn)證和應(yīng)用帶來(lái)很大不便。盡管OpenSSL的證書(shū)解析方法具有較強(qiáng)的通用性，而且開(kāi)源，但代碼復(fù)雜，占用系統(tǒng)資源較多，不適用于操作系統(tǒng)內(nèi)核層及嵌入式系統(tǒng)等資源受限環(huán)境。本文在證書(shū)格式研究的基礎(chǔ)上，給出了一種適用于資源受限環(huán)境下證書(shū)解析的方法，并在 Windows和Linux內(nèi)核層以及多款嵌入式設(shè)備中得到了應(yīng)用。

1 數(shù)字證書(shū)格式

目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字證書(shū)格式為X509v3［5］，其基本內(nèi)容包括基本證書(shū)域、簽名算法域和簽名值域三部分，如圖1所示，其中基本證書(shū)域又包括版本號(hào)、序列號(hào)等子域。

圖1 X509v3格式數(shù)字證書(shū)基本內(nèi)容

數(shù)字證書(shū)的格式用ASN.1語(yǔ)法進(jìn)行描述：

2 數(shù)字證書(shū)解析方法

數(shù)字證書(shū)在頒發(fā)時(shí)采用了非典型編碼規(guī)則（DER），該編碼規(guī)則是基本編碼規(guī)則（BER）的一個(gè)子集，ASN.1值與DER編碼之間為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系［6］。DER編碼由TLV組成，即Tag、Length和Value，其中Tag為數(shù)據(jù)類(lèi)型標(biāo)簽，Length為數(shù)值的字節(jié)長(zhǎng)度，Value是值。如果進(jìn)行通用化解析，即在事先不知道內(nèi)容格式的情況下解析出每個(gè)字段的類(lèi)型、長(zhǎng)度、值，則需要考慮ASN.1語(yǔ)法的各種情況，代碼復(fù)雜，占用資源多且處理難度大。在Windows和Linux內(nèi)核層以及嵌入式設(shè)備等資源環(huán)境有限的情況下實(shí)現(xiàn)難度大且不必要。

在數(shù)字證書(shū)內(nèi)容格式已知的前提下，證書(shū)解析的關(guān)鍵就在于如何確定各字段的層次關(guān)系以及同層各域的次序，進(jìn)而快速定位各字段位置。因此，在資源受限環(huán)境下Tag字段可忽略，重點(diǎn)在于確定Length和Value字段的位置和值。

證書(shū)字段可分為兩類(lèi)：次序固定字段和次序不固定字段。基本證書(shū)域中的擴(kuò)展字段為次序不固定字段，其余字段均為次序固定字段，盡管基本證書(shū)域中的擴(kuò)展字段為次序不固定字段，但擴(kuò)展字段的集合在整個(gè)證書(shū)中的次序仍是固定的，即在AlgorithmIdentifier之前，在SubjectPublicKeylnfo之后。

在證書(shū)解析時(shí)，無(wú)論是次序固定字段還是次序不固定字段，都必須先定位字段位置。

首先，確定字段所處的包裹層次。X509v3數(shù)字證書(shū)的層次關(guān)系如圖2所示，最外層是Certificate：：＝SEQUENCE｛…｝，第 2層 是tbsCertificate、signatureAlgorithm和signature，第3層為version、serialNumber等。擴(kuò)展字段所處層次較多，從第3層到第5層都有，但有用信息在第5層，故在解析時(shí)要跳過(guò)第3和第4兩層。

圖2 證書(shū)層次關(guān)系圖

其次，在相應(yīng)層次確定該字段的位置。在X509v3格式數(shù)字證書(shū)中，同一層次的字段位置相對(duì)固定，因此在確定字段所處的層次位置后即可根據(jù)相對(duì)位置確定字段的最終位置。在字段位置確定后，次序固定字段在定位后可直接取該字段的值；次序不固定字段則需要獲取字段的OID進(jìn)行逐個(gè)比對(duì)，直至找到為止。

以DN字段為例：首先，確定其所在的層次是第3層；然后，在第3層中根據(jù)相對(duì)關(guān)系可知DN字段在版本字段之后；從而最終定位DN字段在整個(gè)證書(shū)中的位置，獲取其值。

3 解析模塊實(shí)現(xiàn)

前面描述了數(shù)字證書(shū)中各字段的包裹關(guān)系及數(shù)字證書(shū)的解析方法，為在資源受限環(huán)境下快速定位數(shù)字證書(shū)中各字段位置，高效地解析證書(shū)，在數(shù)字證書(shū)解析模塊中定義了如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TLV。其中tag表示標(biāo)簽，暫時(shí)不用；length表示pValue指向的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；selfLen表示TLV頭的長(zhǎng)度。

同時(shí)設(shè)計(jì)了ReadTLV、WalkCert、SearchExtField等函數(shù)。函數(shù)ReadTLV用于從二進(jìn)制數(shù)據(jù)流中獲取TLV信息。WalkCert函數(shù)根據(jù)層次和次序關(guān)系調(diào)用ReadTLV進(jìn)行解析，跳過(guò)不必要的數(shù)據(jù)，定位所需字段的位置。對(duì)于擴(kuò)展字段，還需要通過(guò)SearchExtField進(jìn)行字段搜索，擴(kuò)展字段搜索采用OID比對(duì)方式進(jìn)行。在資源受限環(huán)境下數(shù)字證書(shū)解析的關(guān)鍵是證書(shū)中各字段的定位，下面給出WalkCert的定位方法：

定位到證書(shū)中各字段位置后，即可根據(jù)字段的定義類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的處理。在實(shí)現(xiàn)Windows和Linux內(nèi)核層的證書(shū)解析時(shí)，還應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題［7］：

① 部分C庫(kù)中的函數(shù)在內(nèi)核中不能使用。如內(nèi)存分配函數(shù)malloc需要根據(jù)平臺(tái)使用不同的函數(shù)，Windows平臺(tái)下使用ExAllocatePoolWithTag，Linux平臺(tái)下使用kmalloc。

② 缺乏像用戶(hù)空間一樣的保護(hù)機(jī)制。內(nèi)核可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用層程序非法訪問(wèn)內(nèi)存，但如果內(nèi)核層程序發(fā)生內(nèi)存錯(cuò)誤，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

③ 內(nèi)核層程序可使用的堆棧很小，不能在函數(shù)中使用大數(shù)組。

④內(nèi)核層的程序執(zhí)行效率要高，避免長(zhǎng)時(shí)間占用CPU資源。

⑤要注意同步和競(jìng)爭(zhēng)，避免發(fā)生死鎖，函數(shù)要可重入。

上面所述的方法同樣適用于證書(shū)撤銷(xiāo)列表（CRL）的解析。圖3給出了CRL的層次關(guān)系。

4 應(yīng)用情況及測(cè)試

本文描述的方法已在Windows和Linux內(nèi)核層、W78E58、TMS320C5416等環(huán)境中得到了應(yīng)用。由于證書(shū)解析是純軟件的執(zhí)行過(guò)程，與CPU的外圍電路無(wú)關(guān)，并且采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，移植簡(jiǎn)單，因此下文不再描述硬件電路和上文已描述過(guò)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，僅就不同環(huán)境中實(shí)現(xiàn)時(shí)的注意事項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明。

（1）Windows內(nèi)核層

讀取證書(shū)文件時(shí)要使用InitializeObjectAttributes、ZwCreateFile、ZwReadFile、ZwClose等函數(shù)。獲取證書(shū)中的時(shí)間時(shí)需要考慮時(shí)區(qū)本地化處理，轉(zhuǎn)換時(shí)要使用Rtl－TimeFieldsToTime、ExSystemTimeToLocalTime、RtlTimeToTimeFields等函數(shù)。C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中sprintf使用Rtl－StringCbPrintfA替換。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配使用ExAllocate－PoolWithTag，釋放使用ExFreePool。另外，還要加入unicode和gb2312編碼的轉(zhuǎn)換數(shù)組。

在WDK.6001.18002環(huán)境下編譯為內(nèi)核動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。方式是，在普通內(nèi)核模塊實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上增加DllInitial－ize、DllUnload兩個(gè)函數(shù)，均直接返回成功即可，將需要導(dǎo)出的函數(shù)聲明為extern。

圖3 CRL層次關(guān)系圖

（2）Linux內(nèi)核層

讀取證書(shū)文件時(shí)使用filp＿open打開(kāi)文件，get＿fs、set＿fs（KERNEL＿DS）、vfs＿read讀取文件，filp＿close關(guān)閉文件。內(nèi)核中沒(méi)有相應(yīng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換函數(shù)，需要參考應(yīng)用層的代碼自行實(shí)現(xiàn)。C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的sprintf可直接使用。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和釋放分別使用kmalloc（xx，GFP＿KERNEL）、kfree，另外還要加入unicode和gb2312編碼的轉(zhuǎn)換數(shù)組。

編譯方式同普通內(nèi)核模塊，用insmod命令加載模塊。

（3）W78E58和TMS320C5416

在W78E58和TMS320C5416環(huán)境下，不支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，證書(shū)從外部存儲(chǔ)器讀入內(nèi)存中的全局?jǐn)?shù)組中，運(yùn)行時(shí)各函數(shù)使用指針參數(shù)傳遞證書(shū)數(shù)據(jù)，不復(fù)制緩沖區(qū)。臨時(shí)數(shù)據(jù)可使用堆棧保存，本方法的堆棧使用量不超過(guò)512字節(jié)。時(shí)間轉(zhuǎn)換參考Linux應(yīng)用層代碼自行實(shí)現(xiàn)，在沒(méi)有硬件時(shí)鐘的環(huán)境下該轉(zhuǎn)換不需要。若設(shè)備上不需要顯示證書(shū)名稱(chēng)，則unicode編碼轉(zhuǎn)換數(shù)組也可以省去，以節(jié)省空間。

分別在Keil和CCS環(huán)境下編譯通過(guò)。由于是軟件方法，可以直接在兩種環(huán)境中進(jìn)行模擬測(cè)試。

常見(jiàn)的應(yīng)用層證書(shū)解析方法不適用于資源受限環(huán)境，無(wú)法和本文方法直接比較。此外，證書(shū)解析不是一種頻繁的操作，性能不是重要的考核指標(biāo)?；谏鲜隹紤]，表1僅給出了本方法在不同環(huán)境下的編譯代碼量和解析公鑰時(shí)的平均運(yùn)行時(shí)間（代碼數(shù)約1500行）。

表1 編譯代碼量和平均運(yùn)行時(shí)間

結(jié) 語(yǔ)

本文所描述的數(shù)字證書(shū)解析方法可方便地利用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，在Windows和Linux內(nèi)核層以及嵌入式系統(tǒng)中具有廣泛的適應(yīng)性，已在Windows和Linux內(nèi)核層、8051單片機(jī)、TMS320C5416等多個(gè)環(huán)境中應(yīng)用，具備運(yùn)行穩(wěn)定、代碼量小、解析速度快等特點(diǎn)，對(duì)開(kāi)發(fā)人員有一定的參考價(jià)值。

［1］Cryptography Functions［CP／OL］.［2013－01］.http：／／msdn.microsoft.com.

［2］X509Certificate類(lèi) ［CP／OL］.［2013－01］.http：／／msdn.microsof－t.com.

［3］OpenSS 源 碼 ［CP／OL］.［2013－01］.http：／／www.openssl.org.

［4］譚曉青.利用OpenSSL建立PKI數(shù)字證書(shū)系統(tǒng)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2005（20）：1552－1554.

［5］IETF.RFC3280Internet X509Public Key Infrastructure Certificate and Certificate Revocation List（CRL）rofile［DB／OL］.（2002－04）［2013－01］.http：／／w－ww.ietf.org.

［6］GB／T 16263.1－2006信息技術(shù) ASN.1編碼規(guī)則第1部分：基本編碼規(guī)則（BER）、正則編碼規(guī)則（CER）和非典型編碼規(guī)則（DER）規(guī)范［S］.

［7］譚文，楊瀟，邵堅(jiān)磊.寒江獨(dú)釣：Windows內(nèi)核安全編程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.