X 509 версия 3. Электронный сертификат X.509 обзор. Системы, использующие сертификаты, и PKI

Необходимость защиты информации

Продолжающееся бурное развитие компьютерных технологий и повсеместное внедрение в бизнес с использованием Интернета коренным образом изменяет устоявшиеся способы ведения бизнеса. Системы корпоративной безопасности, обеспечивающие бизнес, тоже не могут оставаться в стороне.

В настоящее время, например, средства электронной почты, используются не только для общения между людьми, а для передачи контрактов и конфиденциальной финансовой информации. Web сервера используются не только для рекламных целей, но и для распространения программного обеспечения и электронной коммерции. Электронная почта, доступ к Web серверу, электронная коммерция, VPN требуют применения дополнительных средств для обеспечения конфиденциальности, аутентификации, контроля доступа, целостности и идентификации. В настоящее время в качестве таких средств повсеместно используются средства криптографической защиты и Инфраструктура Открытых Ключей (ИОК).

Для чего нужна криптография

Система криптографической защиты должна обеспечивать:

• Конфиденциальность - Информация должна быть защищена от несанкционированного прочтения как при хранении, так и при передаче. Если сравнивать с бумажной технологией, то это аналогично запечатыванию информации в конверт. Содержание становится известно только после того, как будет открыт запечатанный конверт. В системах криптографической защиты обеспечивается шифрованием.
• Контроль доступа - Информация должна быть доступна только для того, для кого она предназначена. Если сравнивать с бумажной технологией, то только разрешенный получатель может открыть запечатанный конверт. В системах криптографической защиты обеспечивается шифрованием.
• Аутентификацию - Возможность однозначно идентифицировать отправителя. Если сравнивать с бумажной технологией, то это аналогично подписи отправителя. В системах криптографической защиты обеспечивается электронной цифровой подписью и сертификатом.
• Целостность - Информация должна быть защищена от несанкционированной модификации как при хранении, так и при передаче. В системах криптографической защиты обеспечивается электронной цифровой подписью и имитозащитой.
• Неотрекаемость - Отправитель не может отказаться от совершенного действия. Если сравнивать с бумажной технологией, то это аналогично предъявлению отправителем паспорта перед выполнением действия. В системах криптографической защиты обеспечивается электронной цифровой подписью и сертификатом.

Что такое криптография с открытыми ключами

Криптографическое преобразование (шифрование)- взаимно-однозначное математическое преобразование, зависящее от ключа (секретный параметр преобразования), которое ставит в соответствие блоку открытой информации (представленной в некоторой цифровой кодировке) блок шифрованной информации, также представленной в цифровой кодировке. Термин шифрование объединяет в себе два процесса: зашифрование и расшифрование информации.

Криптография делится на два класса: с симметричными ключами и открытыми ключами.

В криптографии с симметричными ключами отправитель и получатель используют один и тот же (общий) ключ, как для шифрования, так и для расшифрования.

Преимущества криптографии с симметричными ключами:

• Производительность - Производительность алгоритмов с симметричными ключами очень велика.
• Стойкость - Криптография с симметричными ключами очень стойкая, что делает практически невозможным процесс дешифрования. При прочих равных условиях (общий алгоритм) стойкость определяется длиной ключа. При длине ключа 256 бит необходимо произвести 10 в 77 степени переборов для определения ключа.

Недостатки криптографии с симметричными ключами:

• Распределение ключей - Так как для шифрования и расшифрования используется один и тот же ключ, при использовании криптографии с симметричными ключами требуются очень надежные механизмы для распределения ключей.
• Масштабируемость - Так как используется единый ключ между отправителем и каждым из получателей, количество необходимых ключей возрастает в геометрической прогрессии. Для 10 пользователей нужно 45 ключей, а для 100 уже 499500.
• Ограниченное использование - Так как криптография с симметричными ключами используется только для шифрования данных и ограничивает доступ к ним, при ее использовании невозможно обеспечить аутентификацию и неотрекаемость.

В криптографии с открытыми ключами используется пара ключей: открытый ключ и секретный (личный) ключ, известный только его владельцу. В отличие от секретного ключа, который должен сохраняться в тайне, открытый ключ может распространяться по сети. Секретный ключ в криптографии с открытыми ключами используется для формирования электронной подписи и расшифрования данных.

Криптография с открытыми ключами обеспечивает все требования, предъявляемые к криптографическим системам. Но реализация алгоритмов требует больших затрат процессорного времени. Поэтому в чистом виде криптография с открытыми ключами в мировой практике обычно не применяется. Для шифрования данных используются симметричные (сеансовые) ключи, которые в свою очередь шифруются с использованием открытых для передачи сеансовых ключей по сети.

Криптография с открытыми ключами требует наличия Инфраструктуры Открытых Ключей (PKI - Public Key Infrastructure) - неотъемлемого сервиса для управления электронными сертификатами и ключами пользователей, прикладного обеспечения и систем.

Верификация открытого ключа

Непосредственное использование открытых ключей требует дополнительной их защиты и идентификации для определения связи с секретным ключом. Без такой дополнительной защиты злоумышленник может представить себя как отправителем подписанных данных, так и получателем зашифрованных данных, заменив значение открытого ключа или нарушив его идентификацию. В этом случае каждый может выдать себя за английскую королеву. Все это приводит к необходимости верификации открытого ключа. Для этих целей используется электронный сертификат.

Электронный сертификат представляет собой цифровой документ, который связывает открытый ключ с определенным пользователем или приложением. Для заверения электронного сертификата используется электронная цифровая подпись доверенного центра - Центра Сертификации (ЦС). Исходя из функций, которые выполняет ЦС, он является основной компонентой всей Инфраструктуры Открытых Ключей. Используя открытый ключ ЦС, каждый пользователь может проверить достоверность электронного сертификата, выпущенного ЦС, и воспользоваться его содержимым.

Верификация цепочки сертификатов

Как описывалось ранее, доверие любому сертификату пользователя определяется на основе цепочки сертификатов. Причем начальным элементом цепочки является сертификат центра сертификации, хранящийся в защищенном персональном справочнике пользователя.

Процедура верификации цепочки сертификатов описана в рекомендациях X.509 и RFC 2459 и проверяет связанность между именем Владельца сертификата и его открытым ключом. Процедура верификации цепочки подразумевает, что все "правильные" цепочки начинаются с сертификатов, изданных одним доверенным центром сертификации. Под доверенным центром понимается главный ЦС, открытый ключ которого содержится в самоподписанном сертификате. Такое ограничение упрощает процедуру верификации, хотя наличие самоподписанного сертификата и его криптографическая проверка не обеспечивают безопасности. Для обеспечения доверия к открытому ключу такого сертификата должны быть применены специальные способы его распространения и хранения, так как на данном открытом ключе проверяются все остальные сертификаты.

Алгоритм верификации цепочек использует следующие данные:

• Х.500 имя Издателя сертификата;
• Х.500 имя Владельца сертификата;
• открытый ключ Издателя;
• срок действия открытого (секретного) ключа Издателя и Владельца;
• ограничивающие дополнения, используемые при верификации цепочек (basicConstraints, nameConstraints, policyConstrains);
• СОС для каждого Издателя (даже если он не содержит отзываемых сертификатов).

Цепочка сертификатов представляет собой последовательность из n сертификатов, в которой:

• для всех x в {1, (n-1)}, Владелец сертификата x есть Издатель сертификата x+1;
• сертификат x=1 есть самоподписанный сертификат;
• сертификат x=n есть сертификат конечного пользователя;

Одновременно с цепочкой сертификатов используется цепочка СОС, представляющая собой последовательность из n СОС, в которой:

• для всех СОС x в {1, n}, Издатель сертификата x есть Издатель СОС x;
• СОС x=1 есть СОС, изданный Владельцем самоподписанного сертификата;
• СОС x=n есть СОС, изданный Издателем сертификата конечного пользователя;

После построения двух цепочек (сертификатов и СОС) выполняется:

• криптографическая проверка сертификатов и СОС в цепочках;
• проверка сроков действия сертификатов и СОС;
• проверка соответствия имен Издателя и Владельца с использованием дополнения nameConstraints ;
• проверка длины цепочки с использованием дополнения basicConstraints ;
• проверка на отзыв сертификатов, причем, если сертификат промежуточного центра был отозван СОС вышестоящего центра, все сертификаты, изданные промежуточным центром, считаются недействительными;
• проверка приемлемых регламентов использования сертификата и приемлемых областей использования ключа с использованием дополнений certificatesPolicies и extendedKeyUsage .

Компоненты ИОК и их функции

В состав компонент ИОК входят следующие компоненты:

• Центр Сертификации;
• Центр Регистрации;
• Конечные пользователи;
• Сетевой справочник.

Центр Сертификации

Центр Сертификации (или Удостоверяющий Центр) - основная управляющая компонента ИОК, предназначенная для формирования электронных сертификатов подчиненных Центров и конечных пользователей. Кроме сертификатов, ЦС формирует список отозванных сертификатов X.509 CRL (СОС) с регулярностью, определенной Регламентом системы.

К основным функция ЦС относятся:

• Формирование собственного секретного ключа и сертификата ЦС;
• Формирование сертификатов подчиненных Центров;
• Формирование сертификатов открытых ключей конечных пользователей;
• Формирование списка отозванных сертификатов;
• Ведение базы всех изготовленных сертификатов и списков отозванных сертификатов;

Центр Регистрации

Опциональная компонента ИОК, предназначенная для регистрации конечных пользователей. Основная задача ЦР - регистрация пользователей и обеспечение их взаимодействия с ЦС. В задачи ЦР может также входить публикация сертификатов и СОС в сетевом справочнике LDAP.

Пользователи

Пользователь, приложение или система, являющиеся Владельцами сертификата и использующие ИОК.

Сетевой справочник

Опциональная компонента ИОК, содержащая сертификаты и списки отозванных сертификатов и служащая для целей распространения этих объектов среди пользователей с использованием протокола LDAP (HTTP, FTP).

Использование ИОК в приложениях

ИОК используется для управления ключами и электронными сертификатами в приложениях (таких как электронная почта, Web приложения, электронная коммерция), использующих криптографию для установления защищенных сетевых соединений (S/MIME, SSL, IPSEC), или для формирования ЭЦП электронных документов, приложений и т.д. Кроме того, ИОК может быть использована для корпоративных приложений.

Электронная почта и документооборот

Защищенные электронная почта и документооборот используют криптографию для шифрования сообщений или файлов и формирования ЭЦП. Из наиболее известных и распространенных стандартов стоит отметить протокол S/MIME (Secure Multipurpose Internet Mail Extensions), который является расширением стандарта Internet почты MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions).

Web приложения

Web броузеры и сервера используют ИОК для аутентификации и конфиденциальности сессии, а также для онлайновых банковских приложений и электронных магазинов. Наиболее распространенным протоколом в этой сфере является протокол SSL (Secure Sockets Layer). Протокол SSL не ограничивается применением только для защиты HTTP (Hypertext Transfer Protocol), а также может быть использован для FTP (File Transfer Protocol) и Telnet.

ЭЦП файлов и приложений

Использование ЭЦП для подписи приложений и файлов позволяет безопасно распространять их по сети Internet. При этом пользователь уверен в корректности полученного приложения от фирмы-разработчика.

Стандарты в области ИОК

Стандарты в области ИОК делятся на две группы: часть из них описывает собственно реализацию ИОК, а вторая часть, которая относится к пользовательскому уровню, использует ИОК, не определяя ее. На приведенном рисунке показана связь приложений со стандартами. Стандартизация в области ИОК позволяет различным приложениям взаимодействовать между собой с использованием единой ИОК.

В особенности стандартизация важна в области:

• процедуры регистрации и выработки ключа;
• описания формата сертификата;
• описания формата СОС;
• описания формата криптографически защищенных данных;
• описания онлайновых протоколов.

Основным центром по выпуску согласованных стандартов в области ИОК является рабочая группа ИОК (PKI working group) организации IETF (Internet Engineering Task Force), известная как группа PKIX (от сокращения PKI for X.509 certificates).

Стандарты PKIX

Спецификации PKIX основаны на двух группах стандартов: X.509 ITU-T (Международный комитет по телекоммуникациям) и PKCS (Public Key Cryptography Standards) firmy RSA Data Security. X.509 изначально был предназначен для спецификации аутентификации при использовании в составе сервиса X.500 директории. Фактически же, синтаксис электронного сертификата, предложенный в X.509 признан стандартом де-факто и получил всеобщее распространение независимо от X.500. Однако X.509 ITU-T не был предназначен для полного определения ИОК. В целях применения стандартов X.509 в повседневной практике пользователи, поставщики и комитеты по стандартизации обращаются к стандартам PKCS. PKIX группа издала следующие стандарты Internet (RFC).

Формат сертификата Х.509

Х.509 - это другой очень распространённый формат. Все сертификаты Х.509 соответствуют международному стандарту ITU-T X.509; таким образом (теоретически), сертификат Х.509, созданный для одного приложения, может быть использован в любом другом, поддерживающем этот стандарт. На практике, однако, сложилась ситуация, что разные компании создают собственные расширения для Х.509, не все из которых между собой совместимы.

Всякий сертификат требует, чтобы кто-то заверил взаимосвязность открытого ключа и идентифицирующей владельца ключа информации. Имея дело с PGP-сертификатом, каждый может выступать в качестве заверителя содержащихся в нём сведений (за исключением случаев, когда эта возможность намеренно ограничена политикой безопасности). Но в случае сертификатов Х.509 заверителем может быть только Центр сертификации или некто, специально уполномоченный им на эту роль. (Имейте в виду, что PGP-сертификаты также в полной мере поддерживают иерархическое структурирование системы доверия, использующее ЦС для удостоверения сертификатов.)

Сертификат Х.509 - это набор стандартных полей, содержащих сведения о пользователе или устройстве, и их соответствующий открытый ключ. Стардарт Х.509 определяет, какие сведения входят в сертификат и как они кодируются (формат данных).

Сертификат Х.509 содержит следующие сведения:

Версия Х.509 - указывает, на основе какой версии стандарта Х.509 построен данный сертификат, что определяет, какая информация может в нём содержаться.

Открытый ключ владельца сертификата - открытый ключ наряду с идентификатором используемого алгоритма (указывающим криптосистему, к которой принадлежит данный ключ) и прочая информация о параметрах ключа.

Серийный номер сертификата - организация-издатель сертификата обязана присвоить ему уникальный серийный (порядковый) номер для его опознавания среди прочих сертификатов, выданных данной организацией. Эта информация применяется в ряде случаев; например, при аннулировании сертификата, его серийный номер помещается в список аннулированных сертификатов (Certificate Revocation List, CRL).

Уникальный опознаватель владельца ключа (или DN, distinguished name - уникальное имя) - это имя должно быть уникальным и единственным во всём Интернете. DN состоит из нескольких подпунктов и может выглядеть примерно так:

CN=Bob Davis, [email protected], OU=PGP Engineering,

O=PGP Corporation, C=US

(Что обозначает Понятное имя субъекта, Электронную почту, Подразделение организации, Организацию и Страну соответственно.)

Период действия сертификата - дата начала действия сертификата и дата окончания его действия; указывает на то, когда сертификат станет недействителен.

Уникальное имя издателя - уникальное имя организации, подписавшей сертификат. Обычно, это наименование Центра сертификации. Использование сертификата подразумевает доверие организации, его подписавшей. (В случаях с корневыми сертификатами выдавшая организация - этот же ЦС - подписывает его сама.)

ЭЦП издателя - электронная подпись, созданная закрытым ключом организации, выдавшей сертификат. Идентификатор алгоритма подписи - указывает алгоритм, использованный ЦС для подписания сертификата.

Существует ряд фундаментальных различий между форматами сертификатов Х.509 и PGP:

вы можете лично создать собственный сертификат PGP;

вы должны запросить и получить сертификат Х.509 от Центра сертификации; сертификаты Х.509 содержат только одно имя владельца сертификата;

сертификаты Х.509 содержат только одну ЭЦП, подтверждающую подлинность сертификата.

Чтобы получить сертификат Х.509, вы должны попросить ЦС выдать его вам. Вы предоставляете системе свой открытый ключ, чем доказываете, что обладаете соответствующим закрытым, а также некоторые идентифицирующие вас сведения. Затем вы электронно подписываете эти сведения и отправляете весь пакет - запрос сертификата - в Центр сертификации. ЦС выполняет определённый процесс по проверке подлинности предоставленной информации и, если всё сходится, создаёт сертификат, подписывает и возвращает вам.

Вы можете представить сертификат Х.509, как обычный бумажный сертификат или аттестат с приклеенным к нему открытым ключом. На нём указано ваше имя, а также некоторые сведения о вас, плюс подпись издателя сертификата.

Вероятно, наибольшая польза от сертификатов Х.509, это их применение в Веб-браузерах.