【密码学实战】openHiTLS X509命令行工具： 数字证书生成与转换

openHiTLS密码开源社区2025-10-03 17:02

前言

在当今的信息时代，网络通信的安全性是基石。无论是网上购物、在线 banking，还是远程办公，我们都依赖于一个安全、可信的环境来传输敏感信息。这一切的背后，离不开公钥基础设施（Public Key Infrastructure, PKI）的支撑。X.509 正是 PKI 的核心标准之一。它定义了数字证书的格式，该证书如同网络世界中的 "身份证" 或 "护照"。

openHiTLS 是业界首个面向全场景的开源密码库，由华为、西安电子科技大学、山东大学、上海交通大学等13家国内产学研单位共同发起，提供了完整的密码学和安全通信功能。作为其工具集的一部分，openHiTLS 提供了 hitls 命令行工具，其**hitls x509**集中用于处理 X.509 证书的核心组件。它允许用户通过命令行界面，方便地执行与 X.509 证书相关的各种操作，如生成、查看、分析和转换等，是管理和维护 PKI 的强大助手。

本文将详细介绍 **hitls x509**命令行工具的功能、使用方法和最佳实践。

一、核心功能与设计理念

hitls x509 的设计目标是提供一个全面且高效的 X.509 证书处理解决方案。其核心功能涵盖了证书生命周期的关键环节：

  1. 证书生成（签名）：作为 CA（证书颁发机构），对一个证书签名请求（CSR）进行签名，生成一个新的、受信任的 X.509 证书。这包括自签名（生成根 CA 证书）和由已有 CA 签名（生成中间或终端实体证书）两种模式。
  2. 证书查看与分析：加载并解析一个已有的 X.509 证书，以人类可读的方式展示其内部结构和所有字段信息，如版本、序列号、颁发者（Issuer）、主题（Subject）、有效期（Validity Period）、公钥信息以及各种扩展（Extensions）。
  3. 信息提取：从证书中提取特定信息，如公钥、主题密钥标识符（SKI）、指纹（Fingerprint）等，用于密钥管理或验证。
  4. 格式转换：在 PEM 和 DER 两种最常见的证书编码格式之间进行转换。

设计理念：

  • 模块化：代码结构清晰，将命令行解析、证书操作、输出打印等功能拆分为独立模块，便于维护和扩展。
  • 灵活性：通过丰富的命令行选项，允许用户精细控制证书生成和查看的每一个环节。
  • 兼容性 ：选项设计和行为与 OpenSSL x509 高度一致，降低了用户的学习成本和迁移难度。
  • 安全性：在处理私钥时，支持密码保护，并在内存中安全地清除敏感信息，防止泄露。

二、工作模式与内部流程

hitls x509 的行为由命令行选项驱动，主要分为两种工作模式，其内部处理流程也有所不同。

1. 生成模式（-req 模式）

当指定 -req 选项时，工具进入证书生成流程。其内部工作流大致如下：

  1. 初始化与解析 ：解析命令行参数，初始化上下文（X509OptCtx），并进行选项合法性检查（例如，-CA 和 -CAkey 必须成对出现，-signkey 与 -CA 不能同时使用等）。
  2. 资源加载 ：
    • 加载 CSR 文件并验证其签名的合法性。
    • 加载签名所需的私钥（-signkey 或 -CAkey），并使用 -passin 提供的密码进行解密。
    • 如果是 CA 签名，加载 CA 证书并验证 CA 公钥与私钥是否匹配。
    • 如果指定了扩展，加载并解析配置文件（-extfile）。
  3. 证书构建 ：
    • 创建一个新的空证书对象。
    • 从 CSR 中提取公钥和主题（Subject）信息，设置到新证书中。
    • 设置颁发者（Issuer）信息：自签名时与 Subject 相同；CA 签名时从 CA 证书中获取。
    • 设置有效期（-days），起始时间为当前系统时间。
    • 设置序列号（-set_serial 或随机生成）。
    • 处理扩展：复制 CSR 中的扩展，并根据配置文件（-extfile 和 -extensions）添加或覆盖 X.509 v3 扩展。这是生成功能最强大的部分，用于配置如 subjectAltName（SAN）、keyUsage、extendedKeyUsage 等关键属性。
  4. 签名与编码 ：
    • 使用指定的私钥和消息摘要算法（-md）对证书的 TBS（To-Be-Signed）部分进行签名。
    • 将完整的、已签名的证书编码为指定格式（PEM 或 DER），准备输出。
  5. 输出：将生成的证书写入到文件或标准输出。

2. 查看模式（默认模式）

当不指定 -req 选项时，工具默认进入证书查看流程。其内部工作流相对简单：

  1. 初始化与解析：解析命令行参数，初始化上下文。
  2. 证书加载 ：从指定文件（-in）加载证书，并根据 -inform 识别其格式。
  3. 信息提取与打印 ：
    • 根据指定的打印选项（如 -text, -issuer, -fingerprint 等），从加载的证书对象中提取相应信息。
    • 调用内部的打印函数，将提取的信息格式化并输出到文件或标准输出。
  4. 公钥输出 ：如果指定了 -pubkey，则从证书中提取公钥，编码为 PEM 格式并输出。

三、命令行选项详解（增强版）

以下是 hitls x509 支持的所有命令行选项，根据功能进行了分类，并补充了更详细的说明和使用建议。

1. 通用输入 / 输出选项

选项 参数 描述 使用建议
-in filename （必需） 指定输入文件。在生成模式下为 CSR，在查看模式下为证书。 始终明确指定输入文件，避免使用默认值带来的不确定性。
-inform PEM | DER 指定输入文件的格式，默认为 PEM。 当处理非 PEM 格式的文件（如 .cer, .crt 的 DER 版本）时，必须使用此选项。
-out filename 指定输出文件。用于写入生成的证书或打印的文本。 如果未指定，输出将发送到标准输出（stdout），这对于管道操作很有用。
-outform PEM | DER 指定输出证书的格式，默认为 PEM。 用于在 PEM 和 DER 格式之间进行转换。例如，将 PEM 证书转换为 DER 格式。
-noout 无 （重要） 不输出证书本身。 当你只想查看证书信息（如指纹、公钥）而不希望创建一个新的证书文件时，此选项至关重要。

2. 证书生成选项 (用于 -req 模式)

选项 参数 描述 使用建议
-req 无 （核心） 声明输入为 CSR，触发证书生成流程。 生成新证书时必须使用此选项。
-days number 指定有效期（天数），默认为 30 天。 生产环境中的证书通常设置为 365 天或更久。测试证书可以使用较短的有效期。
-set_serial hex_string 手动指定序列号（十六进制）。不指定则随机生成。 序列号在 CA 域内必须唯一。手动指定有助于在调试或特定策略下进行追踪。
-signkey filename 指定用于自签名的私钥文件（PEM 格式）。 用于生成根 CA 证书或自签名服务器证书。私钥必须与 CSR 中的公钥配对。
-CA filename 指定用于签名的 CA 证书。 用于由上级 CA 签发下级证书（如中间 CA 或终端用户证书）。
-CAkey filename 指定用于签名的 CA 私钥。 必须与 -CA 选项配合使用，且私钥必须与 -CA 证书中的公钥配对。
-extfile filename 指定包含 X.509 v3 扩展的配置文件。 当需要为证书添加高级属性（如 SAN、密钥用法）时，此选项是必需的。
-extensions section 指定 -extfile 中要使用的配置段名称。 配置文件中可以包含多个段，此选项用于选择激活哪一个。
-md algorithm 指定签名的摘要算法，如 sha256, sha384。默认为 sha256。 sha1 已不被推荐用于新证书。建议使用 sha256 或更强的算法。
-passin source 指定私钥的密码来源。 为了安全，避免在命令行中直接明文输入密码，可以使用文件或环境变量。
-userId string 为 SM2 算法指定用户 ID。 仅在使用国密 SM2 算法时需要。

3. 证书信息打印选项

选项 参数 描述 使用建议
-text 无 以详细文本格式打印证书的全部内容。 最常用的查看选项，用于全面诊断证书问题，如有效期、扩展是否正确等。通常与 -noout 一起使用。
-issuer 无 打印证书的颁发者 DN。 快速验证证书是由哪个 CA 签发的。
-subject 无 打印证书的主题 DN。 快速查看证书的所有者信息。
-nameopt oneline | multiline | rfc2253 指定 DN 的打印格式。 oneline 最适合快速查看；rfc2253 是标准格式，适合程序解析。
-hash 无 打印 Subject DN 的哈希值。 在某些系统（如旧版 OpenSSL）中，此哈希值用于命名证书文件（例如 8f8...d4f.0）。
-fingerprint 无 打印证书的指纹。 非常重要的验证工具。用于在不依赖 CA 的情况下，手动验证证书文件的完整性和真实性。
-pubkey 无 提取并打印证书中的公钥（PEM 格式）。 用于获取对方的公钥，以便进行加密或验证签名。通常与 -noout 一起使用。

4. 其他选项

选项 参数 描述
-help 无 显示帮助信息，列出所有选项及其说明。

四、使用示例

示例 1：生成一个自签名的根 CA 证书

这是创建一个独立 PKI 的第一步。

前提 ：你已经通过 hitls req 命令生成了 ca.key (私钥) 和 ca.csr (CSR)。

cpp 复制代码 
# 使用 ca.key 对 ca.csr 进行自签名，生成有效期为 3650 天（约 10 年）的根证书 ca.crt
hitls x509 -req -in ca.csr -signkey ca.key -days 3650 -out ca.crt

命令解析：

  • 这个命令创建了一个可以用来为其他证书签名的根证书。
  • -days 3650 设置了一个较长的有效期，因为根证书通常很少更换。

示例 2：使用 CA 证书为服务器证书签名

前提：

  • CA 证书 ca.crt 和 CA 私钥 ca.key。

  • 服务器私钥 server.key 和服务器 CSR server.csr。

  • 一个扩展配置文件 server_ext.conf，内容如下，用于配置 SAN（ Subject Alternative Name）：

    ini

    cpp 复制代码 
    [server]
subjectAltName = DNS:www.example.com, DNS:example.com, IP:192.168.1.50
keyUsage = digitalSignature, keyEncipherment
extendedKeyUsage = serverAuth
cpp 复制代码 
# 使用 CA 证书和私钥，为 server.csr 签名，并应用 server_ext.conf 中的扩展
hitls x509 -req -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -days 365 \
    -extfile server_ext.conf -extensions server -out server.crt

命令解析：

  • -CA 和 -CAkey 指定了签发者。
  • -extfile 和 -extensions 为生成的 server.crt 添加了至关重要的 SAN 扩展和用途限制。现代浏览器强制要求证书包含 SAN 字段。

示例 3：全面查看证书详细信息

这是排查证书问题的首选命令。

cpp 复制代码 
# 以详细文本格式查看 server.crt 的所有信息，并抑制证书本身的输出
hitls x509 -in server.crt -text -noout

输出内容示例（节选）：

cpp 复制代码 
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            0a:1b:2c:3d:4e:5f:6a:7b:8c:9d
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C = CN, ST = Beijing, L = Beijing, O = MyOrg, OU = MyDept, CN = My Root CA
        Validity
            Not Before: Sep 28 08:30:00 2023 GMT
            Not After : Sep 28 08:30:00 2024 GMT
        Subject: C = CN, ST = Beijing, L = Beijing, O = MyOrg, OU = MyDept, CN = www.example.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                RSA Public-Key: (2048 bit)
                ...
        X509v3 extensions:
            X509v3 Subject Alternative Name:
                DNS:www.example.com, DNS:example.com, IP Address:192.168.1.50
            X509v3 Key Usage:
                Digital Signature, Key Encipherment
            X509v3 Extended Key Usage:
                TLS Web Server Authentication
    ...

示例 4：获取证书指纹并验证文件完整性

假设你从一个网站下载了证书 remote.crt，你想确认它在传输过程中没有被篡改。

cpp 复制代码 
# 获取 remote.crt 的 SHA-256 指纹
hitls x509 -in remote.crt -fingerprint -md sha256 -noout

输出示例：

cpp 复制代码 
SHA256 Fingerprint=AB:CD:EF:12:34:56:78:90:AB:CD:EF:12:34:56:78:90:AB:CD:EF:12:34:56:78:90:AB:CD:EF:12:34:56:78:90

你可以将这个指纹与网站管理员提供的官方指纹进行比对。如果两者一致，说明文件是完整且未被篡改的。

示例 5：提取公钥并保存

cpp 复制代码 
# 从 server.crt 中提取公钥，并保存到 server_pub.pem 文件
hitls x509 -in server.crt -pubkey -noout -out server_pub.pem

输出文件 server_pub.pem 内容示例：

cpp 复制代码 
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEAv6...
...
QIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

示例 6：格式转换

cpp 复制代码 
# 将 PEM 格式的 server.crt 转换为 DER 格式，并保存为 server.der
hitls x509 -in server.crt -inform PEM -out server.der -outform DER

示例 7：使用管道（Pipeline）

结合 hitls s_client 从一个 HTTPS 服务器获取证书并直接查看其信息，无需创建临时文件。

cpp 复制代码 
# 连接到 example.com，获取其服务器证书，并通过管道直接用 hitls x509 查看其 issuer 和 subject
echo -n | hitls s_client -connect example.com:443 2>/dev/null | hitls x509 -issuer -subject -noout

五、高级技巧与最佳实践

  1. 自动化脚本 ：hitls x509 是编写自动化部署和证书管理脚本的理想工具。通过组合使用各种选项，可以实现证书的批量生成、 renewal（续期）和监控。
  2. 安全性 ：
    • 保护私钥 ：私钥文件（如 ca.key, server.key）应设置严格的文件权限（例如 chmod 600），仅限所有者读取。
    • 密码管理 ：避免在命令行中使用 -passin pass:your_password 的形式。推荐使用文件（-passin file:password.txt）或环境变量（-passin env:MY_KEY_PASSWORD）来管理密码。
    • 算法选择 ：始终使用强密码学算法。对于 RSA，密钥长度至少为 2048 位；对于签名算法，优先使用 sha256 或更强的哈希算法。
  3. 扩展配置 ：X.509 v3 扩展是现代证书的灵魂。务必使用 -extfile 来配置 subjectAltName（SAN）、keyUsage、extendedKeyUsage 等扩展，以确保证书能够被正确识别和使用。
  4. 错误排查 ：当证书在应用中（如浏览器、Web 服务器）无法正常工作时，首先使用 hitls x509 -in cert.crt -text -noout 检查以下几点：
    • 证书是否在有效期内？
    • subjectAltName 扩展是否包含了正确的域名？
    • keyUsage 和 extendedKeyUsage 是否与你的应用场景匹配（例如，服务器证书需要 serverAuth）？
    • 证书链是否完整？（需要结合 hitls verify 工具）

六、错误处理与常见问题

  • Can't load ... private key：通常意味着私钥文件路径错误、文件损坏，或者密码不正确。
  • unable to load certificate ：输入文件不是有效的证书，或格式与 -inform 指定的不符。
  • CA certificate and CA private key do not match ：-CA 指定的证书和 -CAkey 指定的私钥不配对。
  • No such file or directory：检查所有文件路径是否正确。
  • 浏览器提示 NET::ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID ：这几乎总是因为证书的 subjectAltName 扩展中没有包含你正在访问的域名。

七、总结

hitls x509 是一个功能极其强大且稳定可靠的 X.509 证书工具箱。无论是在开发、测试还是生产环境中，它都是处理 TLS/SSL 证书不可或缺的利器。通过熟练掌握其命令行选项和工作流程，用户可以轻松地完成从简单的证书查看，到复杂的 CA 签名和扩展配置等一系列任务，从而构建和维护安全、健壮的网络通信环境。

免费下载openHiTLS

1、下载相关代码

2、构建安装，在openHiTLS根路径下执行以下命令：

cpp 复制代码 
mkdir build
cd build
cmake ..
make && make install
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