密碼學 - PKCS#7

在數位時代，安全通訊是至關重要的，無論是傳送敏感資訊還是驗證網站的真實性，密碼學都扮演著核心角色。其中，PKCS#7（Public-Key Cryptography Standard #7）是一項關鍵標準，定義了如何格式化已簽章或加密的資料。

本文將深入探討 PKCS#7 的功能、運作方式和實際應用，適合對密碼學有基本了解但不熟悉技術細節的讀者。

密碼學的背景

密碼學是確保通訊安全的科學，主要通過加密（將資料轉換為無法直接讀取的形式）和數位簽章（確認消息來源並確保完整性）來保護我們的數位交流。從古代的凱薩密碼（字母位移替換，如A替換為D）到現代的複雜演算法，密碼學已經歷了巨大的演變。

1970年代末期，公開金鑰密碼學的出現徹底改變了通訊安全領域，允許雙方在不共享祕密的情況下安全通訊。隨著網際網路的普及，RSA實驗室於1990年代推出了PKCS（Public-Key Cryptography Standards）系列標準，而PKCS#7專注於定義加密消息的統一語法，為現代安全通訊協定如SSL/TLS奠定了基礎。

PKCS#7 是什麼？

PKCS#7 是一種標準，定義了用於儲存和傳輸已進行密碼學操作（如簽章或加密）資料的結構。該標準最初在1998年發布為RFC 2315（版本1.5），後來通過多次更新（RFC 2630、RFC 3369、RFC 3852和RFC 5652）演變為今天的密碼學消息語法（CMS）。
PKCS#7文件常見的儲存格式有兩種：

• DER格式：二進制編碼，適合程式處理
• PEM格式：DER的Base64編碼版本，包裹在特定標記之間，便於文本傳輸

在Windows系統中，這些檔案通常使用 .p7b 或 .p7s 副檔名。

值得注意的是，PKCS#7 與 S/MIME 的關係經常被誤解。PKCS#7 演變為現代的 CMS (密碼消息語法)，是一個獨立的密碼學標準，而 S/MIME 是一個應用層協定，它採用 CMS 作為其底層格式來實現安全電子郵件。這種關係是 CMS 作為底層標準被 S/MIME 使用，而非 S/MIME 定義了 PKCS#7/CMS。CMS 除了用於 S/MIME 外，還可用於其他應用場景，如文件簽章和軟體程式碼簽章。

PKCS#7 的主要功能

PKCS#7 支援多種內容類型，每種類型服務於不同的密碼學需求，以下簡單列舉幾種常見的內容類型：

這些內容類型允許 PKCS#7 處理從簡單簽章到複雜加密的各種場景。

PKCS#7 的內部結構

PKCS#7的資料結構基於ASN.1（Abstract Syntax Notation One）定義，這是一種標準化描述資料格式的語言。下圖展示了一個典型的 signedData 結構：

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SignedData ::= SEQUENCE {
    version             Version,
    digestAlgorithms    DigestAlgorithmIdentifiers,
    contentInfo         ContentInfo,
    certificates        [0] IMPLICIT CertificateSet OPTIONAL,
    crls                [1] IMPLICIT CertificateRevocationLists OPTIONAL,
    signerInfos         SignerInfos
}

在這個結構中：

• version：指示使用的PKCS#7版本
• digestAlgorithms：用於產生訊息摘要的演算法（如SHA-256）
• contentInfo：實際的資料或指向內容的指標
• certificates：包含簽章者的證書或證書鏈
• crls：可選的證書撤銷列表
• signerInfos：包括簽章者的識別資訊和簽章值

這種結構化設計確保了資料的完整性和可驗證性，同時提供了良好的擴充性。

運作方式與實際應用

數位簽章流程

以下是使用PKCS#7創建和驗證數位簽章的典型流程：

1. 產生摘要：計算原始資料的雜湊值（如使用SHA-256）
2. 簽署摘要：使用私鑰加密雜湊值，產生數位簽章
3. 打包資料：將原始資料、數位簽章和相關證書封裝為PKCS#7格式
4. 驗證簽章：接收方使用公鑰解密簽章，比對計算出的雜湊值

實際應用場景

PKCS#7 在多個領域有廣泛應用：

1. S/MIME 電子郵件安全
   • 應用：Gmail、Outlook等電子郵件客戶端使用PKCS#7格式的.p7s文件保護電子郵件
   • 功能：確保郵件未被竄改，驗證寄件者身份
2. SSL/TLS證書鏈
   • 應用：網站伺服器如Apache、Nginx使用.p7b文件儲存證書
   • 功能：建立從根證書到終端實體證書的信任鏈
3. 軟體簽章與驗證
   • 應用：Microsoft、Apple等使用PKCS#7簽章驗證軟體包
   • 功能：確保用戶下載的軟體來自合法來源，未被修改
4. 金融交易安全
   • 應用：銀行業使用PKCS#7保護交易資料
   • 功能：確保交易指令的真實性和完整性
5. 電子政務文件
   • 應用：政府機構使用PKCS#7簽署電子文件
   • 功能：賦予電子文件法律效力，等同實體簽章

實作案例：使用 OpenSSL 產生 PKCS#7 簽章

產生PKCS#7簽章

假設你有一個文件 data.txt，以及一對私鑰與證書（private.key和cert.pem）：

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# 產生PKCS#7簽章
openssl smime -sign -in data.txt -out data.p7s -signer cert.pem -inkey private.key -outform PEM

# 產生不分離的簽章（包含原始資料）
openssl smime -sign -in data.txt -out data.p7s -signer cert.pem -inkey private.key -outform PEM -nodetach

驗證PKCS#7簽章

接收者可以使用以下命令驗證簽章：

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# 驗證分離簽章
openssl smime -verify -in data.p7s -inform PEM -content data.txt -CAfile ca-cert.pem

# 驗證不分離簽章
openssl smime -verify -in data.p7s -inform PEM -CAfile ca-cert.pem

查看PKCS#7文件內容

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# 以文本形式顯示PKCS#7文件的內容
openssl pkcs7 -in data.p7s -inform PEM -print_certs -text

完整範例：企業文件簽署系統

以下是一個企業文件簽署系統使用PKCS#7的完整場景：

整個系統分為三個階段：準備階段、簽署流程和驗證流程。系統實現了端到端的文件簽署和驗證過程，確保文件在傳輸過程中保持完整性和可驗證性。這種系統在法律合同、財務報表和企業間保密文件交換中尤為重要。

PKCS#7與現代標準的比較

安全考量與最佳實踐

使用PKCS#7時，應注意以下安全考量：

1. 避免過時演算法：
   • 不要使用MD5或SHA-1等已被證明存在漏洞的雜湊演算法
   • 推薦使用SHA-256或更強的雜湊演算法
2. 金鑰長度選擇：
   • RSA金鑰至少使用2048位元（建議4096位元）
   • ECDSA金鑰至少使用P-256曲線
3. 證書驗證：
   • 總是檢查整個證書鏈的有效性
   • 驗證證書是否在CRL或OCSP回應中被撤銷
4. 時間戳記：
   • 考慮為簽章添加時間戳記，確保簽章時間的可驗證性
   • 使用可信的時間戳記服務
5. 格式驗證：
   • 謹慎處理ASN.1解析，防止緩衝區溢出等漏洞
   • 限制處理的PKCS#7文件大小

PKCS#7的局限性與挑戰

雖然PKCS#7廣泛應用，但也存在一些局限性：

1. 演算法靈活性有限：
   • 原始標準未充分考慮新興密碼學演算法
   • 對抗量子計算的演算法支援不足
2. 複雜性：
   • ASN.1結構複雜，學習曲線陡峭
   • 實現和測試困難，容易出現安全漏洞
3. 與現代標準共存：
   • CMS逐漸取代PKCS#7，但兩者需要互操作
   • 舊系統依賴PKCS#7，新系統採用CMS，需要兼容處理

未來發展趨勢

PKCS#7及其衍生標準CMS的未來發展方向包括：

主要發展方向詳細解釋：

1. 支援後量子密碼學：
   • 整合抗量子演算法，如格基密碼學和雜湊基密碼學
   • 確保在量子計算時代仍然安全的金鑰交換和簽章機制
2. 區塊鏈整合：
   • 與區塊鏈技術結合，提供去中心化的分散式信任機制
   • 為智慧合約提供可靠的數位簽章和身份驗證
3. IoT適配：
   • 開發輕量級實現，減少資源需求，適合資源受限設備
   • 最佳化處理效能和能源消耗，延長電池壽命
4. 標準統一：
   • 與其他密碼學標準更好地整合，提供跨平台兼容性
   • 簡化API和使用複雜度，提高開發者體驗

結論

PKCS#7作為數位簽章和加密資料的標準容器，在過去二十多年來支撐了全球安全通訊的基礎設施。雖然它正逐漸被CMS取代，但其設計原則和核心概念仍然影響著現代密碼學實踐。對於任何從事資訊安全的專業人士來說，理解PKCS#7的工作原理都是必不可少的知識基礎。
隨著密碼學不斷發展，PKCS#7及其衍生標準將繼續適應新的威脅和需求，為數位世界的安全通訊提供堅實保障。無論是電子郵件安全、網站認證還是軟體分發，PKCS#7的影響都將持續很長時間。

參考資料

• PKCS 7 - Wikipedia
• RFC 2315 - PKCS #7: Cryptographic Message Syntax Version 1.5
• RFC 5652 - Cryptographic Message Syntax (CMS)
• A SSL Certificate File Extension Explanation: PEM, PKCS7, DER, and PKCS#12 - Comodo SSL Resources
• OpenSSL PKCS#7 Documentation

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