設計 CA 階層 - AWS Private Certificate Authority
驗證最終實體憑證規劃 CA 階層的結構在憑證路徑上設定長度限制

本文為英文版的機器翻譯版本，如內容有任何歧義或不一致之處，概以英文版為準。

設計 CA 階層

使用時 AWS 私有 CA，您可以建立最多五個層級的憑證授權單位階層。位於階層樹狀結構頂端的根 CA，可以有任何數量的分支。根 CA 在每個分支上最多可以有四個層級的次級 CA。您也可以建立多個階層，每個階層都具有自己的根。

設計完善的 CA 階層具有下列優點：

  • 適用於每個 CA 的精細安全控制

  • 具有更佳負載平衡與安全的管理任務分工

  • 使用有限且可撤銷信任的 CA 進行日常操作

  • 有效期間和憑證路徑限制

下圖說明簡單的三層 CA 階層。

簡單、三層 CA 階層的圖表。

樹狀結構中的每個 CA 都由具有簽署授權單位的 X.509 v3 憑證進行支援 (以圖示表 pen-and-paper 示)。這表示其做為 CA 可以簽署其他從屬於其下方的憑證。當 CA 簽署較低層級的 CA 憑證時，會對已簽署的憑證授予有限且可撤銷的授權。層級 1 中的根 CA，會簽署層級 2 中的高階次級 CA 憑證。這些 CA 會依次簽署層級 3 中 CA 的憑證，而這些 CA 則是由管理終端實體憑證的 PKI (公有金鑰基礎設施) 管理員所使用。

CA 階層中的安全，應在樹狀目錄的頂端設為最強。此設定可保護根 CA 憑證及其私有金鑰。根 CA 會錨定所有次級 CA 及其下方終端實體憑證的信任。雖然對終端實體憑證造成的危害會導致局部損害，但對根造成的危害會破壞整個 PKI 中的信任。根和高階從屬 CA 只會很少使用 (通常用來簽署其他 CA 憑證)。因此，這些 CA 會受到嚴格控制與稽核，以確保降低危害風險。階層中的較低層級，對安全方面的限制則較少。這種方法可讓您執行例行管理任務，例如發行及撤銷使用者、電腦主機和軟體服務的終端實體憑證。

注意

使用根 CA 簽署次級憑證是罕見事件，只發生在少數情況下：

  • 建立 PKI 時

  • 需要更換高階憑證授權機構時

  • 需要設定憑證撤銷清單 (CRL) 或線上憑證狀態通訊協定 (OCSP) 回應程式時

根和其他高階 CA，需要高度安全的操作程序和存取控制通訊協定。

驗證最終實體憑證

終端實體憑證會從透過次級 CA 回到根 CA 的認證路徑取得信任。當 Web 瀏覽器或其他用戶端提供終端實體憑證時，其會嘗試建構信任鏈。例如，其可能會檢查憑證的「發行者辨別名稱」和「主體辨別名稱」是否與發行 CA 憑證的對應欄位相符。接著會繼續在階層的每個連續層級往上繼續比對，直到用戶端到達其信任存放區中所包含的信任根目錄為止。

信任存放區是瀏覽器或作業系統所包含的信任 CA 資源庫。針對私有 PKI，您組織的 IT 必須確保每個瀏覽器或系統先前已將私有根 CA 新增至其信任存放區。否則會無法驗證認證路徑，而導致用戶端錯誤。

下圖顯示在提供終端實體 X.509 憑證時，瀏覽器會遵循的驗證路徑。請注意，終端實體憑證缺少簽署授權機構，並且僅可用於驗證擁有該憑證的實體。

由 Web 瀏覽器進行驗證檢查。

瀏覽器檢查終端實體憑證。瀏覽器發現憑證提供次級 CA (層級 3) 的簽章做為其信任登入資料。次級 CA 的憑證必須包含在相同 PEM 檔案中。或者，也可以位於包含組成信任鏈結之憑證的個別檔案中。找到這些資訊後，瀏覽器檢查次級 CA (層級 3) 的憑證，並發現其提供次級 CA (層級 2) 的簽章。反過來，次級 CA (層級 2) 會提供來自根 CA (層級 1) 的簽章做為其信任登入資料。如果瀏覽器發現預先安裝在其信任存放區中的私有根 CA 憑證複本，則會將終端實體憑證驗證為受信任。

一般來說，瀏覽器也會根據憑證撤銷清單 (CRL) 來檢查每個憑證。已過期、已撤銷或設定錯誤的憑證會遭拒絕，且驗證會失敗。

規劃 CA 階層的結構

一般而言，您的 CA 階層應該要反映出組織的結構。瞄準路徑長度 (也就是 CA 層級數目)，不得超過委派系統管理和資訊安全角色所需的路徑長度。將 CA 新增至階層，表示增加認證路徑中的憑證數量，而這會增加驗證時間。將路徑長度保持在最小值還可以減少驗證最終實體憑證時從伺服器傳送至用戶端的憑證數目。

理論上，沒有pathLenConstraint參數的根 CA 可以授權無限層級的從屬 CA。從屬 CA 可以擁有其內部組態所允許的子系從屬 CA 數量。 AWS 私有 CA 受管理階層支援最多五個層級的 CA 憑證路徑。

設計完善的 CA 結構有幾項優點：

  • 不同組織單位的個別管理控制

  • 將存取權委派給次級 CA 的能力

  • 可透過額外安全控制來保護較高層級 CA 的階層式結構

有兩種常見的 CA 結構可以達成上述所有項目：

  • 兩個 CA 層級：根 CA 和次級 CA

    這是最簡單的 CA 結構，可允許根 CA 和次級 CA 的個別系統管理、控制和安全政策。您可以在為根 CA 維護嚴格控制和政策的同時，給予次級 CA 較寬鬆的存取權。後者用於大量發行終端實體憑證。

  • 三個 CA 層級：根 CA 和兩個次級 CA 層級

    與上述情況類似，此結構會增加一層額外的 CA，以進一步將根 CA 與低層 CA 操作分開。中間層 CA 僅用於簽署執行終端實體憑證發行的次級 CA。

較不常見的 CA 結構包括下列項目：

  • 四個或更多 CA 層級

    雖然比三層階層較少見，但具有四層或更多層級的 CA 階層仍可能存在，且可能需要允許管理委派。

  • 一個 CA 層級：僅限根 CA

    此結構通常用於進行開發及測試，而不需要完整的信任鏈時。在生產環境中使用並不常見。此外，其違反了針對根 CA 及發行終端實體憑證的 CA 維護個別安全政策的最佳實務。

    不過，如果您已經直接從根 CA 發行憑證，則可以移轉至 AWS 私有 CA. 與使用透過 OpenSSL 或其他軟體管理的根 CA 相比，這樣做可提供安全性和控制優勢。

製造商的私人 PKI 範例

在此範例中，一家虛構的科技公司生產兩種物聯網產品：智慧型燈泡和智慧型烤麵包機。在生產過程中，會將終端實體憑證發行給每部裝置，以便裝置能夠透過網際網路與製造商安全通訊。公司 PKI 也會確保其電腦基礎設施的安全，包括內部網站和各種自我裝載電腦服務，這些服務負責執行財務和業務營運。

因此，CA 階層會密切為業務的這些管理和操作層面建立模型。

較複雜的 CA 階層圖表。

此階層包含三個根目錄，一個用於內部操作，另外兩個用於外部操作 (每個產品系列都有一個根 CA)。它也說明了多個憑證路徑長度，其中包含兩個層級的 CA 供內部作業使用，以及三個層級的「外部作業」。

在外部作業端使用分離的根 CA 和其他從屬 CA 層是一項服務業務和安全性需求的設計決策。具備多個 CA 樹狀結構時，PKI 就可以適應未來的企業重新組織、撤資或併購。在發生變更時，整個根 CA 階層都可以隨著其保護的部門而整潔地移動。由於具備了兩個層級的次級 CA，根 CA 擁有高度隔離的效果，可與負責大量簽署數千或數百萬個製造項目之憑證的層級 3 CA 區隔。

在內部方面，企業 Web 和內部電腦操作可完成兩個層級的階層。這些層級可讓 Web 管理員和操作工程師獨立管理其工作領域的憑證發行。將 PKI 區分為不同的功能領域是安全最佳實務，可保護每個領域免受可能影響另一個網域的危害。Web 管理員會發行終端實體憑證供整個公司的 Web 瀏覽器使用，以驗證及加密內部網站上的通訊。操作工程師會發行終端實體憑證，以互相驗證資料中心主機和電腦服務。此系統會藉由在 LAN 上加密資料以協助保護敏感資料的安全。

在憑證路徑上設定長度限制

CA 階層架構的結構，由每個憑證所包含的「基本限制條件延伸」來定義及強制執行。延伸會定義兩個限制條件：

  • cA— 憑證是否定義 CA。如果此值為 False (預設值)，則憑證為終端實體憑證。

  • pathLenConstraint— 可存在於有效信任鏈中的較低層級從屬 CA 的最大數目。終端實體憑證不會計入，因為它不是 CA 憑證。

根 CA 憑證需要具備最大的彈性，且不包含路徑長度限制條件。這允許根定義任何長度的認證路徑。

注意

AWS 私有 CA 將認證路徑限制為五個層級。

次級 CA 的 pathLenConstraint 值會等於或大於零，取決於階層放置中的位置與所需功能。例如，在具有三個 CA 的階層中，不會對根 CA 指定任何路徑限制條件。第一個次級 CA 的路徑長度為 1，因此可以簽署子 CA。每個子 CA 都必須具有值為零的 pathLenConstraint。這表示其可以簽署終端實體憑證，但無法發行其他 CA 憑證。限制建立新 CA 的能力，是一項重要的安全控制。

下圖說明了階層中受限授權能力的這種傳播方式。

簡單、三層 CA 階層的圖表。

在四層階層中，根目錄是不受限制的 (如同往常)。但第一個次級 CA 的 pathLenConstraint 值為 2，這會限制其子 CA 深入超過兩個層級。因此，針對有效的認證路徑，限制條件值必須在接下來的兩個層級遞減為零。如果 Web 瀏覽器遇到來自此分支的終端實體憑證，且路徑長度大於 4，則驗證就會失敗。這類憑證可能是意外建立的 CA、設定錯誤的 CA 或未經授權的發行所造成。

使用範本管理路徑長度

AWS 私有 CA 提供用於發行根憑證、從屬憑證和終端實體憑證的範本。這些範本納入了基本限制條件值 (包括路徑長度) 的最佳實務。範本包括下列項目：

  • RootCACertificate/V1

  • 次級PathLen緩存證書 _ 0/V1

  • 次級PathLen緩存證書 _ 1/V1

  • 次級PathLen緩存證書 _ 2/V1

  • 下屬緩PathLen存證書 _ 3/V1

  • EndEntityCertificate/1

如果您嘗試建立路徑長度大於或等於其發行 CA 憑證路徑長度的 CA，則 IssueCertificate API 將傳回錯誤。

如需憑證範本的詳細資訊，請參閱瞭解憑證範本。

使用自動化 CA 階層設定 AWS CloudFormation

當您完成 CA 階層的設計時，您可以對其進行測試，並使用 AWS CloudFormation 範本將其投入生產環境。如需此類範本的範例，請參閱《AWS CloudFormation 使用指南》中的〈宣告私有 CA 階層〉。