基于Java Swing和BouncyCastle的证书生成工具

"Almost no one will remember what he had just not interested." - Nobody

“几乎没有人会记得他所丝毫不感兴趣的事情。” —— 佚名

0x00 大纲

0x01 前言

随着这些年人们对于信息安全的愈加重视，工作中经常用到各种数字证书，最主要的用途就是加密和签名。但是反复生成用于测试的数字证书是一件麻烦事，虽然感谢有强大的OpenSSL工具，但是问就是记不住命令，问就是不想看文档。为了提高工作效率，降低苦痛指数，遂决定开发一个证书生成小工具。

0x02 技术选型

我们需要一个简单的GUI，在Java的领域中，可以选择使用JavaFX或着Swing来实现，鉴于我们不需要太花哨的东西，只需要几个简单的布局和控件，这里选择了使用Swing来开发图形界面。小声BB：甲方是我，乙方也是我，能用就行，要啥自行车。

我们需要用到RSA或着国密的数字证书，凑巧BouncyCastle就是一个提供了很多哈希算法和加密算法的第三方库。老牌子，易使用。

初步估计工期为一周，太长容易从入门到放弃，太短则对心脏不友好。

0x03 需求分析

目标用户

• 给开发人员用
• 给业务人员用
• 给测试人员用

用户故事

作为使用者：

• 我需要工具同时支持生成RSA和国密的证书；
• 我想简单点几下按钮就能生成自己想要的证书，我不想记一大串又臭又长的命令行；
• 我不希望到处搜索一堆奇奇怪怪的参数，最好什么都不用我填，什么都不用我自己思考；
• 什么YES or NO统统不要，问就是YES......
• 我希望你界面尽量不要太花哨，时间长了看的我眼花；
• 最好支持批量操作，免得折了我鼠标的寿。

功能需求

• 使用GUI操作的小工具，包含四个功能菜单：
  • RSA根证书生成
  • RSA证书生成
  • ECC根证书生成，支持批量操作；
  • ECC证书生成，支持批量操作；
  • 生成的同时通过文件选择对话框选择保存路径；
• RSA根证书签发：
  • 可以根据选定的密钥算法和签名算法，生成RSA和国密的非对称密钥对，默认使用123456对私钥进行加密，可指定密码，也可一键生成随机密码；
  • 证书
  • 对于同一对密钥，需要同时导出：
    • DER编码的PKCS#8加密私钥，文件后缀名为.key；
    • PEM编码的PKCS#8加密私钥，文件后缀名为.pri.pem；
    • PEM编码的X.509公钥，文件后缀名为.pub.pem；
    • DER编码的X.509公钥，文件后缀名为.cer；
    • 同时包含X.509公钥和PKCS#8加密私钥的PKCS#12证书，文件后缀名为.pfx；
    • 包含私钥密码的文本文件，文件后缀为.txt；
      以上文件在一个压缩包中打包导出，压缩文件后缀为.zip；
• RSA证书签发：
  • 使用选定的根证书，签发中间证书或叶子证书；
  • 导出要求同上；
• ECC证书签发：
  • 同RSA根证书签发；
• ECC证书签发：
  • 使用国密sm2p256v1曲线，其余同RSA证书签发；
• 对于RSA证书，拟支持2048（首选）、1024、4096密钥位数，支持SHA1withRSA、SHA256withRSA、MD5withRSA签名算法；
• 对于ECC证书，拟支持sm2p256v1曲线，支持SM3withSM2、SHA256withSM2签名算法；
• 证书颁发者信息至少包含：
  • country code (C)
  • locality name (L)
  • state/province name (ST)
  • organization (O)
  • common name (CN)
  • organizational unit name (OU)
    最好都有默认值，能不填就尽量不要填，免得浪费我喝咖啡的时间；
• 证书使用者信息默认同颁发者信息；
• 证书有效期默认十年（部分系统不允许过长的证书有效期，第一个版本不考虑这么多）；

安全需求

略，见功能需求加密部分。

兼容需求

应与操作系统和其他软硬加密机生成的证书互相兼容。

性能需求

能用就行。

0x04 原型设计

有了大体上的功能需求分析，就可以进入设计阶段了，既然是GUI程序，那就先从界面入手，简单做一下原型。正好idea上带有Swing UI Designer，所见即所得，原型可以直接转化为后期工程。

主窗体

使用JTabbedPane作为容器，承载四个主要功能菜单，简化交互设计。再加上四个功能界面功能上高度相似，也意味着GUI元素的高度相似，只要设计出一个，其他几个直接Ctrl+C，Ctrl+V即可。

为了减少动态窗体大小带来的布局调整和元素Resize，直接使用固定大小窗体，初步定为 640*560 像素。

RSA根证书生成页面

大部分GUI元素都是按钮（JButton），下拉框（JComboBox）和输入框（JTextField or JPasswordField），因此可以考虑左边为标签（JLabel），右边为交互元素的表单结构，首选布局即为Grid Layout。剩下的就是往JPanel上扔控件了。经过一番努力，我们得到了这样的窗体设计：

于是通过复制粘贴，很快可以完成剩余的三个界面：

ECC根证书生成页面

RSA证书生成页面

ECC证书生成页面

0x05 架构设计

由于证书生成工具的定位是C端程序，区别于B/S模型的应用，它更适合使用传统老三层模型（USL、BLL、DAL），而不是Web应用上经常使用的MVC分层模式。

通过前面的原型设计，已经基本完成了USL表示层中的视图部分，接下来需要实现USL的控制部分和BLL层的业务逻辑（其实就是实现各个控件需要关注的事件监听以及对应的事件处理），由于我们的数据持久方式就是文件，所以数据访问层反而比较简单了。

DAL层虽然简单，但是我们保持开放修改的后路，万一哪天要用数据库呢？嘿嘿~

0x06 概要设计

通过需求分析和原型设计已经大致可以划分出功能模块了，核心部分就是几个按钮的事件监听和处理。

它们都可以统合到一个流程模型中：

参数录入->点击按钮->获取参数->验证参数->生成数据->更新UI

以生成RSA根证书处理流程为例：

1. 参数录入：界面上选择密钥位数、签名算法、证书密码（可选）、证书颁发者信息（可选）；
2. 点击按钮：监听按钮点击事件；
3. 获取参数：获取UI和后台的相关参数；
4. 验证参数：进行参数合法性检查，包括但不限于长度，格式，关联性等；
5. 生成数据：根据参数，调用BouncyCastle库生成RSA密钥对；适配和打包输出压缩文件；
6. 更新UI：提示生成结果，选择文件存储路径等；

异常处理：

1. 界面弹出提示框；
2. 后台记录日志等；

0x07 详细设计

将主业务流程的各个节点展开并详细描述其实现，必要时借助伪代码进行逻辑表示；这里就不写了，问就是懒……

0x08 编码实现

RSA根证书生成（节选关键部分）

public final class RSA {
    public static final String MD5_WITH_RSA = "MD5withRSA";
    public static final String SHA1_WITH_RSA = "SHA1withRSA";
    public static final String SHA256_WITH_RSA = "SHA256withRSA";
    public static final int KEY_SIZE_1024 = 1024;
    public static final int KEY_SIZE_2048 = 2048;
    public static final int KEY_SIZE_4096 = 4096;

    private RSA() {
    }

    public static KeyPair generateKeyPair(int keySize) throws NoSuchAlgorithmException {
        if ((keySize & keySize - 1) != 0) {
            throw new InvalidParameterException("非法RSA密钥位数" + keySize);
        }
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(Global.ALGO_NAME_RSA);
        keyPairGenerator.initialize(keySize);
        return keyPairGenerator.generateKeyPair();
    }
}

private ActionListener rsaRootGenerateButtonListener() {
    return e -> {
        try {
            checkRSARootCertificateConfig();
            JFileChooser fileChooser = makeSaveFileChooser();
            if (JFileChooser.APPROVE_OPTION == fileChooser.showSaveDialog(mainFrame)) {
                String saveDir = fileChooser.getSelectedFile().getAbsolutePath();
                char[] passwordChars = rsaRootPasswordField.getPassword();
                X500Name issuer = obtainIssuerEntry(rsaIssuerCField, rsaIssuerLField, rsaIssuerSTField, rsaIssuerOField, rsaIssuerCNField, rsaIssuerOUField).getValue();
                KeyPair caKeyPair = RSA.generateKeyPair(rsaRootKeySizeBox.getItemAt(rsaRootKeySizeBox.getSelectedIndex()));
                X509Certificate caCertificate = CertificateUtil.generateCertificate(rsaRootSignAlgoBox.getItemAt(rsaRootSignAlgoBox.getSelectedIndex()), caKeyPair, issuer);
                caCertificate.checkValidity(caCertificate.getNotBefore());
                caCertificate.checkValidity(caCertificate.getNotAfter());
                caCertificate.verify(caKeyPair.getPublic());
                PKCS8EncryptedPrivateKeyInfo caPrivateKeyInfo = KeyUtil.makePKCS8EncryptedKey(caKeyPair.getPrivate(), passwordChars);
                PKCS12PfxPdu caPfxPdu = KeyUtil.makePfx(caCertificate, caKeyPair.getPrivate(), passwordChars);
                saveCertificateFiles(saveDir, rsaIssuerCNField.getText(), caPrivateKeyInfo, caCertificate, caPfxPdu, passwordChars);
            }
        } catch (RuntimeException | IOException | GeneralSecurityException | OperatorCreationException | PKCSException ex) {
            JOptionPane.showMessageDialog(mainFrame, ex.getLocalizedMessage(), "错误提示", JOptionPane.ERROR_MESSAGE);
        }
    };
}

public static X509Certificate generateCertificate(String signatureAlgorithm, KeyPair keyPair, X500Name subject) throws OperatorCreationException, IOExcepti
    return generateCertificate(signatureAlgorithm, keyPair, subject, Duration.ofDays(365L * 10));
}

public static X509Certificate generateCertificate(String signatureAlgorithm, KeyPair keyPair, X500Name subject, Duration duration) throws OperatorCreationE
    ContentSigner contentSigner = makeContentSigner(signatureAlgorithm, keyPair.getPrivate());
    PKCS10CertificationRequest csr = generateCsr(contentSigner, keyPair, subject, true);
    BcX509ExtensionUtils extUtils = new BcX509ExtensionUtils();
    final Date notBefore = new Date();
    X509v3CertificateBuilder v3CertificateBuilder = new X509v3CertificateBuilder(
            csr.getSubject(),
            BigInteger.valueOf(UUID.randomUUID().getMostSignificantBits() & Long.MAX_VALUE),
            notBefore,
            new Date(notBefore.getTime() + duration.toMillis()),
            Locale.CHINA,
            csr.getSubject(),
            csr.getSubjectPublicKeyInfo());
    v3CertificateBuilder.addExtension(Extension.basicConstraints, true, new BasicConstraints(true));
    v3CertificateBuilder.addExtension(Extension.keyUsage, true, new KeyUsage(KeyUsage.keyCertSign | KeyUsage.cRLSign));
    v3CertificateBuilder.addExtension(Extension.subjectKeyIdentifier, false, extUtils.createSubjectKeyIdentifier(csr.getSubjectPublicKeyInfo()));
    v3CertificateBuilder.addExtension(Extension.authorityKeyIdentifier, false, extUtils.createAuthorityKeyIdentifier(csr.getSubjectPublicKeyInfo()));
    return new JcaX509CertificateConverter().setProvider(BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME).getCertificate(v3CertificateBuilder.build(contentSigner));
}

public static PKCS8EncryptedPrivateKeyInfo makePKCS8EncryptedKey(PrivateKey privateKey, char[] passwordChars) {
    PKCS8EncryptedPrivateKeyInfoBuilder privateKeyInfoBuilder = new JcaPKCS8EncryptedPrivateKeyInfoBuilder(privateKey);
    return privateKeyInfoBuilder.build(new BcPKCS12PBEOutputEncryptorBuilder(
            PKCSObjectIdentifiers.pbeWithSHAAnd3_KeyTripleDES_CBC,
            new CBCBlockCipher(new DESedeEngine())).build(passwordChars));
}

public static PKCS12PfxPdu makePfx(X509Certificate x509Certificate, PrivateKey privateKey, char[] passwordChars) throws IOException, PKCSException {
    PKCS12SafeBagBuilder certBagBuilder = new JcaPKCS12SafeBagBuilder(x509Certificate);
    certBagBuilder.addBagAttribute(PKCSObjectIdentifiers.pkcs_9_at_friendlyName, new DERBMPString("Forge CA Certification"));
    certBagBuilder.addBagAttribute(PKCSObjectIdentifiers.pkcs_9_at_localKeyId, ASN1Primitive.fromByteArray(x509Certificate.getExtensionValue(Extension.subjectKeyIdentifier.getId())));
    PKCS12SafeBagBuilder keyBagBuilder = new JcaPKCS12SafeBagBuilder(privateKey,
            new BcPKCS12PBEOutputEncryptorBuilder(
                    PKCSObjectIdentifiers.pbeWithSHAAnd3_KeyTripleDES_CBC,
                    new CBCBlockCipher(new DESedeEngine())).build(passwordChars));
    keyBagBuilder.addBagAttribute(PKCSObjectIdentifiers.pkcs_9_at_friendlyName, new DERBMPString("Forge CA Key"));
    keyBagBuilder.addBagAttribute(PKCSObjectIdentifiers.pkcs_9_at_localKeyId, ASN1Primitive.fromByteArray(x509Certificate.getExtensionValue(Extension.subjectKeyIdentifier.getId())));
    PKCS12PfxPduBuilder pfxPduBuilder = new PKCS12PfxPduBuilder();
    PKCS12SafeBag[] certs = new PKCS12SafeBag[1];
    certs[0] = certBagBuilder.build();
    pfxPduBuilder.addEncryptedData(new BcPKCS12PBEOutputEncryptorBuilder(
                    PKCSObjectIdentifiers.pbeWithSHAAnd40BitRC2_CBC,
                    new CBCBlockCipher(new RC2Engine())).build(passwordChars),
            certs);
    pfxPduBuilder.addData(keyBagBuilder.build());
    return pfxPduBuilder.build(new BcPKCS12MacCalculatorBuilder(), passwordChars);
}

ECC根证书生成

略，与RSA大同小异。

0x09 小结

运行效果

完成任务。

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