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@Kumanomi12345(クマノミ)

自己認証局を作ろう(証明書チェーンを理解したい)

Last updated at Posted at 2025-09-04

1. はじめに

やってみた自分用メモ。「自己署名証明書」をなんとなく理解したと思っているので、次に「他人に証明してもらう証明書」を勉強してみました。

ちなみに前回はこちら。

また、以下の記事に感謝します。

2. サーバー証明書になるまでの流れ

image.png

　今まではサーバーが「自己署名証明書」 を作っていました。「自分が対象」で「自分が承認」した結果「署名した」のだから「自己署名証明書」と言います。

　その代わり、認証局(CA)に承認してもらって「証明書(CRT)」を作ってもらう、というのがゴールになります。「(認証局の承認による)証明書」になるわけですね。

・それには認証局(CA)に対して「承認してください」というお願いを出す必要があります。それが「証明書署名要求(CSR)」になります。

・「証明書署名要求(CSR)」を作るには自分(サーバーの)署名が必要になります。

いっぱい「署名」「証明書」という言葉が出てきて混乱しますね!

順番にまとめると、

  1. サーバーは証明書署名要求(CSR)を作ります。その時に署名します
  2. サーバーは証明書署名要求(CSR)を認証局に送ります
  3. 認証局(CA)はCSRに署名して、証明書(CRT)にします
  4. 認証局(CA)はサーバーに証明書(CRT)を送ります

です。

でも、認証局(CA)は基本的に他人(外部)です。この流れを体験したい、とか理解したいと思いますよね? 私は思いました。では自己認証局(CA)を作りましょう。

「自己承認によるサーバー証明書(自己署名証明書)」から「自己認証局(CA)の承認によるサーバー証明書」へと、一段深くなります。この場合も結局「承認局(CA)自身も自己承認(オレオレ承認局)」なので信頼性は皆無ですが、「流れを理解する」のが目的です。

サーバー、自己認証局という登場人物が揃っているので、クラスにします。

3. コード

ChatGPTの出力が元になっています。利用される方は自己責任で。

3-1. サーバーのコード

サーバーがやることは

  1. 秘密鍵、公開鍵を作る
  2. 秘密鍵で署名した証明書署名要求(CSR) を作る

証明書署名要求(CSR)には当然サーバーが作った公開鍵も含まれています。

コードには「pfx形式で保存する」もありますが、これは後で使いやすいようにするためです。

server.cs
using Org.BouncyCastle.Asn1;
using Org.BouncyCastle.Asn1.Pkcs;
using Org.BouncyCastle.Asn1.X509;
using Org.BouncyCastle.Crypto;
using Org.BouncyCastle.Crypto.Generators;
using Org.BouncyCastle.Crypto.Operators;
using Org.BouncyCastle.Math;
using Org.BouncyCastle.OpenSsl;
using Org.BouncyCastle.Pkcs;
using Org.BouncyCastle.Security;
using Org.BouncyCastle.X509;

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;

public class ServerCertificate
{
    public AsymmetricCipherKeyPair KeyPair { get; private set; }

    public void GenerateKey(string keyPath)
    {
        var keyGen = new RsaKeyPairGenerator();
        keyGen.Init(new KeyGenerationParameters(new SecureRandom(), 2048));
        KeyPair = keyGen.GenerateKeyPair();

        using (var sw = new StreamWriter(keyPath))
        {
            var pemWriter = new PemWriter(sw);
            pemWriter.WriteObject(KeyPair.Private);
        }
    }

    // CSR を作成（サーバーの責務）
    public void GenerateCSRWithSAN(string csrPath, string subjectName, string[] dnsNames)
    {
        var san = new GeneralNames(Array.ConvertAll(dnsNames, dn => new GeneralName(GeneralName.DnsName, dn)));
        var extensions = new X509Extensions(
            new Dictionary<DerObjectIdentifier, X509Extension>
            {
                { X509Extensions.SubjectAlternativeName, new X509Extension(false, new DerOctetString(san)) }
            });

        var attr = new AttributePkcs(PkcsObjectIdentifiers.Pkcs9AtExtensionRequest, new DerSet(extensions));
        var csr = new Pkcs10CertificationRequest(
            "SHA256WITHRSA",
            new X509Name(subjectName),
            KeyPair.Public,
            new DerSet(attr),
            KeyPair.Private
        );

        using (var sw = new StreamWriter(csrPath))
        {
            var pemWriter = new PemWriter(sw);
            pemWriter.WriteObject(csr);
        }
    }

    // PFX 作成
    public void CreatePfx(string keyFile, string certFile, string pfxFile, string password)
    {
        AsymmetricKeyParameter privateKey;
        using (var sr = new StreamReader(keyFile))
        {
            var obj = new PemReader(sr).ReadObject();
            privateKey = obj is AsymmetricCipherKeyPair kp ? kp.Private : (AsymmetricKeyParameter)obj;
        }

        X509Certificate cert;
        using (var sr = new StreamReader(certFile))
            cert = (X509Certificate)new PemReader(sr).ReadObject();

        var store = new Pkcs12StoreBuilder().Build();
        var certEntry = new X509CertificateEntry(cert);
        string friendlyName = cert.SubjectDN.ToString();

        store.SetCertificateEntry(friendlyName, certEntry);
        store.SetKeyEntry(friendlyName, new AsymmetricKeyEntry(privateKey), new[] { certEntry });

        using (var fs = new FileStream(pfxFile, FileMode.Create, FileAccess.Write))
            store.Save(fs, password.ToCharArray(), new SecureRandom());
    }
}

3-2. 自己認証局の(CA)コード

  1. 自己認証局自身も署名するので　秘密鍵、公開鍵を持ちます
    　

  2. Createにはサーバーの自己証明書と非常に似たコードが並んでいます。違いと言えば「自分がCAであること」を示すパラメータが埋め込まれているくらいでしょうか。自己認証局(CA)の公開鍵が含まれていることにも留意してください

    　Issuer = Subject にして 自己認証局にしています。
    　

  3. 署名の段階ではサーバーの証明書署名要求(CSR)が正しいかどうかを検証するところから始まります
    　

  4. サーバーの 証明書署名要求(CSR) に書いてあったパラメータ(CNやSAN)を読み込み、コピーしています。この辺りしつこいようですが、あくまでも流れを理解するための例ということでご容赦ください
    　

  5. 最後に自己認証局(CA)の秘密鍵で署名しています

CertificateAuthority.cs
using Org.BouncyCastle.Asn1;
using Org.BouncyCastle.Asn1.Pkcs;
using Org.BouncyCastle.Asn1.X509;
using Org.BouncyCastle.Crypto;
using Org.BouncyCastle.Crypto.Generators;
using Org.BouncyCastle.Crypto.Operators;
using Org.BouncyCastle.Math;
using Org.BouncyCastle.OpenSsl;
using Org.BouncyCastle.Pkcs;
using Org.BouncyCastle.Security;
using Org.BouncyCastle.X509;

using System;
using System.IO;

public class CertificateAuthority
{
    public AsymmetricKeyParameter PrivateKey { get; private set; }
    public X509Certificate Certificate { get; private set; }

    public void Create(string caKeyPath, string caCertPath)
    {
    	string strCA="CN=MyCA";
    	
        var keyGen = new RsaKeyPairGenerator();
        keyGen.Init(new KeyGenerationParameters(new SecureRandom(), 2048));
        var keyPair = keyGen.GenerateKeyPair();
        PrivateKey = keyPair.Private;

        var certGen = new X509V3CertificateGenerator();
        certGen.SetSerialNumber(BigInteger.ProbablePrime(120, new Random()));
        // Issuer = Subject(自己認証局)
        certGen.SetIssuerDN(new X509Name(strCA));
        certGen.SetSubjectDN(new X509Name(strCA));
        certGen.SetNotBefore(DateTime.UtcNow.AddMinutes(-5));
        certGen.SetNotAfter(DateTime.UtcNow.AddYears(10));
        // CAの公開鍵を埋め込む
        certGen.SetPublicKey(keyPair.Public);

        // CAであることを示す
        certGen.AddExtension(X509Extensions.BasicConstraints, true, new BasicConstraints(true));
        // 証明書発行と CRL 署名用
        certGen.AddExtension(X509Extensions.KeyUsage, true,
            new KeyUsage(KeyUsage.KeyCertSign | KeyUsage.CrlSign));

		// CAの秘密鍵で署名
        var signatureFactory = new Asn1SignatureFactory("SHA256WITHRSA", keyPair.Private);
        Certificate = certGen.Generate(signatureFactory);

        SaveAsPem(caCertPath, Certificate);
        SaveAsPem(caKeyPath, PrivateKey);
    }

    // CSR を受け取って署名
    public X509Certificate SignCSR(Pkcs10CertificationRequest csr, int validYears = 1)
    {
        if (!csr.Verify())
        {
            throw new InvalidOperationException("CSR の検証に失敗しました。");
        }

        // サーバーの公開鍵
        var serverPublicKey = csr.GetPublicKey();
        var certGen = new X509V3CertificateGenerator();

        certGen.SetSerialNumber(BigInteger.ProbablePrime(120, new Random()));
        certGen.SetIssuerDN(Certificate.SubjectDN);
        // CSRに書いてあったSubject(CNなど)をコピー。そのまま信用しないとか、加工するとかいろいろ。
        certGen.SetSubjectDN(csr.GetCertificationRequestInfo().Subject);
        certGen.SetNotBefore(DateTime.UtcNow.AddMinutes(-5));
        certGen.SetNotAfter(DateTime.UtcNow.AddYears(validYears));
        // サーバーの公開鍵
        certGen.SetPublicKey(serverPublicKey);

		// サーバー認証用
        // KeyUsage / ExtendedKeyUsage
        certGen.AddExtension(X509Extensions.KeyUsage, true,
            new KeyUsage(KeyUsage.DigitalSignature | KeyUsage.KeyEncipherment));
        certGen.AddExtension(X509Extensions.ExtendedKeyUsage, false, new ExtendedKeyUsage(KeyPurposeID.id_kp_serverAuth));

        // CSR から SAN を取得してそのままコピー
        var csrInfo = csr.GetCertificationRequestInfo();
        X509Extensions requestedExtensions = null;
        if (csrInfo.Attributes != null)
        {
            foreach (Asn1Encodable ae in csrInfo.Attributes)
            {
                var attr = AttributePkcs.GetInstance(ae);
                if (attr.AttrType.Equals(PkcsObjectIdentifiers.Pkcs9AtExtensionRequest))
                {
                    requestedExtensions = X509Extensions.GetInstance(attr.AttrValues[0]);
                    break;
                }
            }
        }

        if (requestedExtensions != null)
        {
            var sanExt = requestedExtensions.GetExtension(X509Extensions.SubjectAlternativeName);
            if (sanExt != null)
            {
                certGen.AddExtension(X509Extensions.SubjectAlternativeName, false, Asn1Object.FromByteArray(sanExt.Value.GetOctets()));
            }
        }
        // CAの秘密鍵で署名して返す
        return certGen.Generate(new Asn1SignatureFactory("SHA256WITHRSA", PrivateKey));
    }

    private static void SaveAsPem(string fileName, object obj)
    {
        using (var writer = new StreamWriter(fileName))
        {
            var pemWriter = new PemWriter(writer);
            pemWriter.WriteObject(obj);
        }
    }
}

3-3. Main

これらをMainからコントロールして終了です。

program.cs
using Org.BouncyCastle.Asn1;
using Org.BouncyCastle.Asn1.Pkcs;
using Org.BouncyCastle.Asn1.X509;
using Org.BouncyCastle.Crypto;
using Org.BouncyCastle.Crypto.Generators;
using Org.BouncyCastle.Crypto.Operators;
using Org.BouncyCastle.Math;
using Org.BouncyCastle.OpenSsl;
using Org.BouncyCastle.Pkcs;
using Org.BouncyCastle.Security;
using Org.BouncyCastle.X509;

using System;
using System.IO;

internal class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // ===== CA作成 =====
        var ca = new CertificateAuthority();
        ca.Create("ca.key", "ca.crt");

        // ===== サーバー鍵生成 =====
        var server = new ServerCertificate();
        server.GenerateKey("server.key");

        // ===== SAN付き CSR作成 =====
        server.GenerateCSRWithSAN("server.csr", "CN=localhost", new string[] { "localhost", "example.com" });

        // ===== CAによるサーバー証明書署名 =====
        Pkcs10CertificationRequest csr;
        using (var sr = new StreamReader("server.csr"))
        {
            csr = (Pkcs10CertificationRequest)new PemReader(sr).ReadObject();
        }

        var signedCert = ca.SignCSR(csr);

        // サーバー証明書を PEM で保存
        using (var sw = new StreamWriter("server.crt"))
        {
            var pemWriter = new PemWriter(sw);
            pemWriter.WriteObject(signedCert);
        }

        // ===== PFX作成 =====
        server.CreatePfx("server.key", "server.crt", "server.pfx", "p@ssw0rd");

        Console.WriteLine("サーバー証明書と PFX を作成しました。");
    }
}

4. 証明書チェーンとは

次図のように認証局が連なります。日本語では「数珠繋ぎ」。チェーンです。

チェーンが長くなると、証明書の中には各認証局の公開鍵と署名が積み重なっていきます。結果、証明書のサイズが大きくなっていきます。

以下の記事に感謝します。

image.png

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