憑證透明度 Certificate Transparency 機制

憑證透明度（Certificate Transparency，CT）是一個開放的框架，用於監控和審計 SSL/TLS 憑證的簽發過程。它由 Google 於 2013 年提出，旨在解決憑證生態系統中的信任問題，特別是防止惡意或錯誤簽發的憑證被濫用。

CT 簡介與目的

什麼是 Certificate Transparency？

Certificate Transparency 是一套公開、可審計的憑證日誌系統。所有由公開信任的憑證授權中心（CA）簽發的 SSL/TLS 憑證都應該被記錄到 CT 日誌中，讓網域擁有者和安全研究人員能夠監控和驗證憑證的簽發情況。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
傳統憑證簽發流程：
+--------+     +-----+     +----------+
| 申請者 | --> | CA  | --> | 憑證     |
+--------+     +-----+     +----------+
                              |
                              v
                         直接使用（無公開記錄）

CT 機制下的憑證簽發流程：
+--------+     +-----+     +----------+     +----------+
| 申請者 | --> | CA  | --> | CT 日誌  | --> | 憑證+SCT |
+--------+     +-----+     +----------+     +----------+
                              |
                              v
                         公開可查詢

CT 的目的

CT 機制主要解決以下問題：

偵測惡意簽發：當 CA 被入侵或內部人員惡意操作時，能夠被及時發現
發現錯誤簽發：CA 在驗證流程中的失誤導致的錯誤簽發能被追蹤
提高透明度：所有憑證簽發都有公開記錄，增強整體生態系統的信任
快速應對：網域擁有者能夠即時發現未授權的憑證簽發並採取行動

CT 的歷史背景

CT 的誕生源自多起重大的憑證安全事件：

年份	事件	影響
2011	DigiNotar 被入侵	為 google.com 等網域簽發了假憑證
2011	Comodo 附屬 RA 被入侵	多個主要網域的假憑證被簽發
2013	TURKTRUST 事件	錯誤簽發了中繼 CA 憑證
2015	CNNIC/MCS Holdings	簽發了未授權的 Google 網域憑證

這些事件顯示，即使是知名的 CA 也可能出現安全問題，因此需要一個公開透明的監控機制。

CT 運作機制

基本架構

CT 系統由以下主要元件組成：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
+------------------+
|   憑證授權中心    |
|      (CA)        |
+--------+---------+
         |
         | 1. 提交憑證
         v
+------------------+
|    CT 日誌       |
|  (CT Log Server) |
+--------+---------+
         |
         | 2. 返回 SCT
         v
+------------------+
|    SCT          |
| (Signed         |
|  Certificate    |
|  Timestamp)     |
+------------------+
         |
         | 3. 附加到憑證
         v
+------------------+     +------------------+
|   網頁伺服器     | --> |    瀏覽器        |
+------------------+     +--------+---------+
                                  |
                                  | 4. 驗證 SCT
                                  v
                         +------------------+
                         |   CT 日誌        |
                         +------------------+

運作流程詳解

1. 預先簽發記錄（Pre-certificate Logging）

CA 在正式簽發憑證前，先將「預憑證」（Pre-certificate）提交到 CT 日誌：

1
2
3
4
5
6
預憑證結構：
+------------------------------------------+
| 與正式憑證幾乎相同                         |
| 但包含特殊的 poison 擴充欄位               |
| OID: 1.3.6.1.4.1.11129.2.4.3             |
+------------------------------------------+

2. SCT 簽發

CT 日誌伺服器接收到預憑證後，會返回一個 SCT（Signed Certificate Timestamp）：

1
2
3
4
5
6
7
8
SCT 結構：
+------------------------------------------+
| 版本 (Version)                            |
| 日誌 ID (Log ID)                          |
| 時間戳記 (Timestamp)                       |
| 擴充欄位 (Extensions)                      |
| 數位簽章 (Signature)                       |
+------------------------------------------+

3. 憑證簽發

CA 將收到的 SCT 嵌入最終憑證中，完成簽發流程。

SCT 傳遞方式

SCT 可以透過三種方式傳遞給用戶端：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
方式一：嵌入憑證（X.509 Extension）
+------------------+
|    憑證          |
|  +------------+  |
|  |   SCT      |  |
|  | Extension  |  |
|  +------------+  |
+------------------+

方式二：TLS 擴充（TLS Extension）
+------------------+     +------------------+
|   TLS Handshake  | --> | signed_          |
|                  |     | certificate_     |
|                  |     | timestamp        |
+------------------+     +------------------+

方式三：OCSP Stapling
+------------------+     +------------------+
|   OCSP Response  | --> |   SCT            |
+------------------+     +------------------+

CT 日誌

CT 日誌的結構

CT 日誌使用 Merkle Tree（梅克爾樹）資料結構來儲存憑證：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
                    +------------------+
                    |    Root Hash     |
                    +--------+---------+
                             |
              +--------------+--------------+
              |                             |
     +--------v---------+         +--------v---------+
     |    Hash(A+B)     |         |    Hash(C+D)     |
     +--------+---------+         +--------+---------+
              |                             |
       +------+------+               +------+------+
       |             |               |             |
  +----v----+   +----v----+     +----v----+   +----v----+
  | Hash(A) |   | Hash(B) |     | Hash(C) |   | Hash(D) |
  +---------+   +---------+     +---------+   +---------+
       |             |               |             |
  +----v----+   +----v----+     +----v----+   +----v----+
  | Cert A  |   | Cert B  |     | Cert C  |   | Cert D  |
  +---------+   +---------+     +---------+   +---------+

Merkle Tree 的優點：

高效驗證：可以快速證明某憑證是否存在於日誌中
防篡改：任何修改都會改變根雜湊值
一致性證明：可以驗證日誌的完整性和一致性

主要的 CT 日誌服務

目前有多個組織營運 CT 日誌服務：

營運者	日誌名稱	狀態
Google	Argon, Xenon, Icarus	運作中
Cloudflare	Nimbus	運作中
DigiCert	Yeti, Nessie	運作中
Sectigo	Sabre, Mammoth	運作中
Let’s Encrypt	Oak	運作中

日誌的要求

根據 Chrome CT 政策，受信任的 CT 日誌必須滿足：

可用性：99% 以上的運行時間
最大合併延遲（MMD）：24 小時內將憑證加入日誌
遵循規範：符合 RFC 6962 規範
審計能力：支援一致性和包含性證明

SCT 驗證

驗證流程

瀏覽器驗證 SCT 的流程：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
+------------------+
|  收到憑證和 SCT   |
+--------+---------+
         |
         v
+------------------+
| 驗證 SCT 簽章     |
| (使用日誌公鑰)    |
+--------+---------+
         |
    簽章有效？
    /        \
   是         否
   |           |
   v           v
+----------+ +----------+
| 檢查時間戳 | | 驗證失敗 |
+----+-----+ +----------+
     |
     v
+------------------+
| 確認 SCT 數量     |
| 符合政策要求      |
+--------+---------+
         |
         v
+------------------+
|    驗證通過       |
+------------------+

Chrome 的 CT 要求

Chrome 對 SCT 的數量有特定要求：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
憑證有效期 < 180 天：需要 2 個來自不同日誌的 SCT
憑證有效期 >= 180 天：
  - 有效期 < 15 個月：需要 2 個 SCT
  - 有效期 >= 15 個月 且 < 27 個月：需要 3 個 SCT
  - 有效期 >= 27 個月 且 < 39 個月：需要 4 個 SCT
  - 有效期 >= 39 個月：需要 5 個 SCT

註：自 2018 年起，Chrome 要求所有新簽發的公開信任憑證
    必須具有有效的 SCT

使用 OpenSSL 驗證 SCT

1
2
3
4
5
6
7
8
9
# 連接伺服器並顯示 SCT 資訊
openssl s_client -connect example.com:443 -ct

# 檢視憑證中嵌入的 SCT
openssl x509 -in certificate.crt -text -noout | grep -A 20 "CT Precertificate SCTs"

# 使用 openssl 顯示 SCT 詳細資訊
openssl s_client -connect example.com:443 2>/dev/null | \
    openssl x509 -text -noout | grep -A 50 "Precertificate"

手動解析 SCT

SCT 的二進位結構：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
+------------------------------------------+
| Version (1 byte)        | 0x00 (v1)      |
| Log ID (32 bytes)       | SHA-256 hash   |
| Timestamp (8 bytes)     | Unix 毫秒      |
| Extensions Length       | 變長           |
| Extensions              | 變長           |
| Hash Algorithm (1 byte) | 簽章雜湊演算法 |
| Signature Algorithm     | 簽章演算法     |
| Signature Length        | 簽章長度       |
| Signature               | 數位簽章       |
+------------------------------------------+

監控與查詢

CT 監控的重要性

網域擁有者應該監控 CT 日誌以：

偵測未授權簽發：發現未經授權的憑證簽發
追蹤憑證庫存：了解自己網域的所有有效憑證
安全事件應對：及時發現並應對安全威脅

常用的 CT 查詢工具

1. crt.sh

crt.sh 是由 Sectigo 營運的免費 CT 日誌搜尋服務：

1
2
3
4
5
6
7
8
# 使用 curl 查詢特定網域的憑證
curl -s "https://crt.sh/?q=example.com&output=json" | jq '.'

# 查詢特定組織的憑證
curl -s "https://crt.sh/?q=organization&output=json" | jq '.'

# 查詢包含萬用字元的憑證
curl -s "https://crt.sh/?q=%.example.com&output=json" | jq '.'

2. Google Certificate Transparency Search

1
2
3
4
5
網址：https://transparencyreport.google.com/https/certificates
功能：
- 搜尋特定網域的憑證
- 檢視憑證詳細資訊
- 追蹤憑證時間線

3. Censys

1
2
3
4
# 使用 Censys 搜尋特定網域的憑證
# 需要 API 金鑰
curl -s "https://search.censys.io/api/v2/certificates/search?q=names:example.com" \
    -H "Authorization: Basic <API_KEY>"

自建 CT 監控系統

使用 certspotter 進行監控：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
# 安裝 certspotter
go install software.sslmate.com/src/certspotter/cmd/certspotter@latest

# 設定監控網域
mkdir -p ~/.certspotter/watchlist
echo "example.com" >> ~/.certspotter/watchlist

# 執行監控
certspotter

# 設定 cron job 定期執行
# 在 crontab 中加入：
# 0 * * * * /path/to/certspotter 2>&1 | logger -t certspotter

使用 Python 查詢 CT 日誌

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
import requests
import json
from datetime import datetime

def search_ct_logs(domain):
    """搜尋特定網域的 CT 日誌記錄"""
    url = f"https://crt.sh/?q={domain}&output=json"

    try:
        response = requests.get(url, timeout=30)
        response.raise_for_status()
        certificates = response.json()

        for cert in certificates:
            print(f"ID: {cert['id']}")
            print(f"Issuer: {cert['issuer_name']}")
            print(f"Common Name: {cert['common_name']}")
            print(f"Not Before: {cert['not_before']}")
            print(f"Not After: {cert['not_after']}")
            print("-" * 50)

        return certificates
    except Exception as e:
        print(f"Error: {e}")
        return []

# 使用範例
certificates = search_ct_logs("example.com")
print(f"找到 {len(certificates)} 個憑證")

監控最佳實踐

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
建議的監控策略：

1. 定期掃描
   +------------------+
   | 每小時查詢       |
   | CT 日誌          |
   +------------------+
           |
           v
2. 比對已知憑證
   +------------------+
   | 與內部憑證       |
   | 清單比對         |
   +------------------+
           |
           v
3. 異常警報
   +------------------+
   | 發現未知憑證     |
   | 時發送通知       |
   +------------------+
           |
           v
4. 事件應對
   +------------------+
   | 調查來源         |
   | 必要時撤銷       |
   +------------------+

警報設定範例

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
#!/bin/bash
# CT 監控腳本

DOMAIN="example.com"
KNOWN_CERTS="/path/to/known_certs.txt"
ALERT_EMAIL="security@example.com"

# 查詢 CT 日誌
NEW_CERTS=$(curl -s "https://crt.sh/?q=${DOMAIN}&output=json" | \
    jq -r '.[].id' | sort -u)

# 比對已知憑證
for cert_id in $NEW_CERTS; do
    if ! grep -q "$cert_id" "$KNOWN_CERTS"; then
        echo "發現新憑證: $cert_id"
        # 發送警報
        echo "發現新的 CT 日誌記錄: $cert_id" | \
            mail -s "CT Alert: ${DOMAIN}" "$ALERT_EMAIL"
        # 記錄到已知清單
        echo "$cert_id" >> "$KNOWN_CERTS"
    fi
done

總結

Certificate Transparency 是現代 PKI 生態系統中不可或缺的一環。透過公開、可審計的日誌系統，CT 機制大幅提高了憑證簽發的透明度，讓惡意或錯誤簽發的憑證能夠被及時發現。

重點回顧：

CT 目的：提高憑證簽發透明度，防止惡意簽發
運作機制：CA 將憑證提交到 CT 日誌，獲得 SCT 作為證明
CT 日誌：使用 Merkle Tree 結構，確保資料完整性
SCT 驗證：瀏覽器驗證 SCT 的簽章和數量
監控查詢：網域擁有者應定期監控 CT 日誌