自签证书二三事

Chrome等浏览器已默认将HTTP连接标记为不安全，Docker等工具也极力推荐使用HTTPS通信。在自建服务时，也有许多场景需要自己签发证书。本文粗略记述相关步骤。

另，需要对外开放的服务，可以尝试Let's Encrypt项目。

关于签发

名词解析

参考: OpenSSL自签发配置有多域名或ip地址的证书

• SSL：（Secure Socket Layer，安全套接字层）是在客户端和服务器之间建立一条SSL安全通道的安全协议
• TLS：（Transport Layer Security，传输层安全协议），用于两个应用程序之间提供保密性和数据完整性
• TLS的前身是SSL
• OpenSSL是TLS/SSL协议的开源实现，提供开发库和命令行程序
• HTTPS是HTTP的加密版，底层使用的加密协议是TLS

签发证书时的一些名词：

• FQDN: fully qualified domain name, 完全限定域名, 域名的一种，能指定其在域名系统 (DNS) 树状图下的一个确实位置。完整域名由主机名称与母域名两部分所组成，例如有一部服务器的本地主机名为myhost，而其母域名为example.com，那指向该服务器的完整域名就是myhost.example.com。

• SAN: Subject Alternative Name, 主题备用名称, 是一项对X.509的扩展，它允许在安全证书中使用subjectAltName字段将多种值与证书关联，这些值被称为主题备用名称

  参考：What is the SSL Certificate Subject Alternative Name?

  The Subject Alternative Name (SAN) is an extension to the X.509 specification that allows users to specify additional host names for a single SSL certificate. The use of the SAN extension is standard practice for SSL certificates, and it’s on its way to replacing the use of the common name.

• CSR: Certificate Signing Request, 凭证签发请求文件，一种包含凭证签发时所需的公钥及相关资讯的文件，不含私钥
• CRL: Certificate revocation list, 尚未到期就被证书颁发机构吊销的数字证书的名单

• DN: distinguished name, 专有名称

  • 证书持有人唯一的标识符， 这个名字在 Internet上应该是唯一的。DN由许多部分组成，看起来象这样：

    CN=Bob Allen, OU=Total Network Security Division
    O=Network Associates, Inc.
    C=US

• CSR组成部分，CSR包含 information identifying the applicant and the applicant's public key that is used to verify the signature of the CSR - and the Distinguished Name (DN) that the certificate is for.

HTTPS原理

参考：什么是HTTPS？HTTPS原理

• 通信双方通信时使用对称加密，所需性能损耗少
• 对称加密使用的密钥由非对称加密传递，非对称加密的性能效率较低，但安全性更高
• 通信发起方A需要验证收到的公钥没有被篡改、替换，使用CA对服务提供方B的公钥认证，并颁发数字证书
• CA用自己的私钥加密B的公钥， 附带地区、机构等身份信息，生成数字证书，CA的公钥已经内置到A的系统中
• A用内置CA公钥解密B发送的数字证书，如果解密成功，则说明其中公钥为B认证过的公钥，否则证书内容没有完整性，通信不安全

数字证书

参考：证书颁发机构, X.509

证书实际是由证书签证机关（CA）签发的对用户的公钥的认证；内容包括：电子签证机关的信息、公钥用户信息、公钥、权威机构的签字和有效期等等。

证书格式

当前，证书的格式和验证方法普遍遵循X.509 国际标准。 　

• X.509有多种常用的扩展名。不过其中的一些还用于其它用途，就是说具有这个扩展名的文件可能并不是证书，比如说可能只是保存了私钥。

  • .pem – 隐私增强型电子邮件 Privacy-Enhanced Mail，DER编码的证书再进行Base64编码的数据存放在"-----BEGIN CERTIFICATE-----"和"-----END CERTIFICATE-----"之中
  • .cer, .crt, .der – 通常是DER Distinguished Encoding Rules二进制格式的，但Base64编码后也很常见。
  • .p7b, .p7c – PKCS#7 SignedData structure without data, just certificate(s) or CRL(s)
  • .p12 – PKCS#12格式，包含证书的同时可能还有带密码保护的私钥
  • .pfx – PFX，PKCS#12之前的格式（通常用PKCS#12格式，比如那些由IIS产生的PFX文件）

PKCS#7 是签名或加密数据的格式标准，官方称之为容器。由于证书是可验真的签名数据，所以可以用SignedData结构表述。 .P7C文件是退化的SignedData结构，没有包括签名的数据。

PKCS#12 由PFX进化而来的用于交换公共的和私有的对象的标准格式。

PKCS 公钥加密标准（Public Key Cryptography Standards, PKCS），此一标准的设计与发布皆由RSA信息安全公司所制定。

证书链

为防止根证书被污染，通常使用根证书签发的中介证书为客户作数字签署，得到终端实体证书。

中介证书的有效期会较根证书为短，并可能对不同类别的客户有不同的中介证书作分工。

终端实体证书不会用作签发其他证书。

多级证书间使用证书链传递信任信息

签发流程

• 流程

• 主要步骤

  1. 生成密钥对(key: private + public)
  2. 生成CSR，用私钥签名
  3. CA认证CSR(用私钥签名)， 生成certificate

使用openssl自签证书链

基本操作

生成密钥

可以配置以下参数

• Key algorithm: openssl支持RSA, DSA, ECDSA类型的key，web server通常使用RSA
• Key size: 2048 bits RSA key被认为是安全的

• Passphrase: optional, 可以让key安全存储、传输、备份，但使用时不方便，在生产环境中也不会过多增加安全性（存放在程序内存中，可以被取得）

  • 支持AES-128, AES-192, AES-256，分别对应参数-aes128, -aes192, -aes256

$ openssl genrsa -aes256 -out fd.key 2048
# 根据提示输入密码

创建CSR

CSR: Certificate Signing Request, a format request asking a CA to sign a certificate, 包含请求者的public key和一些身份信息

$ openssl req -new -key fd.key -out fd.csr
# 输出如下，交互式输入证书需要的信息
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:CN
State or Province Name (full name) [Some-State]:Jiangsu
Locality Name (eg, city) []:Nanjing
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:DafuTest
Organizational Unit Name (eg, section) []:IT
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:www.dafu.com
Email Address []:

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:

challenge password, optional, 在吊销证书时，用于验证证书原来申请者身份的方式，很少有CA使用，不增加CSR安全性，建议留空

CSR配置文件

可以使用配置文件指定CSR必要信息，而避免交互式输入

$ opensll req -new -config fd.cnf -key fd.key -out fd.csr

配置文件如下：

[req]
prompt = no
distinguished_name = dn
req_extensions = ext
input_password = PASSPHRASE

[dn]
CN = www.feistyduck.com
emailAddress = [e-mail]
O = Feisty Duck Ltd
L = London
C = GB

[ext]
subjectAltName = DNS:www.feistyduck.com,DNS:feistyduck.com

自签证书

自己签发证书，而非向CA申请， 但需要另外添加信任

$ openssl x509 -req -days 365 -in fd.csr -signkey fd.key -out fd.crt

签发下级证书

参考：如何使用自签名 CA 和证书来保护个人在公网上的内容

用指定CA证书签发证书

$ openssl x509 -req -sha256 -in your-domain.com.csr -CA root.crt -CAkey root.key -CAcreateserial -out your-domain.com.crt -days 365 -extfile your-domain.com.ext

CAcreateserial 这个参数是比较有意思的，意思是如果证书没有 serial number 就创建一个，因为我们是签名，所以肯定会创建一个。序列号在这里的作用就是唯一标识一个证书，当有两个证书的时候，只有给这两个证书签名的 CA 和序列号都一样的情况下，我们才认为这两个证书是一致的。除了自定生成，还可以通过 -set_serial 手动指定一个序列号。

当使用 -CAcreateserial 参数之后，会自动创建一个和 CA 文件名相同的，但是后缀是 .srl 的文件。这里存储了上一次生成的序列号，每次调用的时候都会读取并 +1 。也就是说每一次生成的证书的序列号都比上一次的加了一。

校验证书

参考：Get your certificate chain right

校验根证书

$ openssl verify root.crt

该证书必须已被添加到系统中，且信任

校验二级证书

$ openssl verify -CAfile root.crt intermediate.crt
cert.pem: OK

校验三级证书

$ openssl verify -CAfile ca.pem \
                 -untrusted intermediate.cert.pem \
                 cert.pem

相关参数

• -untrusted <file>

  导入不受信任的证书(通常是intermedate CAs)来保证证书链顺利构建

• -CAfile <file>

  导入受信任CA证书

其他常用操作

查看密钥

密钥以PEM格式存储，如下：

# cat fd.key
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
[...]
-----END RSA PRIVATE KEY-----

查看密钥内容：

$ openssl rsa -text -in fd.key
# 输出形如
RSA Private-Key: (2048 bit, 2 primes)
modulus:
    [...]
publicExponent: 65537 (0x10001)
privateExponent:
    [...]
prime1:
    [...]
prime2:
    [...]
exponent1:
    [...]
exponent2:
    [...]
coefficient:
    [...]
writing RSA key
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
[...]
-----END RSA PRIVATE KEY-----

提取公钥

$ openssl rsa -in fd.key -pubout -out fd-public.key
# cat fd-public.key
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
[...]
-----END PUBLIC KEY-----

查看CSR内容

$ openssl req -text -in fd.csr -noout
# 输出类似
Certificate Request:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Subject: C = CN, ST = Jiangsu, L = Nanjing, O = DafuTest, OU = IT, CN = www.dafu.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                RSA Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    [...]
                Exponent: 65537 (0x10001)
        Attributes:
            a0:00
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         [...]

签发过程

根证书

1. 创建密钥

   $ openssl genrsa -out root.key 2048

可以使用-aes256参数加密，会提示输入密码

1. 创建CSR

   $ openssl req -new -key root.key -out root.csr

交互输入信息

1. 签发证书

   openssl x509 -req -days 365 -in root.csr -signkey root.key -out root.crt

中间证书

1. 创建密钥

   $ openssl genrsa -out mid.key 2048

2. 创建CSR

   $ openssl req -new -key mid.key -out mid.csr

3. 签发证书

   • 需要另外允许中间证书签发下级证书，可以通过extension实现

     创建文件mid.ext

     basicConstraints = CA:TRUE

• 用根证书签发中间证书

  openssl x509 -req -in mid.csr \
      -CA root.crt -CAkey root.key \
      -CAcreateserial \
      -out mid.crt \
      -days 365 \
      -extfile mid.ext

末端证书

1. 创建密钥

   $ openssl genrsa -out server.key 2048

2. 创建CSR

   $ openssl req -new -key server.key -out server.csr

3. 签发证书

   • 需要指定SAN，目前许多服务通过SAN，代替CN，检查域名一致性

     创建文件server.ext, 格式参考: x509v3_config

     subjectAltName = @alt_names
     
     [alt_names]
     DNS.1 = your-domain.com
     DNS.2 = *.your-domain.com
     DNS.3 = *.api.your-domain.com
     IP = your-ip

• 用根证书签发中间证书

  openssl x509 -req -in server.csr \
      -CA mid.crt -CAkey mid.key \
      -CAcreateserial \
      -out server.crt \
      -days 365 \
      -extfile server.ext

openssl命令参考

记录openssl常用命令及参数

genrsa

generates an RSA private key

• 加密方式

  -aes128, -aes192, -aes256, -aria128, -aria192, -aria256, -camellia128, -camellia192, -camellia256, -des, -des3, -idea

  输出private key前用特定算法加密

• -out <filename> 输出key到指定文件

rsa

The rsa command processes RSA keys. They can be converted between various forms and their components printed out.

• -text 用encoded version 和 plain text形式打印various public/private key
• -noout 不输出encoded version的key
• -in <filename> 指定读取key的文件，如果没有指定，从standard input中获取
• -out <filename> 指定输出key的文件，如果没有指定，默认为standard output，输出文件名不能与-in输入文件名相同
• -pubout 输出内容为public key，默认是private key。如果输入为public key，该选项自动指定

• 加密方式

  -aes128, -aes192, -aes256, -aria128, -aria192, -aria256, -camellia128, -camellia192, -camellia256, -des, -des3, -idea

  输出private key前用特定算法加密

req

The req command primarily creates and processes certificate requests in PKCS#10 format. It can additionally create self signed certificates for use as root CAs for example.

• -key <filename> 指定读取private key的文件，

• -new 生成a new certifacate，交互式输入证书相关信息，如果不使用该选项，会使用配置文件中信息生成private key

  $ openssl req -newkey rsa:2048 -keyout key.pem -out req.pem
  # 等价于
  $ openssl genrsa -out key.pem 2038
  $ openssl req -new -key key.pem -out req.pem

• -newkey creates a new certificate request and a new private key. 具体配置参数见文档
• -keyout 新创建的private key的文件名，默认按配置文件中指定filename

• -x509 outputs a self signed certificate instead of a certificate request

  • 通常用于生成测试证书或者 a self signed root CA.
  • 需要的extensions通过配置文件指定
  • 除非指定set_serial选项，否则使用一个large random number作为serial number
  • 如果使用-in选项指定CSR，将其转换为自签证书，否则生成一个新的CSR
• -days 证书有效时间，正整数，默认30, 仅当指定-x509时有效
• -text 文本形式打印证书
• -in <filename> 指定读取CSR文件，不指定指定从standard input获取。仅当新建request的选项(-new, -newkey)未指定时有效
• -noout 不输出加密格式的request

x509

多用途证书工具

• 展示证书信息
• 转换证书为各种格式
• 签发CSR
• 修改证书信任信息

常用参数：

• -req 指定该选项时输入为CSR，不指定默输入为证书
• -days <arg> 证书有效时间，默认为30天，不能与-preserve_dates同时出现

• -signkey 使用指定的private key签名输入文件

  • 如果输入的是证书，会改变以下内容：

    • issuer name 设置为 subject name
    • public key 变为指定值
    • start date 设为当前时间
    • end date 根据-days参数设置
    • 除非指定-clrext选项，否则certificate extensions都不生效

  • 如果输入是CSR

    • 使用指定private key创建self signed certificate
    • 证书subject name 同 CSR
• -in 指定读取文件名，否则从standard input获取
• -out 指定输出文件名，否则输出至standard output

其他工具推荐

• FiloSottile/mkcert 一个开发环境快速配置本地信任证书的方便小工具

Nginx反选代理配置https

一般配置

server {
    listen 8445 ssl;
    keepalive_timeout 70;

    # allow large uploads of files
    client_max_body_size 5G;

    ssl_certificate path_to_server_crt.crt;
    ssl_certificate_key path_to_server_key.key;  # key通过权限隔离
    ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
    ssl_ciphers HIGH:!aNULL:!MD5;

    location / {
        proxy_pass http://127.0.0.1:8083/;
        proxy_set_header Host $host:$server_port;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        proxy_set_header X-Forwarded-Proto "https";
    }
}

证书链

假设根证书已经在客户主机添加信任，有中间证书bundle.crt, 下级证书www.example.com.crt

生成证书链（注意顺序）

$ cat www.example.com.crt bundle.crt > www.example.com.chained.crt

配置Nginx

server {
    listen              443;
    server_name         www.example.com;
    ssl                 on;
    ssl_certificate     www.example.com.chained.crt;
    ssl_certificate_key www.example.com.key;
    ...
}