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细说 CA 和证书

CA,Catificate Athuority,它的作用就是提供证书(即服务器证书,由域名、公司信息、序列号和签名信息组成)加强服务端和客户端之间信息交互的安全性,以及证书运维相关服务。任何个体/组织都可以扮演 CA 的角色,只不过难以得到客户端的信任,能够受浏览器默认信任的 CA 大厂商有很多,其中 TOP5 是 Symantec、Comodo、Godaddy、GolbalSign 和 Digicert。

服务器证书分类

可以通过两个维度来分类,一个是商业角度,一个是业务角度。

单域名 多域名 泛域名 多泛域名 DV 支持 不支持 OV 支持 EV 支持 不支持 举例 www.barretlee.com www.barretlee.com
www.xiaohuzige.com
www.barret.cc
*.barretlee.com *.barretlee.com
*.xiaohuzige.com
*.barret.cc

需要强调的是,不论是 DV、OV 还是 EV 证书,其加密效果都是一样的!它们的区别在于:

  • DV(Domain Validation),面向个体用户,安全体系相对较弱,验证方式就是向 whois 信息中的邮箱发送邮件,按照邮件内容进行验证即可通过;
  • OV(Organization Validation),面向企业用户,证书在 DV 证书验证的基础上,还需要公司的授权,CA 通过拨打信息库中公司的电话来确认;
  • EV(Extended Validation),打开 Github 的网页,你会看到 URL 地址栏展示了注册公司的信息,这会让用户产生更大的信任,这类证书的申请除了以上两个确认外,还需要公司提供金融机构的开户许可证,要求十分严格。

OV 和 EV 证书相当昂贵,使用方可以为这些颁发出来的证书买保险,一旦 CA 提供的证书出现问题,一张证书的赔偿金可以达到 100w 刀以上。

CA 的作用

前文 HTTPS证书生成原理和部署细节 提到如果本地生成公/私钥对和对应未签证的证书,如果使用的证书没有签证,或者未在浏览器受信的 CA 签证,你会看到下图的问题:

细说 CA 和证书

上图出现的错误是 net:ERR_CERT_AUTHORITY_INVALID ,我们生成证书和公/私钥对的流程都是正确的,但是浏览器不认这张证书,并且提示证书授权不通过;如果通过其他与 Common Name 不同的域名去访问,如我注册的时候使用的 localhost ,但是访问的时候用的 127.0.0.1 ,还会报出这样的错误:

细说 CA 和证书

错误码为 net:ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID ,意思是 Common Name 不匹配,具体校验流程可以在浏览器的 DevTools 中看到:

细说 CA 和证书

从上面几张图,可以大致了解 CA 和证书会做哪些事情,证书由域名、公司信息、序列号和签名信息组成,当我们通过 HTTPS 访问页面时,浏览器会主动验证证书信息是否匹配,也会验证证书是否有效。

CA 有权给所有的域名签发证书,如它可以私自给我的网站签发一张 www.barretlee.com 的证书,并且可以拿着新证书拦截网页流量(当然,前提是这个 CA 是浏览器认证的权威 CA),那我的网站可能就很不安全了,对拥新证书的人来说,我的网站等同于在 HTTP 下进行通讯。

评估 CA 供应商

CA 供应商很多,提供服务的侧重点可能也存在一些差异,比如很多 CA 都没有提供证书吊销的服务,这一点对于安全性要求很高的企业来说是完全不能接受的,那么对 CA 供应商的评估需要注意写什么呢?

1. 内置根

所谓内置根,就是 CA 的根证书内置到各种通用的系统/浏览器中,只有根证书的兼容性够强,它所能覆盖的浏览器才会越多。

2. 安全体系

两个指标可以判断 CA 供应商是否靠谱,一是看价格,价格高自然有它的理由,必然提供了全套的安全保障体系;二是看黑历史,该 CA 供应商有没有爆出过什么漏洞,比如之前的 DigiNotar,被伊朗入侵,签发了 500 多张未授权的证书,结果直接被各系统/浏览器将其根拉入黑名单,毫无疑问公司直接倒闭。

3. 核心功能和扩展功能

这就需要从业务上考虑了,不同的规模的企业、不同的业务对证书的要求不一样,比如证书是否会考虑无 SNI 支持的浏览器问题,是否支持在 reissue 的时候添加域名,是否支持 CAA,是否支持短周期证书等等。

4. 价格

企业完全没必要购买 Github 那样的 EV 证书,太昂贵,而且一般的企业也未必能够申请到这样的证书。供应商很大,价格可以好好评估下,不一定要最贵,最适合的就行。

自建 Root CA

OpenSSL 是一个免费开源的库,它提供了构建数字证书的命令行工具,其中一些可以用来自建 Root CA。

很多网站都希望用户知道他们建立的网络通道是安全的,所以会想 CA 机构购买证书来验证 domain,所以我们也可以在很多 HTTPS 的网页地址栏看到一把小绿锁。

然而在一些情况下,我们没必要去 CA 机构购买证书,比如在内网的测试环境中,为了验证 HTTPS 下的一些问题,我们不需要部署昂贵的证书,这个时候自建 Root CA,给自己办法证书就显得很有价值了。

本节内容较多,主要是代码演示生成证书和验证的过程,可以跳过看下一节,直接看 这里

  • git clone https://github.com/barretlee/autocreate-ca.git
  • 依次执行 install-rootCA.shinstall-intermediateCA.shinstall-websiteConfig.sh

首先找到一个放置证书的文件夹,比如 /root/ca 下,下方的测试也在改目录下,如果你要更换其他目录,记得替换下文中的目录地址。

创建 root pair

扮演 CA 角色,就意味着要管理大量的 pair 对,而原始的一对 pair 对叫做 root pair,它包含了 root key( ca.key.pen )和 root certificate( ca.cert.pem )。通常情况下,root CA 不会直接为服务器或者客户端签证,它们会先为自己生成几个中间 CA(intermediate CAs),这几个中间 CA 作为 root CA 的代表为服务器和客户端签证。

注意:一定要在绝对安全的环境下创建 root pair,可以断开网络、拔掉网线和网卡,当然,如果是测试玩一玩就不用这么认真了。

设定文件夹结构,并且配置好 openssl 设置:

# cd /root/ca
# mkdir certs crl newcerts private
# chmod 700 private
# touch index.txt
# echo 1000 > serial
# wget -O /root/ca/openssl.cnf /
https://raw.githubusercontent.com/barretlee/autocreate-ca/master/cnf/root-ca

创建 root key,密码可为空,设定权限为只可读:

# cd /root/ca
# openssl genrsa -aes256 -out private/ca.key.pem 4096

Enter pass phrase for ca.key.pem: secretpassword
Verifying - Enter pass phrase for ca.key.pem: secretpassword

# chmod 400 private/ca.key.pem

创建 root cert,权限设置为可读:

# cd /root/ca
# openssl req -config openssl.cnf /
-key private/ca.key.pem /
-new -x509 -days 7300 -sha256 -extensions v3_ca /
-out certs/ca.cert.pem

Enter pass phrase for ca.key.pem: secretpassword
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
-----
Country Name (2 letter code) [XX]:CN
State or Province Name []:Zhejiang
Locality Name []:
Organization Name []:Barret Lee
Organizational Unit Name []:Barret Lee Certificate Authority
Common Name []:Barret Lee Root CA
Email Address []:

# chmod 444 certs/ca.cert.pem

验证证书:

# openssl x509 -noout -text -in certs/ca.cert.pem

正确的输出应该是这样的:

Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number:
87:e8:c0:a0:4b:e2:12:5d
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
Issuer: C=CN, ST=Zhejiang, O=Barret Lee, OU=Barret Lee Certificate Authority, CN=Barret Lee Root CA
Validity
Not Before: Apr 23 05:46:36 2016 GMT
Not After : Apr 18 05:46:36 2036 GMT
Subject: C=CN, ST=Zhejiang, O=Barret Lee, OU=Barret Lee Certificate Authority, CN=Barret Lee Root CA
Subject Public Key Info:
Public Key Algorithm: rsaEncryption
RSA Public Key: (4096 bit)
Modulus (4096 bit):
// ...
Exponent: 65537 (0x10001)
X509v3 extensions:
X509v3 Subject Key Identifier:
E5:2D:B8:2B:DC:88:FE:CE:DA:93:D8:6F:2E:74:04:D2:39:E7:C8:03
X509v3 Authority Key Identifier:
keyid:E5:2D:B8:2B:DC:88:FE:CE:DA:93:D8:6F:2E:74:04:D2:39:E7:C8:03

X509v3 Basic Constraints: critical
CA:TRUE
X509v3 Key Usage: critical
Digital Signature, Certificate Sign, CRL Sign
Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
// ...

包含:

  • 数字签名(Signature Algorithm)
  • 有效时间(Validity)
  • 主体(Issuer)
  • 公钥(Public Key)
  • X509v3 扩展,openssl config 中配置了 v3_ca,所以会生成此项

创建 intermediate pair

目前我们已经拥有了 Root Pair,事实上已经可以用于证书的发放了,但是由于根证书很干净,特别容易被污染,所以我们需要创建中间 pair 作为 root pair 的代理,生成过程同上,只是细节略微不一样。

生成目录结构和 openssl 的配置,这里的配置是针对 intermediate pair 的:

# mkdir /root/ca/intermediate
# cd /root/ca/intermediate
# mkdir certs crl csr newcerts private
# chmod 700 private
# touch index.txt
# echo 1000 > serial
# echo 1000 > /root/ca/intermediate/crlnumber
# wget -O /root/ca/openssl.cnf /
https://raw.githubusercontent.com/barretlee/autocreate-ca/master/cnf/intermediate-ca

创建 intermediate key,密码可为空,设定权限为只可读:

# cd /root/ca
# openssl genrsa -aes256 /
-out intermediate/private/intermediate.key.pem 4096

Enter pass phrase for intermediate.key.pem: secretpassword
Verifying - Enter pass phrase for intermediate.key.pem: secretpassword

# chmod 400 intermediate/private/intermediate.key.pem

创建 intermediate cert,设定权限为只可读,这里需要特别注意的一点是 Common Name 不要与 root pair 的一样

# cd /root/ca
# openssl req -config intermediate/openssl.cnf -new -sha256 /
-key intermediate/private/intermediate.key.pem /
-out intermediate/csr/intermediate.csr.pem

Enter pass phrase for intermediate.key.pem: secretpassword
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
-----
Country Name (2 letter code) [XX]:CN
State or Province Name []:Zhejiang
Locality Name []:
Organization Name []:Barret Lee
Organizational Unit Name []:Barret Lee Certificate Authority
Common Name []:Barret Lee Intermediate CA
Email Address []:

使用 v3_intermediate_ca 扩展签名,密码可为空,中间 pair 的有效时间一定要为 root pair 的子集:

# cd /root/ca
# openssl ca -config openssl.cnf -extensions v3_intermediate_ca /
-days 3650 -notext -md sha256 /
-in intermediate/csr/intermediate.csr.pem /
-out intermediate/certs/intermediate.cert.pem

Enter pass phrase for ca.key.pem: secretpassword
Sign the certificate? [y/n]: y

# chmod 444 intermediate/certs/intermediate.cert.pem

此时 root 的 index.txt 中将会多出这么一条记录:

V 260421055318Z   1000  unknown .../CN=Barret Lee Intermediate CA

验证中间 pair 的正确性:

# openssl x509 -noout -text /
-in intermediate/certs/intermediate.cert.pem
# openssl verify -CAfile certs/ca.cert.pem /
intermediate/certs/intermediate.cert.pem

intermediate.cert.pem: OK

浏览器在验证中间证书的时候,同时也会去验证它的上一级证书是否靠谱,创建证书链,将 root cert 和 intermediate cert 合并到一起,可以让浏览器一并验证:

# cat intermediate/certs/intermediate.cert.pem /
certs/ca.cert.pem > intermediate/certs/ca-chain.cert.pem
# chmod 444 intermediate/certs/ca-chain.cert.pem

创建服务器/客户端证书

终于到了这一步,生成我们服务器上需要部署的内容,上面已经解释了为啥需要创建中间证书。root pair 和 intermediate pair 使用的都是 4096 位的加密方式,一般情况下服务器/客户端证书的过期时间为一年,所以可以安全地使用 2048 位的加密方式。

# cd /root/ca
# openssl genrsa -aes256 /
-out intermediate/private/www.barretlee.com.key.pem 2048
# chmod 400 intermediate/private/www.barretlee.com.key.pem

创建 www.barretlee.com 的证书:

# cd /root/ca
# openssl req -config intermediate/openssl.cnf /
-key intermediate/private/www.barretlee.com.key.pem /
-new -sha256 -out intermediate/csr/www.barretlee.com.csr.pem

Enter pass phrase for www.barretlee.com.key.pem: secretpassword
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
-----
Country Name (2 letter code) [XX]:CN
State or Province Name []:Zhejiang
Locality Name []:Hangzhou
Organization Name []:Barret Lee
Organizational Unit Name []:Barret Lee's Personal Website
Common Name []:www.barretlee.com
Email Address []:barret.china@gmail.com

使用 intermediate pair 签证上面证书:

# cd /root/ca
# openssl ca -config intermediate/openssl.cnf /
-extensions server_cert -days 375 -notext -md sha256 /
-in intermediate/csr/www.barretlee.com.csr.pem /
-out intermediate/certs/www.barretlee.com.cert.pem
# chmod 444 intermediate/certs/www.barretlee.com.cert.pem

可以看到 /root/ca/intermediate/index.txt 中多了一条记录:

V 170503055941Z   1000  unknown .../emailAddress=barret.china@gmail.com

验证证书:

# openssl x509 -noout -text /
-in intermediate/certs/www.barretlee.com.cert.pem
# openssl verify -CAfile intermediate/certs/ca-chain.cert.pem /
intermediate/certs/www.barretlee.com.cert.pem

www.barretlee.com.cert.pem: OK

此时我们已经拿到了几个用于部署的文件:

  • ca-chain.cert.pem
  • www.barretlee.com.key.pem
  • www.barretlee.com.cert.pem

添加信任 CA 和证书的调试

双击 /root/ca/intermediate/certs/ca-chain.cert.pem 将证书安装到系统中,目的是让本机信任这个 CA,将其当作一个权威 CA,安装 root pem 或者 intermediate chain pem 都是可以的,它们都具备验证能力。如果不执行这一步,浏览器依然会提示 net:ERR_CERT_AUTHORITY_INVALID

上面申请测试证书时,我设置的 Common Name 为 www.barretlee.com ,由于不在线上机器测试,可以将其添加到 hosts:

127.0.0.1 www.barretlee.com

执行下方测试代码:

// https-server.js
var https = require('https');
var fs = require('fs');

var options = {
key: fs.readFileSync('/root/ca/intermediate/private/www.barretlee.com.key.pem'),
cert: fs.readFileSync('/root/ca/intermediate/certs/www.barretlee.com.cert.pem'),
passphrase: 'passoword' // 如果生成证书的时候设置了密码,请添加改参数和密码
};

https.createServer(options, function(req, res) {
res.writeHead(200);
res.end('hello world');
}).listen(8000, function(){
console.log('Open URL: https://www.barretlee.com:8000');
});

可以看到这样的效果:

细说 CA 和证书

查看证书的详细信息:

细说 CA 和证书

回到最初的问题:

然而在一些情况下,我们没必要去 CA 机构购买证书,比如在内网的测试环境中,为了验证 HTTPS 下的一些问题,我们不需要部署昂贵的证书,这个时候自建 Root CA,给自己办法证书就显得很有价值了。

一般公司内网的电脑都会强制安装一些安全证书,此时就可以把我们自建自签名的证书导入/引导安装到用户的电脑中啦~

无 SNI 支持问题

很多公司由于业务众多,域名也是相当多的,为了方便运维,会让很多域名指向同样的 ip,然后统一将流量/请求分发到后端,此时就会面临一个问题:由于 TLS/SSL 在 HTTP 层之下,客户端和服务器握手的时候还拿不到 origin 字段,所以服务器不知道这个请求是从哪个域名过来的,而服务器这边每个域名都对应着一个证书,服务器就不知道该返回哪个证书啦。

SNI 就是用来解决这个问题的,官方解释是

SNI(Server Name Indication)是为了解决一个服务器使用多个域名和证书的SSL/TLS扩展。一句话简述它的工作原理就是,在连接到服务器建立SSL链接之前先发送要访问站点的域名(Hostname),这样服务器根据这个域名返回一个合适的证书。

然后有将近 25% 的浏览器不支持该字段的扩展,这个问题有两个通用解决方案:

  • 使用 VIP 服务器,每个域名对应一个 VIP,然后 VIP 与统一接入服务对接,通过 ip 来分发证书,不过运维成本很高,可能也需要大量的 VIP 服务器
  • 采用多泛域名,将多个泛域名证书打包进一个证书,可以看看 淘宝 页面的证书
    细说 CA 和证书 它的缺点是每次添加域名都需要更新证书。

几个细节知识点

1. 证书选择

证书有多张加密方式,不同的加密方式对 CPU 计算的损耗不同,安全级别也不同。TLS 在进行第一次握手的时候,客户端会向服务器端 say hello ,这个时候会告诉服务器,它支持哪些算法,此时服务器可以将最适合的证书发给客户端。

2. 证书的吊销

CA 证书的吊销存在两种机制,一种是在线检查,client 端向 CA 机构发送请求检查 server 公钥的靠谱性;第二种是 client 端储存一份 CA 提供的证书吊销列表,定期更新。前者要求查询服务器具备良好性能,后者要求每次更新提供下次更新的时间,一般时差在几天。安全性要求高的网站建议采用第一种方案。

大部分 CA 并不会提供吊销机制(CRL/OCSP),靠谱的方案是为根证书提供中间证书,一旦中间证书的私钥泄漏或者证书过期,可以直接吊销中间证书并给用户颁发新的证书。中间证书的签证原理于上上条提到的原理一样,中间证书还可以产生下一级中间证书,多级证书可以减少根证书的管理负担。

很多 CA 的 OCSP Server 在国外,在线验证时间比较长,如果可以联系 CA 供应商将 Server 转移到国内,效率可以提升 10 倍左右。

3. PKI 体系

比较主流的两种方案是 HPKP 和 Certificate Transparency:

  • HPKP 就是用户第一次访问的时候记下 sign 信息,以后不匹配则拒绝访问,这存在很大的隐患,比如 Server 更新了证书,或者用户第一次访问的时候就被人给黑了
  • Certificate Transparency 意思就是让 CA 供应商透明化 CA 服务日志,防止 CA 供应商偷偷签证

小结

看了不少文章,对 CA 和证书相关的知识做了一些总结,可能不全面,也可能存在表述错误或者知识性错误,欢迎拍砖!

拓展阅读

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