細說 CA 和證書

贊回覆發表於2016-05-01

CA，Catificate Authority，它的作用就是提供證照（即伺服器證照，由域名、公司資訊、序列號和簽名資訊組成）加強服務端和客戶端之間資訊互動的安全性，以及證照運維相關服務。任何個體/組織都可以扮演 CA 的角色，只不過難以得到客戶端的信任，能夠受瀏覽器預設信任的 CA 大廠商有很多，其中 TOP5 是 Symantec、Comodo、Godaddy、GolbalSign 和 Digicert。

伺服器證照分類

可以通過兩個維度來分類，一個是商業角度，一個是業務角度。

	單域名	多域名	泛域名	多泛域名
DV	支援		不支援
OV	支援
EV	支援		不支援
舉例	www.barretlee.com	www.barretlee.com www.xiaohuzige.com www.barret.cc	*.barretlee.com	.barretlee.com .xiaohuzige.com *.barret.cc

需要強調的是，不論是 DV、OV 還是 EV 證照，其加密效果都是一樣的！ 它們的區別在於：

DV（Domain Validation），面向個體使用者，安全體系相對較弱，驗證方式就是向 whois 資訊中的郵箱傳送郵件，按照郵件內容進行驗證即可通過；
OV（Organization Validation），面向企業使用者，證照在 DV 證照驗證的基礎上，還需要公司的授權，CA 通過撥打資訊庫中公司的電話來確認；
EV（Extended Validation），開啟 Github 的網頁，你會看到 URL 位址列展示了註冊公司的資訊，這會讓使用者產生更大的信任，這類證照的申請除了以上兩個確認外，還需要公司提供金融機構的開戶許可證，要求十分嚴格。

OV 和 EV 證照相當昂貴，使用方可以為這些頒發出來的證照買保險，一旦 CA 提供的證照出現問題，一張證照的賠償金可以達到 100w 刀以上。

CA 的作用

前文 HTTPS證照生成原理和部署細節提到如果本地生成公/私鑰對和對應未簽證的證照，如果使用的證照沒有簽證，或者未在瀏覽器受信的 CA 簽證，你會看到下圖的問題：

net:ERR_CERT_AUTHORITY_INVALID

上圖出現的錯誤是 net:ERR_CERT_AUTHORITY_INVALID，我們生成證照和公/私鑰對的流程都是正確的，但是瀏覽器不認這張證照，並且提示證照授權不通過；如果通過其他與 Common Name 不同的域名去訪問，如我註冊的時候使用的 localhost，但是訪問的時候用的 127.0.0.1，還會報出這樣的錯誤：

net:ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID

錯誤碼為 net:ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID，意思是 Common Name 不匹配，具體校驗流程可以在瀏覽器的 DevTools 中看到：

DevTools

從上面幾張圖，可以大致瞭解 CA 和證照會做哪些事情，證照由域名、公司資訊、序列號和簽名資訊組成，當我們通過 HTTPS 訪問頁面時，瀏覽器會主動驗證證照資訊是否匹配，也會驗證證照是否有效。

CA 有權給所有的域名簽發證照，如它可以私自給我的網站簽發一張 www.barretlee.com的證照，並且可以拿著新證照攔截網頁流量（當然，前提是這個 CA 是瀏覽器認證的權威 CA），那我的網站可能就很不安全了，對擁新證照的人來說，我的網站等同於在 HTTP 下進行通訊。

評估 CA 供應商

CA 供應商很多，提供服務的側重點可能也存在一些差異，比如很多 CA 都沒有提供證照吊銷的服務，這一點對於安全性要求很高的企業來說是完全不能接受的，那麼對 CA 供應商的評估需要注意寫什麼呢？

1. 內建根

所謂內建根，就是 CA 的根證照內建到各種通用的系統/瀏覽器中，只有根證照的相容性夠強，它所能覆蓋的瀏覽器才會越多。

2. 安全體系

兩個指標可以判斷 CA 供應商是否靠譜，一是看價格，價格高自然有它的理由，必然提供了全套的安全保障體系；二是看黑歷史，該 CA 供應商有沒有爆出過什麼漏洞，比如之前的 DigiNotar，被伊朗入侵，簽發了 500 多張未授權的證照，結果直接被各系統/瀏覽器將其根拉入黑名單，毫無疑問公司直接倒閉。

3. 核心功能和擴充套件功能

這就需要從業務上考慮了，不同的規模的企業、不同的業務對證照的要求不一樣，比如證照是否會考慮無 SNI 支援的瀏覽器問題，是否支援在 reissue 的時候新增域名，是否支援 CAA，是否支援短週期證照等等。

4. 價格

企業完全沒必要購買 Github 那樣的 EV 證照，太昂貴，而且一般的企業也未必能夠申請到這樣的證照。供應商很大，價格可以好好評估下，不一定要最貴，最適合的就行。

自建 Root CA

OpenSSL 是一個免費開源的庫，它提供了構建數字證照的命令列工具，其中一些可以用來自建 Root CA。

很多網站都希望使用者知道他們建立的網路通道是安全的，所以會想 CA 機構購買證照來驗證 domain，所以我們也可以在很多 HTTPS 的網頁位址列看到一把小綠鎖。

然而在一些情況下，我們沒必要去 CA 機構購買證照，比如在內網的測試環境中，為了驗證 HTTPS 下的一些問題，我們不需要部署昂貴的證照，這個時候自建 Root CA，給自己頒發證照就顯得很有價值了。

本節內容較多，主要是程式碼演示生成證照和驗證的過程，可以跳過看下一節，直接看這裡：

git clone https://github.com/barretlee/autocreate-ca.git
依次執行 install-rootCA.sh、install-intermediateCA.sh 和 install-websiteConfig.sh

首先找到一個放置證照的資料夾，比如 /root/ca 下，下方的測試也在改目錄下，如果你要更換其他目錄，記得替換下文中的目錄地址。

建立 root pair

扮演 CA 角色，就意味著要管理大量的 pair 對，而原始的一對 pair 對叫做 root pair，它包含了 root key（ca.key.pen）和 root certificate（ca.cert.pem）。通常情況下，root CA 不會直接為伺服器或者客戶端簽證，它們會先為自己生成幾個中間 CA（intermediate CAs），這幾個中間 CA 作為 root CA 的代表為伺服器和客戶端簽證。

注意：一定要在絕對安全的環境下建立 root pair，可以斷開網路、拔掉網線和網路卡，當然，如果是測試玩一玩就不用這麼認真了。

設定資料夾結構，並且配置好 openssl 設定：

# 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

建立 root key，密碼可為空，設定許可權為只可讀：

# 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

建立 root cert，許可權設定為可讀：

# 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

驗證證照：

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

正確的輸出應該是這樣的：

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：

數字簽名（Signature Algorithm）
有效時間（Validity）
主體（Issuer）
公鑰（Public Key）
X509v3 擴充套件，openssl config 中配置了 v3_ca，所以會生成此項

建立 intermediate pair

目前我們已經擁有了 Root Pair，事實上已經可以用於證照的發放了，但是由於根證照很乾淨，特別容易被汙染，所以我們需要建立中間 pair 作為 root pair 的代理，生成過程同上，只是細節略微不一樣。

生成目錄結構和 openssl 的配置，這裡的配置是針對 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

建立 intermediate key，密碼可為空，設定許可權為只可讀：

# 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

建立 intermediate cert，設定許可權為只可讀，這裡需要特別注意的一點是 Common Name 不要與 root pair 的一樣 ：

# 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 擴充套件簽名，密碼可為空，中間 pair 的有效時間一定要為 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

此時 root 的 index.txt 中將會多出這麼一條記錄：

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

驗證中間 pair 的正確性：

# 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

瀏覽器在驗證中間證照的時候，同時也會去驗證它的上一級證照是否靠譜，建立證照鏈，將 root cert 和 intermediate cert 合併到一起，可以讓瀏覽器一併驗證：

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

建立伺服器/客戶端證照

終於到了這一步，生成我們伺服器上需要部署的內容，上面已經解釋了為啥需要建立中間證照。root pair 和 intermediate pair 使用的都是 4096 位的加密方式，一般情況下伺服器/客戶端證照的過期時間為一年，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

建立 www.barretlee.com 的證照：

# 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 簽證上面證照：

# 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 中多了一條記錄：

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

驗證證照：

# 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

此時我們已經拿到了幾個用於部署的檔案：

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

新增信任 CA 和證照的除錯

雙擊 /root/ca/intermediate/certs/ca-chain.cert.pem 將證照安裝到系統中，目的是讓本機信任這個 CA，將其當作一個權威 CA，安裝 root pem 或者 intermediate chain pem 都是可以的，它們都具備驗證能力。如果不執行這一步，瀏覽器依然會提示net:ERR_CERT_AUTHORITY_INVALID。

上面申請測試證照時，我設定的 Common Name 為 www.barretlee.com，由於不線上上機器測試，可以將其新增到 hosts：

127.0.0.1 www.barretlee.com

執行下方測試程式碼：

// 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' // 如果生成證照的時候設定了密碼，請新增改引數和密碼
};

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');
});

可以看到這樣的效果：

小綠鎖出來了

檢視證照的詳細資訊：

證照的詳細資訊

回到最初的問題：

然而在一些情況下，我們沒必要去 CA 機構購買證照，比如在內網的測試環境中，為了驗證 HTTPS 下的一些問題，我們不需要部署昂貴的證照，這個時候自建 Root CA，給自己頒發證照就顯得很有價值了。

一般公司內網的電腦都會強制安裝一些安全證照，此時就可以把我們自建自簽名的證照匯入/引導安裝到使用者的電腦中啦~

無 SNI 支援問題

很多公司由於業務眾多，域名也是相當多的，為了方便運維，會讓很多域名指向同樣的 ip，然後統一將流量/請求分發到後端，此時就會面臨一個問題：由於 TLS/SSL 在 HTTP 層之下，客戶端和伺服器握手的時候還拿不到 origin 欄位，所以伺服器不知道這個請求是從哪個域名過來的，而伺服器這邊每個域名都對應著一個證照，伺服器就不知道該返回哪個證照啦。

SNI 就是用來解決這個問題的，官方解釋是

SNI（Server Name Indication）是為了解決一個伺服器使用多個域名和證照的SSL/TLS擴充套件。一句話簡述它的工作原理就是，在連線到伺服器建立SSL連結之前先傳送要訪問站點的域名（Hostname），這樣伺服器根據這個域名返回一個合適的證照。

然後有將近 25% 的瀏覽器不支援該欄位的擴充套件，這個問題有兩個通用解決方案：

使用 VIP 伺服器，每個域名對應一個 VIP，然後 VIP 與統一接入服務對接，通過 ip 來分發證照，不過運維成本很高，可能也需要大量的 VIP 伺服器
採用多泛域名，將多個泛域名證照打包進一個證照，可以看看淘寶頁面的證照它的缺點是每次新增域名都需要更新證照。

幾個細節知識點

1. 證照選擇

證照有多張加密方式，不同的加密方式對 CPU 計算的損耗不同，安全級別也不同。TLS 在進行第一次握手的時候，客戶端會向伺服器端 say hello，這個時候會告訴伺服器，它支援哪些演算法，此時伺服器可以將最適合的證照發給客戶端。

2. 證照的吊銷

CA 證照的吊銷存在兩種機制，一種是線上檢查，client 端向 CA 機構傳送請求檢查 server 公鑰的靠譜性；第二種是 client 端儲存一份 CA 提供的證照吊銷列表，定期更新。前者要求查詢伺服器具備良好效能，後者要求每次更新提供下次更新的時間，一般時差在幾天。安全性要求高的網站建議採用第一種方案。

大部分 CA 並不會提供吊銷機制（CRL/OCSP），靠譜的方案是為根證照提供中間證照，一旦中間證照的私鑰洩漏或者證照過期，可以直接吊銷中間證照並給使用者頒發新的證照。中間證照的簽證原理於上上條提到的原理一樣，中間證照還可以產生下一級中間證照，多級證照可以減少根證照的管理負擔。

很多 CA 的 OCSP Server 在國外，線上驗證時間比較長，如果可以聯絡 CA 供應商將 Server 轉移到國內，效率可以提升 10 倍左右。

3. PKI 體系

比較主流的兩種方案是 HPKP 和 Certificate Transparency：

HPKP 就是使用者第一次訪問的時候記下 sign 資訊，以後不匹配則拒絕訪問，這存在很大的隱患，比如 Server 更新了證照，或者使用者第一次訪問的時候就被人給黑了
Certificate Transparency 意思就是讓 CA 供應商透明化 CA 服務日誌，防止 CA 供應商偷偷簽證

小結

看了不少文章，對 CA 和證照相關的知識做了一些總結，可能不全面，也可能存在表述錯誤或者知識性錯誤，歡迎拍磚！

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