【加解密】使用CFSSL生成證書並使用gRPC驗證證書

Mr.YF發表於2021-08-18

解密RPC

寫在前面的話

CFSSL是CloudFlare旗下的PKI/TLS工具。可以用於數字簽名，簽名驗證和TLS證照捆綁的命令列工具和HTTP API伺服器。

是使用golang語言開發的證照工具。

官方地址：

github地址：https://github.com/cloudflare/cfssl

下載cfssl工具鏈

https://github.com/cloudflare/cfssl/releases

下載如下檔案

cfssl_1.6.0_darwin_amd64 表示cfssl的工具

cfssljson_1.6.0_darwin_amd64 表示使用json展示的工具

cfssl-certinfo_1.6.0_darwin_amd64 表示證照的檢視工具

軟連線生成cfssl和cfssljson

ln -s ./cfssl_1.6.0_darwin_amd64 cfssl
ln -s ./cfssl-certinfo_1.6.0_darwin_amd64 cfssl-certinfo
ln -s ./cfssljson_1.6.0_darwin_amd64 cfssljson

使用cfssl生成證照步驟

1. 編寫CA根證照的證照籤名請求檔案

證照籤名請求(Certificate Signing Request)檔案，檔案格式為ca-csr.json，【檔名含義是CA of Certificate Signing Request】

ca-csr.json檔案中包含如下內容簡要說明

CN: Common Name，表示業務的名稱或者對外的域名。
C: Country，表示國家
L: Locality，表示地區或城市
O: Organization Name，表示組織名稱或公司名稱
OU: Organizational Unit 表示組織單元名稱
ST: State，表示州，省OU: Organization Unit Name，組織單位名稱或者部門
ca.expiry 表示證照的有效期，此處是20年
key.algo 表示證照的簽名演算法，目前cfssl支援的簽名演算法只有rsa和ecdsa兩種。
hosts 表示要簽名的域名，此處是根證照，所以空著，用於簽名其他的證照。

ca-csr.json檔案內容如下：

➜  certs cat ca-csr.json|python -m json.tool
{
    "CN": "voipman",
    "ca": {
        "expiry": "175200h"
    },
    "hosts": [],
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "names": [
        {
            "C": "CN",
            "L": "BeiJing",
            "O": "MyCompany",
            "OU": "MyTemp",
            "ST": "BeiJing"
        }
    ]
}

如果key的簽名演算法選擇rsa時，size可以取值2048，3072和4096這三個值

如果可用的簽名演算法選擇ecdsa時，將如上內容的key改成如下內容，size可以取值256,384和521三個值

    "key":{
        "algo":"ecdsa",
        "size":256
    }

2. 使用CA跟證照籤名請求檔案生成CA根證照。

➜  cfssl gencert -initca  ca-csr.json|cfssljson -bare ca
2021/08/18 10:37:00 [INFO] generating a new CA key and certificate from CSR
2021/08/18 10:37:00 [INFO] generate received request
2021/08/18 10:37:00 [INFO] received CSR
2021/08/18 10:37:00 [INFO] generating key: rsa-2048
2021/08/18 10:37:00 [INFO] encoded CSR
2021/08/18 10:37:00 [INFO] signed certificate with serial number 116851465485290360665710914818380982850969052112

通過執行上面的命令，產生如下檔案：

ca.pem 表示CA根證照，可以公開

ca-key.pem 表示CA根證照的金鑰，不要公開

ca.csr 表示CA證照籤名請求

我們主要分析一下ca.pem證照檔案中的內容資訊

3. 檢視 ca.pem CA根證照

裡面包含什麼資訊呢，可以通過cfssl-certinfo工具檢視證照內容

cfssl-certinfo -cert ca.pem
{
  "subject": {
    "common_name": "voipman",
    "country": "CN",
    "organization": "MyCompany",
    "organizational_unit": "MyTemp",
    "locality": "BeiJing",
    "province": "BeiJing",
    "names": [
      "CN",
      "BeiJing",
      "BeiJing",
      "MyCompany",
      "MyTemp",
      "voipman"
    ]
  },
  "issuer": {
    "common_name": "voipman",
    "country": "CN",
    "organization": "MyCompany",
    "organizational_unit": "MyTemp",
    "locality": "BeiJing",
    "province": "BeiJing",
    "names": [
      "CN",
      "BeiJing",
      "BeiJing",
      "MyCompany",
      "MyTemp",
      "voipman"
    ]
  },
  "serial_number": "116851465485290360665710914818380982850969052112",
  "not_before": "2021-08-18T02:32:00Z",
  "not_after": "2041-08-13T02:32:00Z",
  "sigalg": "SHA256WithRSA",
  "authority_key_id": "",
  "subject_key_id": "34:9C:3B:8B:54:02:6F:2F:D3:F4:29:9B:23:23:6C:47:0D:0A:16:2B",
  "pem": "-----BEGIN CERTIFICATE-----\n.....\n-----END CERTIFICATE-----\n"
}

從如上的ca.pem中可以看到

簽名演算法："sigalg": "SHA256WithRSA"

如果選擇ecdsa簽名演算法，簽名演算法就是: "sigalg": "ECDSAWithSHA256"

證照生效時間："not_before": "2021-08-18T02:32:00Z"

證照失效時間："not_after": "2041-08-13T02:32:00Z"，說明證照籤名請求檔案中設定的20年的證照有效期。

序列化："serial_number": "116851465485290360665710914818380982850969052112"，在前面生成證照時會列印出來。

證照內容："pem": "-----BEGIN CERTIFICATE-----...，此處省調證照內容資訊。

其他欄位在證照籤名請求時已經做過介紹，此處忽略。

4. 編寫CA簽名配置檔案ca-config.json

cat ca-config.json |python -m json.tool
{
    "signing": {
        "default": {
            "expiry": "175200h"
        },
        "profiles": {
            "client": {
                "expiry": "175200h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "client auth"
                ]
            },
            "peer": {
                "expiry": "175200h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "client auth",
                    "server auth"
                ]
            },
            "server": {
                "expiry": "175200h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "server auth"
                ]
            }
        }
    }
}

欄位說明如下

signing, 表示ca.pem證照可用於簽名其它證照
profile中的peer配置的client auth 和 server auth
profile中的client配置的client auth
profile中的server配置的server auth
server auth：表示客戶端client 可以用 CA證照對服務端server的證照進行簽名驗證。
client auth：表示服務端server 可以用 CA證照對客戶端client 提供的證照進行簽名驗證。
server auth和client auth都存在時，說明客戶端和服務端雙向驗證。

如下業務域名證照生成選擇的profle是peer，表示雙向驗證。

同樣證照的失效日期是20年。

5. 編寫業務域名的證照籤名請求檔案 voipman-csr.json

cat voipman-csr.json |python -m json.tool
{
    "CN": "voipman",
    "hosts": [
        "127.0.0.1",
        "*.voipman.com",
        "localhost",
        "voipman.com",
        "*.vipman.com",
        "vipman.com"
    ],
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "names": [
        {
            "C": "CN",
            "L": "BeiJing",
            "O": "voipman",
            "OU": "MyTeam",
            "ST": "BeiJing"
        }
    ]
}

這個業務域名簽名請求檔案的內容和ca-csr.json內容含義類似，關鍵部分是增加了hosts的配置，將需要簽名認證的ip地址和域名增加到hosts列表中。

6. 生成業務域名的證照和私鑰

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=peer voipman-csr.json|cfssljson -bare voipman-peer
2021/08/18 11:15:09 [INFO] generate received request
2021/08/18 11:15:09 [INFO] received CSR
2021/08/18 11:15:09 [INFO] generating key: rsa-2048
2021/08/18 11:15:09 [INFO] encoded CSR
2021/08/18 11:15:09 [INFO] signed certificate with serial number 178028283460672116734375677106692089761404461988

此命令的引數說明

生成證照命令：cfssh gencerts

使用ca證照：-ca=ca.pem

使用ca的金鑰：-ca-key=ca-key.pem

使用ca簽名證照的配置：-config=ca-config.json

選擇ca簽名證照配置的profile項：-profile=peer

選擇業務域名的證照籤名請求檔案：voipman-csr.json

生成業務域名的私鑰和證照檔案：cfssljson -bare voipman-peer 會生成voipman-peer.pem證照檔案和voipman-peer-key.pem的私鑰檔案。

執行如上命令後，產生如下檔案

voipman-peer.pem 業務域名的證照檔案，可以直接公開給請求端使用。
voipman-peer-key.pem 業務域名的私鑰，不可公開。
voipman-peer.csr 業務域名的證照籤名請求檔案。

檢視業務域名的證照檔案voipman-peer.pem的內容

cfssl-certinfo -cert voipman-peer.pem
{
  "subject": {
    "common_name": "voipman",
    "country": "CN",
    "organization": "voipman",
    "organizational_unit": "MyTeam",
    "locality": "BeiJing",
    "province": "BeiJing",
    "names": [
      "CN",
      "BeiJing",
      "BeiJing",
      "voipman",
      "MyTeam",
      "voipman"
    ]
  },
  "issuer": {
    "common_name": "voipman",
    "country": "CN",
    "organization": "MyCompany",
    "organizational_unit": "MyTemp",
    "locality": "BeiJing",
    "province": "BeiJing",
    "names": [
      "CN",
      "BeiJing",
      "BeiJing",
      "MyCompany",
      "MyTemp",
      "voipman"
    ]
  },
  "serial_number": "178028283460672116734375677106692089761404461988",
  "sans": [
    "*.voipman.com",
    "localhost",
    "voipman.com",
    "*.vipman.com",
    "vipman.com",
    "127.0.0.1"
  ],
  "not_before": "2021-08-18T03:10:00Z",
  "not_after": "2041-08-13T03:10:00Z",
  "sigalg": "SHA256WithRSA",
  "authority_key_id": "34:9C:3B:8B:54:02:6F:2F:D3:F4:29:9B:23:23:6C:47:0D:0A:16:2B",
  "subject_key_id": "AD:54:74:A0:BF:67:E7:B7:18:50:20:0A:77:57:F7:16:D3:62:80:F6",
  "pem": "-----BEGIN CERTIFICATE-----\n......\n-----END CERTIFICATE-----\n"
}

如上可以看到，證照檔案的內容中

sans表示證照的支援的域名列表

authority_key_id 表示是本證照是從哪個CA證照籤名生成的證照，業務域名正式的authority_key_id等於CA證照的subject_key_id。

其他欄位說明見簽名對CA證照的欄位說明。

使用如下命令查詢業務域名的證照籤名請求資訊

如下內容省略了部分內容，重點說明一下內容中的公鑰PublicKey（N模數，E公鑰指數）

cfssl certinfo -csr voipman-peer.csr
{
  "Raw": "xxx",
  "RawTBSCertificateRequest": "xxx,
  "RawSubject": "xxx",
  "Version": 0,
  "Signature": "xxx",
  "SignatureAlgorithm": 4,
  "PublicKeyAlgorithm": 1,
  "PublicKey": {
    "N": 252598034519828318357090360116071250272xxxxxxxxxxxxxx....xxxxx7,
    "E": 65537
  }

  "Subject": {
    
  },
  "DNSNames": [
    "*.voipman.com",
    "localhost",
    "voipman.com",
    "*.vipman.com",
    "vipman.com"
  ],
  "EmailAddresses": null,
  "IPAddresses": [
    "127.0.0.1"
  ],
  "URIs": null
}

如果選擇ecdsa簽名演算法時，公鑰PublicKey資訊為如下形式

  "PublicKey": {
    "Curve": {
      "P": 11579xxxxx1,
      "N": 11579xxxxxx8,
      "B": 410583xxxx1,
      "Gx": 484395xxx6,
      "Gy": 36134xxxxx09,
      "BitSize": 256,
      "Name": "P-256"
    },
    "X": 1069xx854,
    "Y": 1105xx971
  }

P: 代表有限域Fp的那個質數
G: 橢圓曲線上的一個基點G = (Gx, Gy)
N：G在Fp中規定的序號

7. 使用golang的grpc驗證業務域名的證照和私鑰

編寫proto介面檔案，檔案命名為test.proto，定義一個EchoService介面，服務端實現時，將請求資料轉成大寫返回。

syntax = "proto3";
package test;

service EchoService {
  rpc Echo (Request) returns (Response) {}
}

message Request {
  string data = 1;
}

message Response {
  string data = 1;
}

生成go的grpc程式碼

mkdir -p ../src/test  && protoc --go_out=plugins=grpc:../src/test/ ./test.proto

會生成 src/test/test.pb.go程式碼檔案。

編寫gRPC的服務端驗證程式碼，配置證照voipman-peer.pem和私鑰voipman-peer-key.pem

程式碼如下所示

package main
import (
    "cert-verify/src/test"
    "context"
    "fmt"
    "google.golang.org/grpc"
    "google.golang.org/grpc/credentials"
    "google.golang.org/grpc/reflection"
    "log"
    "net"
    "strings"
)
type EchoServer struct{
}

func (s *EchoServer) Echo(ctx context.Context, in *test.Request) (*test.Response, error) {
    fmt.Println("RequestData: " + in.Data)
    return &test.Response{Data: strings.ToUpper(in.Data)}, nil
}

func main() {
    listen, err := net.Listen("tcp", "0.0.0.0:9025")
    if err != nil {
        log.Fatalf("Failed to listen: %v", err)
    }
    creds, cerErr := credentials.NewServerTLSFromFile("./certs/voipman-peer.pem", "./certs/voipman-peer-key.pem")
    if cerErr != nil {
        log.Fatalf("Failed to load cert error: %v", cerErr)
    }
    var grpcServer *grpc.Server
    grpcServer = grpc.NewServer(grpc.Creds(creds))
    test.RegisterEchoServiceServer(grpcServer, &EchoServer{})
    reflection.Register(grpcServer)
    grpcServer.Serve(listen)
}

編寫gRPC的客戶端程式碼，使用voipman-peer.pem證照請求如上的gRPC服務端

package main
import (
    "cert-verify/src/test"
    "golang.org/x/net/context"
    "google.golang.org/grpc"
    "google.golang.org/grpc/credentials"
    "log"
)

func main() {
    hostNameList := []string {
        "dev.voipman.com",
        "test.voipman.com",
        "voipman.com",
        "127.0.0.1",
        "localhost",
        "dev.vipman.com",
        "test.vipman.com",
        "vipman.com",
        "dev.unknown.com",
    }
    for _, hostName := range hostNameList {
        url := "127.0.0.1:9025"
        creds, err := credentials.NewClientTLSFromFile("./certs/voipman-peer.pem", hostName)
        if err != nil {
            log.Printf("new rpc client tls fail %v", err)
        }
        clientConn, err := grpc.DialContext(context.Background(), url, grpc.WithTransportCredentials(creds))
        if err != nil {
            log.Printf("dail rpc server fail url:%v, err:%v", url, err)
        }
        if err != nil {
            log.Printf(err.Error())
        }
        defer clientConn.Close()
        cli := test.NewEchoServiceClient(clientConn)
        response, err := cli.Echo(context.Background(), &test.Request{Data: hostName})
        if err != nil {
            log.Fatalf("could not greet: %v", err)
        }
        log.Printf("HostName:%v, Response: %s", hostName, response.Data)
    }
}

如上程式碼中，我們驗證voipman-csr.json中定義的hosts列表，如下測試域名應該可以通過證照的驗證。

"dev.voipman.com",
"test.voipman.com",
"voipman.com",
"127.0.0.1",
"localhost",
"dev.vipman.com",
"test.vipman.com",
"vipman.com",

另外增加一條錯誤的域名地址，使用證照驗證應該不成功。

執行結果如下

2021/08/18 13:38:12 HostName:dev.voipman.com, Response: DEV.VOIPMAN.COM
2021/08/18 13:38:12 HostName:test.voipman.com, Response: TEST.VOIPMAN.COM
2021/08/18 13:38:12 HostName:voipman.com, Response: VOIPMAN.COM
2021/08/18 13:38:12 HostName:127.0.0.1, Response: 127.0.0.1
2021/08/18 13:38:12 HostName:localhost, Response: LOCALHOST
2021/08/18 13:38:12 HostName:dev.vipman.com, Response: DEV.VIPMAN.COM
2021/08/18 13:38:12 HostName:test.vipman.com, Response: TEST.VIPMAN.COM
2021/08/18 13:38:12 HostName:vipman.com, Response: VIPMAN.COM
2021/08/18 13:38:12 could not greet: rpc error: code = Unavailable desc = connection error: desc = "transport: authentication handshake failed: x509: certificate is valid for *.voipman.com, localhost, voipman.com, *.vipman.com, vipman.com, not dev.unknown.com"

從執行的結果來看，最後一條域名，使用證照和服務端建立認證時出現錯誤

could not greet: rpc error: code = Unavailable desc = connection error: desc = "transport: authentication handshake failed: x509: certificate is valid for *.voipman.com, localhost, voipman.com, *.vipman.com, vipman.com, not dev.unknown.com"

這就說明了證照voipman.pem中的hosts含義所在。

另外，在cfssl中hosts支援 ip地址，DNS域名，email地址和URI這四類。

如下：

"cloudflare.com"
"www.cloudflare.com"
 "192.168.0.1"
"jdoe@example.com"
"https://www.cloudflare.com"

祝玩的開心~

done.

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【加解密】使用CFSSL生成證書並使用gRPC驗證證書

寫在前面的話

下載cfssl工具鏈

使用cfssl生成證照步驟

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