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细说 CA 和证书

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CA，Catificate Authority，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。

细说 CA 和证书

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。

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：

net:ERR_CERT_AUTHORITY_INVALID

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：

net:ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID

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：

DevTools

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。

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。

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，给自己颁发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.sh、install-intermediateCA.sh 和 install-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。

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

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

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

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：

小绿锁出来了

查看证书的详细信息：

证书的详细信息

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，给自己颁发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~

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taobao cert它的缺点是每次添加域名都需要更新证书。

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

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！

  • https://jamielinux.com/docs/openssl-certificate-authority/index.html
  • http://www.ert7.com/service/knowledge/3999.html
细说 CA 和证书

原创文章，作者：ItWorker，如若转载，请注明出处：https://blog.ytso.com/41761.html

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