服務器開發程序員必須搞清HTTPS通訊之證書

一、構建HTTPS網站

1. 獲取證書和密鑰對

1.1.1 自簽名證書

當瀏覽器發現證書是自簽名的，會提示用戶是否信任該證書。一般企業內部應用可以選擇自簽名證書。

第1步生成私鑰對和CSR

CSR用來請求證書，其中包含了服務器的密鑰對，CA機構收到請求后會驗證CSR請求的簽名。

openssl req -newkey rsa:1024 -nodes -keyout my_key.pem -out mykey_csr.pem

提示輸入中最重要的是輸入域名信息：Common Name。

第2步生成自簽名證書

就是模擬CA機構對盲目簽名：

openssl x509 -signkey my_key.pem -in mykey_csr.pem -req -days 365 -out my_cert.pem

生成my_cert.pem即簽名后的證書：

1.1.2 向CA機構申請證書

向專門的CA機構申請；
向代理機構申請，如一些云廠商。

證書申請的方式：

向CA發送CSR；
CA統一生成證書和密鑰對，但泄露了自己的私鑰。

申請時，CA機構通過DNS TXT記錄或服務器上一個特殊的txt文件來校驗域名所有者。

1.1.3 使用Let’s Encrypt證書

Let’s Encrypt可以申請免費的證書，作為一個CA機構得到了很多大公司的支持，它定義了ACME協議，將管理證書的流程進行了標準化。

可以使用基于ACME協議的客戶端在Let’s Encrypt管理證書，官方推薦Certbot客戶端。

# 下載Certbot客戶端
git clone https://github.com/certbot/certbot
cd certbot
# 生成證書,-w表示代碼根目錄，-d要申請證書的域名，--webroot表示安裝插件。
./certbot-auto certonly --webroot -w /usr/Nginx/web -d www.mydomain.com

運行結束在/etc/letsencrypt/live/www.mydomain.com下生成4個文件，最重要的是：

fullchain.pem 完整證書鏈
privkey.pem 私鑰
另外還有：
cert.pem
chain.pem

webroot 插件用來校驗申請者身份，該命令需要在mydomain主機上運行，主機web在/usr/nginx/web下。

2. 部署證書和密鑰對

1.2.1 Nginx 下部署

http{
    #http節點中可以添加多個server節點
    server{
        #監聽443端口
        listen 443;
        #對應的域名，把mydomain.com改成自己的域名
        server_name mydomain.com;
        ssl on;

        # 證書路徑 
        ssl_certificate /etc/cert/fullchain.pem;
        # 密鑰對路徑 
        ssl_certificate_key /etc/cert/privkey.pem;

        ssl_session_timeout 5m;
        ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
        ssl_ciphers ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:HIGH:!aNULL:!MD5:!RC4:!DHE;
        ssl_prefer_server_ciphers on;

        location / {
                #文件夾
                root /usr/local/service/ROOT;
                #主頁文件
                index index.html;
        }
    }
    server{
        listen 80;
        server_name mydomain.com;
        rewrite ^/(.*)$ https://mydomain.com:443/$1 permanent;
    }
}

1.2.2 Apache

vim /etc/apache2/sites-available/default-ssl.conf

<VirtualHost _default_:443>
    DocumentRoot /var/www/html
    ServerName www.mydomain.com
    # 開啟SSL
    SSLEngine on
    SSLCertificateFile /etc/cert/fullchain.pem;
    SSLCertificateKeyFile /etc/cert/privkey.pem
</VirtualHost>

3. 測試https

1.3.1 使用curl

curl "https://www.csdn.net" --verbose | head

1.3.2 使用Chrome開發者工具

1.3.3 301重定向

在遷移老的網站，為了讓http頁面能訪問到，可以設置301重定向，將http轉向https。POST請求不支持301重定向。

1.3.4 HSTS

一種新的Web安全協議HTTP Strict Transport Security（HSTS），在server的http的head里加:

Strict-Transport-Security: max-age=31536000; includeSubDomains

在接下來的31536000秒內，瀏覽器向域名和子域名的http請求強制轉成https。當發現自簽名證書時，瀏覽器會強上停止訪問，不會出現讓用戶選擇信任或不信任的彈出窗口。

1.3.5 CSP

CSP指的是內容安全策略，為了緩解很大一部分潛在的跨站腳本問題，瀏覽器的擴展程序系統引入了內容安全策略（CSP）的一般概念。CSP主要以白名單機制對網站加載或執行的資源起作用。

<meta http-equiv="Content-Security-Policy" content="default-src 'self'; img-src https://*; child-src 'none';">

二、PKI

Public Key Infrastructure(PKI)，中文公鑰基礎設施，由一系列實體組成的集合體，用于向客戶端提供可信的服務器身份認證。

X.509

PKI的標準規定PKI的設計、實施和運營，PKI事實上的標準是X.509。

X.509來自于國際電信聯盟電信標準（ITU-T）的X.500標準，發展主要歷史：

X.209 1988
X.500 1993，ISO組織接受的目錄服務系統標準，定義了一個機構如何在全局范圍內共享其名字和與之相關的對象。X.500是分層次的，其中的管理域（機構、分支、部門和工作組）可以提供這些域內的用戶和資源信息。在PKI體系中，X.500被用來惟一標識一個實體，該實體可以是機構、組織、個人或一臺服務器。X.500被認為是實現目錄服務的最佳途徑，但X.500的實現需要較大的投資，并且比其他方式速度慢;而其優勢具有信息模型、多功能和開放性。
X.509 1993 由國際電信聯盟（ITU-T）制定的數字證書標準，最初版本公布于1988年。X.509證書由用戶公共密鑰和用戶標識符組成。此外還包括版本號、證書序列號、CA標識符、簽名算法標識、簽發者名稱、證書有效期等信息。這一標準的最新版本是X.509 v3。

三、證書

對HTTPS通訊來說，核心是理解證書。證書主要包括：簽名、服務器實體信息、CA機構信息。

1. ASN.1

ASN.1是數據結構描述語言，由ITU-T定義的標準，用來結構化描述證書。它有兩部分：

ISO 8824/ITU X.208 描述信息內的數據、數據類型及序列格式，也就是數據的語法；
ISO 8825/ITU X.209 描述如何將各部分數據組成消息，也就是數據的基本編碼規則。
X.509定義了證書應該包含的內容，而ASN.1是具體的數據結構。

ASN.1 原來是X.409的一部分，后來獨立出來成為一個標準，廣泛應用于計算機通訊領域。

2. 證書結構

3.2.1 證書的主要結構：

Certificate ::= SEQUENCE {
    tbsCertificate      TBSCertificate,
    signatureAlgorithm  AlgorithmIdentifier,   # 簽名算法
    signature           BIT STRING             # 簽名值
}

SEQUENCE是ASN.1中的一個結構體，包括多個屬性。屬性還可以嵌套其它的ASN.1結構。TBSCertificate就是一個SEQUENCE結構。

3.2.2. TBSCertificate結構：

TBSCertificate ::= SEQUENCE {
	version [0] EXPLICIT Version DEFAULT v1, -- 證書版本號
	serialNumber CertificateSerialNumber,    -- 證書序列號，對同一CA所頒發的證書，序列號唯一標識證書
	signature AlgorithmIdentifier,           --證書簽名算法標識
	issuer Name,                             --證書發行者名稱，簡稱DN
	validity Validity,                       --證書有效期
	subject Name,                            --證書主體名稱
	subjectPublicKeyInfo SubjectPublicKeyInfo,--證書公鑰
	issuerUniqueID [1] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL,   -- 證書發行者ID(可選)，只在證書版本2、3中才有
	subjectUniqueID [2] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL,  -- 證書主體ID(可選)，只在證書版本2、3中才有
	extensions [3] EXPLICIT Extensions OPTIONAL              -- 證書擴展段（可選），只在證書版本3中才有
}

3.2.3 簽名算法

簽名算法標識符AlgorithmIdentifier類型也是一個SEQUENCE結構，由兩個屬性構成：

AlgorithmIdentifier ::= SEQUENCE {
    algorithm OBJECT IDENTIFIER,
    parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL 
}

3.2.4 issuer 示例

Let’s Encrypt：C = US, O = Let's Encrypt, CN = Let's Encrypt Authority X3

3.2.5 validity

有效期，結構：

Validity ::= SEQUENCE{
    notBefore Time,
    notAfter  Time
}

3. CSR

服務器實體為了證明自己的身份，要向CA機構申請證書。在申請之前，先生成一個CSR（Certificate Signing Request）文件，即證書簽名請求文件，把這個CSR文件發給CA機構。CA機構使用其根證書私鑰簽名就生成了證書公鑰文件，也就是頒發給用戶的證書。

CSR文件包括兩部分：

生成證書必須的信息，如域名、公鑰
服務器實體的證明材料

3.3.1 CSR也采用ASN.1標準描述，整體格式是：

CertificationRequest ::= SEQUENCE {
    certificationRequestInfo  CertificationRequestInfo,   # 證書的請求信息
    signatureAlgorithm          AlgorithmIdentifier,      # 簽名算法
    signature                         BIT STRING          # 簽名信息
}

3.3.2 CertificationRequestInfo結構：

CertificationRequestInfo ::= SEQUENCE{
    version     INTEGER { v1(0)  }  (v1,...),
    subject     Name,
    subjectPKInfo   SubjectPublicKeyInfo,
    attributes      [0] Attributes
}

version：表示 PKCS#10 標準的版本號；
subject ：表示服務器主體的可分辨名稱DN，最重要的是CN值，表示證書需要包含的域名，可以包含多個；
subjectPKInfo：服務器密鑰對的公鑰，可以是RSA公鑰或ECDSA公鑰。服務器主體使用該密鑰對的私鑰對certificationRequestInfo進行數字簽名最終生成CSR文件。

3.3.3 CSR生成過程

服務器主體生成一對密鑰對，如RSA密鑰對；
生成CertificationRequestInfo結構體，主要包含域名、公鑰；
使用私鑰對CertificationRequestInfo進行數字簽名得到簽名值；
組合CertificationRequestInfo信息和簽名得到最終的CSR文件。

3.3.4 證書擴展

擴展有標準和非標準兩種，每個擴展都是一個OLD ASN.1結構。每個擴展都有一個critical屬性，如果該屬性值為true，CA必須嚴格處理。

3.3.5 證書分類

根據驗證模式分類

DV（Domain Validated）證書：最常見的一種證書類型，CSR包含域名信息，CA檢驗域名所有權，如果通過審核，申請者就有權申請該域名的證書。校驗方式有DNS TXT記錄方式、服務器放置特殊文件方式。
OV（Organization Validated）證書：CA機構對申請者的身份進行嚴格的審核，確保申請者的身份是真實的。申請時間比DV證書要長。
EV（Extended Validation）證書：對申請者進行更嚴格的審核。

根據域名分類

單域名證書
泛域名證書
SAN（Subject Alternative Names）證書，可以把多個不同的注冊域名合并到一張證書。
SAN泛域名證書。

四、證書鏈

1. 證書類型

如在Chrome中看CSDN的證書：

服務器實體在配置HTTPS的時候，不只是配置服務器實體證書，還涉及其它證書；
證書鏈的理解：

DigiCert信任了GeoTrust RSA CA 2018
GeoTrust RSA CA 2018信任了*.csdn.net

上面證書類型分為了：

服務器實體證書
中間證書
根證書：自簽名證書，位于證書鏈中的最頂端。

在使用Certbot客戶端工具生成的證書中，fullchain.pem包含了cert.pem和chain.pem文件的內容，構成了完整的證書鏈。cert.pem在fullchain.pem文件的最頂端。根證書預嵌入到了瀏覽器中，配置Nginx和Apache的時候，只需要fullchain.pem，不需要包含根證書。

2. 信任鏈校驗

瀏覽器連接至一個https網站
服務器發完整證書給瀏覽器，如fullchain.pem。對X.509標準來說，服務器應該發送完整的證書鏈（不包含根證書）。如果發送的證書不完整，客戶端可以找到所有的證書鏈，但有的瀏覽器可能不會這樣做，造成不兼容。
通過服務器實體證書找到完整證書鏈的方法，從中解析CA密鑰標識符，進而獲取上一級中間證書文件，通過中間證書的CA密鑰標識符繼續向上找到根證書。
校驗證書鏈關系
瀏覽器要信任每張證書，必須確保每個證書（除了根證書）的簽發者都是它的上一級證書的使用者(subject)。如果不符合，證書校驗就會失敗。

3. 根證書

linux各個發行版中，OpenSSL庫會集成根證書

openssl version -a

windows

在HKEY_CURRENT_USER注冊表管理根證書

Mozilla

在NSS底層獨立維護了可信任的根證書庫。

五、CRL 證書吊銷列表

CRL（Certificate Revocation List），是PKI技術的重要組成部分。CRL是TLS/SSL協議的一部分，X.509 V2 標準定義了CRL的語法和語義信息，CRL結構類似于證書，也使用ASN.1 結構來解釋其含義。

六、OCSP

CRL正逐步被OCSP替代（在線證書狀態協議，Online Certificate Status Protocol），定義在RF6960文檔中，主要目的是為了替換CRL，更好地核實證書的使用。

七、證書格式

1. DER

ASN.1是一種抽象的數據結構，描述了復雜的對象。證書本質是一個文件，要通過一個規則把ASN.1轉換為二進制文件。在X.509證書中，使用的編碼方式是 Distinguished Encoding Rules(DER)。

2. BER

Basic Encoding Rules(BER)是DER的一個子集。

3. CER

CER是另一種編碼標準，用來編碼ASN.1結構

4. PEM

DER是個二進制文件，為了方便傳輸，可以將DER轉換為PEM（Privacy enhanced Electronic mail）格式。 PEM是Base64編碼方式，以:-----BEGIN CERTIFICATE----- 開頭，-----END CERTIFICATE----- 結尾。

5. 編碼轉換

PEM轉為DER

openssl x509 -in cert.pem -out cert.der -outform DER

DER轉為PEM

openssl x509 -incert.der -inform DER -out cert.pem -outform PEM
1

6. 其它的證書格式

7.6.1 PKCS#12(后綴.pkcs12 .pfx .p12)

非對稱加密的一種格式，微軟推出。PKCS#12把證書和密鑰對打包成一個文件，還可以再對文件進行加密保護。通過OpenSSL pkcs12子命令將密鑰對(privkey.pem)、服務器實體證書(cert.pem)、中間證書(chain.pem)轉換成一個文件：

openssl pkcs12 -export -out cert.pfx 
    -inkey privkey.pem -in cert.pem -certfile chain.pem

生成 cert.pfx時會提示進行口令保護。可以再使用命令從pfx中再導出密鑰對和證書：

# 導出密鑰對
openssl pkcs12 -in cert.pfx -nodes -nocerts -out new_privkey.pem
# 導出服務器實體證書
openssl pkcs12 -in cert.pfx -nodes -clcerts -out new_cert.pem
# 導出中間證書
openssl pkcs12 -in cert.pfx -nodes -cacerts -out new_chain.pem

7.6.2 PKCS#7

主要用來進行數字簽名和數據加密，文件后綴一般是.p7b或.p7c，使用OpenSSL crl2pkcs7進行操作。

# 生成 cert.p7b
openssl crl2pkcs7 -nocrl -certfile cert.pem -certfile chain.pem -out cert.p7b
# 導出完整證書鏈文件，服務器實體證書在文件頂部，中間證書在文件底部
openssl pkcs7 -print_certs -in cert.p7b -out fullchain.cer

7.6.3 BKS

BouncyCastleProvider，它使用的也是TripleDES來保護密鑰庫中的Key，它能夠防止證書庫被不小心修改（Keystore的keyentry改掉1個bit都會產生錯誤），BKS能夠跟JKS互操作。由于Android/ target=_blank class=infotextkey>安卓無法直接支持jks的證書庫，在安卓下一般需要使用BKS類型證書。

7. CSR管理

7.7.1 查看CSR

前面使用OpenSSL命令生成了CSR文件，下面使用命令查看CSR文件內容：

openssl req -in mykey_csr.pem -noout -text

其中:

Subject Public Key Info : 生成的公鑰，包含了e和n等RSA信息
Signature Algorithm 表示簽名算法和簽名值。

7.7.2 校驗CSR簽名

openssl req -in myreq.pem -noout -verify -key mykey_csr.pem

八、導入根證書

更新根證書庫，一般原因：

有新成立了一個CA機構，要導入到根證書庫中
自簽名了一個證書，要導入根證書庫
系統根證書庫太舊
Linux下命令行update-ca-certificates可以用來同步證書。
windows下可以雙擊.cer文件彈出安裝證書界面。

本文沒有使用keytool工具，后面會使用keytool工具進行測試。本文學習資源來源：《深入淺出HTTPS從原理到實戰》電子工業出版社虞衛東著。感謝原作者。

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服務器開發程序員必須搞清HTTPS通訊之證書一、構建HTTPS網站1. 獲取證書和密鑰對1.1.1 自簽名證書第1步 生成私鑰對和CSR第2步 生成自簽名證書1.1.2 向CA機構申請證書1.1.3