HTTPS安全通讯 3. 证书概念与使用






一、构建HTTPS网站

1. 获取证书和密钥对

1.1.1 自签名证书

当浏览器发现证书是自签名的,会提示用户是否信任该证书。一般企业内部应用可以选择自签名证书。

第1步 生成私钥对和CSR

CSR用来请求证书,其中包含了服务器的密钥对,CA机构收到请求后会验证CSR请求的签名。

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

提示输入中最重要的是输入域名信息:Common Name。
HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_密钥对

第2步 生成自签名证书

就是模拟CA机构对盲目签名:

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

生成​​my_cert.pem​​​即签名后的证书:
HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_证书链_02

1.1.2 向CA机构申请证书

  • 向专门的CA机构申请;
  • 向代理机构申请,如一些云厂商。

证书申请的方式:

  • 向CA发送CSR;
  • CA统一生成证书和密钥对,但泄露了自己的私钥。

申请时,CA机构通过DNS TXT记录或服务器上一个特殊的txt文件来校验域名所有者。

1.1.3 使用Let’s Encrypt证书

Let’s Encrypt可以申请免费的证书,作为一个CA机构得到了很多大公司的支持,它定义了ACME协议,将管理证书的流程进行了标准化。

可以使用基于ACME协议的客户端在Let’s Encrypt管理证书,官方推荐Certbot客户端。

# 下载Certbot客户端
git clone https://github.com/certbot/certbot
cd certbot
# 生成证书,-w表示代码根目录,-d要申请证书的域名,--webroot表示安装插件。
./certbot-auto certonly --webroot -w /usr/nginx/web -d www.mydomain.com

运行结束在/etc/letsencrypt/live/www.mydomain.com下生成4个文件,最重要的是:

  • fullchain.pem 完整证书链
  • privkey.pem 私钥
    另外还有:
  • cert.pem
  • chain.pem

​webroot​​​ 插件用来校验申请者身份,该命令需要在mydomain主机上运行,主机web在​​/usr/nginx/web​​下。

2. 部署证书和密钥对

1.2.1 Nginx 下部署

http{
#http节点中可以添加多个server节点
server{
#监听443端口
listen 443;
#对应的域名,把mydomain.com改成自己的域名
server_name mydomain.com;
ssl on;

# 证书路径
ssl_certificate /etc/cert/fullchain.pem;
# 密钥对路径
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 / {
#文件夹
root /usr/local/service/ROOT;
#主页文件
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
# 开启SSL
SSLEngine on
SSLCertificateFile /etc/cert/fullchain.pem;
SSLCertificateKeyFile /etc/cert/privkey.pem
</VirtualHost>

3. 测试https

1.3.1 使用curl

curl "" --verbose | head

HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_证书链_03

1.3.2 使用Chrome开发者工具

HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_证书链_04

1.3.3 301重定向

在迁移老的网站,为了让http页面能访问到,可以设置301重定向,将http转向https。
POST请求不支持301重定向。

1.3.4 HSTS

一种新的Web安全协议HTTP Strict Transport Security(HSTS),在server的http的head里加:

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

在接下来的31536000秒内,浏览器向域名和子域名的http请求强制转成https。
当发现自签名证书时,浏览器会强上停止访问,不会出现让用户选择信任或不信任的弹出窗口。

1.3.5 CSP

CSP指的是内容安全策略,为了缓解很大一部分潜在的跨站脚本问题,浏览器的扩展程序系统引入了内容安全策略(CSP)的一般概念。
CSP主要以白名单机制对网站加载或执行的资源起作用。

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

4. OpenSSL的在线工具

myssl.cn是DigiCert官方授权的中国区合作伙伴,在线提供了一些ssl工具,下面提供两个示例:

1.4.1 生成CSR

​https://www.myssl.cn/tools/create-csr.html​HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_密钥对_05
HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_密钥对_06

1.4.2 CSR 分析

HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_密钥对_07
HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_密钥对_08

二、PKI

Public Key Infrastructure(PKI),中文公钥基础设施,由一系列实体组成的集合体,用于向客户端提供可信的服务器身份认证。

X.509

PKI的标准规定PKI的设计、实施和运营,PKI事实上的标准是X.509。

X.509来自于国际电信联盟电信标准(ITU-T)的X.500标准,发展主要历史:

  1. X.209 1988
  2. X.500 1993,ISO组织接受的目录服务系统标准,定义了一个机构如何在全局范围内共享其名字和与之相关的对象。X.500是分层次的,其中的管理域(机构、分支、部门和工作组)可以提供这些域内的用户和资源信息。在PKI体系中,X.500被用来惟一标识一个实体,该实体可以是机构、组织、个人或一台服务器。X.500被认为是实现目录服务的最佳途径,但X.500的实现需要较大的投资,并且比其他方式速度慢;而其优势具有信息模型、多功能和开放性。
  3. X.509 1993 由国际电信联盟(ITU-T)制定的数字证书标准,最初版本公布于1988年。X.509证书由用户公共密钥和用户标识符组成。此外还包括版本号、证书序列号、CA标识符、签名算法标识、签发者名称、证书有效期等信息。这一标准的最新版本是X.509 v3。

三、证书

对HTTPS通讯来说,核心是理解证书。
证书主要包括:签名、服务器实体信息、CA机构信息。

1. ASN.1

ASN.1是数据结构描述语言,由ITU-T定义的标准,用来结构化描述证书。它有两部分:

  1. ISO 8824/ITU X.208 描述信息内的数据、数据类型及序列格式,也就是数据的语法;
  2. ISO 8825/ITU X.209 描述如何将各部分数据组成消息,也就是数据的基本编码规则。
    X.509定义了证书应该包含的内容,而ASN.1是具体的数据结构。

ASN.1 原来是X.409的一部分,后来独立出来成为一个标准 ,广泛应用于计算机通讯领域。

2. 证书结构

3.2.1 证书的主要结构:

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

​SEQUENCE​​​是​​ASN.1​​​中的一个结构体,包括多个属性。属性还可以嵌套其它的​​ASN.1​​​结构。​​TBSCertificate​​​就是一个​​SEQUENCE​​结构。

3.2.2. ​​TBSCertificate​​结构:

TBSCertificate ::= SEQUENCE {
version [0] EXPLICIT Version DEFAULT v1, -- 证书版本号
serialNumber CertificateSerialNumber, -- 证书序列号,对同一CA所颁发的证书,序列号唯一标识证书
signature AlgorithmIdentifier, --证书签名算法标识
issuer Name, --证书发行者名称,简称DN
validity Validity, --证书有效期
subject Name, --证书主体名称
subjectPublicKeyInfo SubjectPublicKeyInfo,--证书公钥
issuerUniqueID [1] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL, -- 证书发行者ID(可选),只在证书版本2、3中才有
subjectUniqueID [2] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL, -- 证书主体ID(可选),只在证书版本2、3中才有
extensions [3] EXPLICIT Extensions OPTIONAL -- 证书扩展段(可选),只在证书版本3中才有
}

3.2.3 签名算法

签名算法标识符​​AlgorithmIdentifier​​​类型也是一个​​SEQUENCE​​结构,由两个属性构成:

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,结构:

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

3. CSR

服务器实体为了证明自己的身份,要向CA机构申请证书。在申请之前,先生成一个CSR(Certificate Signing Request)文件,即证书签名请求文件,把这个CSR文件发给CA机构。
CA机构使用其根证书私钥签名就生成了证书公钥文件,也就是颁发给用户的证书。

CSR文件包括两部分:

  • 生成证书必须的信息,如域名、公钥
  • 服务器实体的证明材料

3.3.1 CSR也采用ASN.1标准描述,整体格式是:

CertificationRequest ::= SEQUENCE {
certificationRequestInfo CertificationRequestInfo, # 证书的请求信息
signatureAlgorithm AlgorithmIdentifier, # 签名算法
signature BIT STRING # 签名信息
}

3.3.2 CertificationRequestInfo结构:

CertificationRequestInfo ::= SEQUENCE{
version INTEGER { v1(0) } (v1,...),
subject Name,
subjectPKInfo SubjectPublicKeyInfo,
attributes [0] Attributes
  • version: 表示 PKCS#10 标准的版本号;
  • subject : 表示服务器主体的可分辨名称DN,最重要的是CN值,表示证书需要包含的域名,可以包含多个;
  • subjectPKInfo: 服务器密钥对的公钥,可以是RSA公钥或ECDSA公钥。服务器主体使用该密钥对的私钥对certificationRequestInfo进行数字签名最终生成CSR文件。

3.3.3 CSR生成过程

  1. 服务器主体生成一对密钥对,如RSA密钥对;
  2. 生成CertificationRequestInfo结构体,主要包含域名、公钥;
  3. 使用私钥对CertificationRequestInfo进行数字签名得到签名值;
  4. 组合CertificationRequestInfo信息和签名得到最终的CSR文件。

3.3.4 证书扩展

扩展有标准和非标准两种,每个扩展都是一个OLD ASN.1结构。每个扩展都有一个critical属性,如果该属性值为true,CA必须严格处理。

3.3.5 证书分类

根据验证模式分类
  • DV(Domain Validated)证书:最常见的一种证书类型,CSR包含域名信息,CA检验域名所有权,如果通过审核,申请者就有权申请该域名的证书。校验方式有DNS TXT记录方式、服务器放置特殊文件方式。
  • OV(Organization Validated)证书:CA机构对申请者的身份进行严格的审核,确保申请者的身份是真实的。申请时间比DV证书要长。
  • EV(Extended Validation)证书:对申请者进行更严格的审核。

根据域名分类

  • 单域名证书
  • 泛域名证书
  • SAN(Subject Alternative Names)证书,可以把多个不同的注册域名合并到一张证书。
  • SAN泛域名证书。

四、 证书链

1. 证书类型

(1) 在Chrome中看CSDN的证书:

HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_服务器_09

  1. 服务器实体在配置HTTPS的时候,不只是配置服务器实体证书,还涉及其它证书;
  2. 证书链的理解:
  • DigiCert信任了GeoTrust RSA CA 2018
  • GeoTrust RSA CA 2018信任了*.csdn.net

上面证书类型分为了:

  • 服务器实体证书
  • 中间证书
  • 根证书:自签名证书,位于证书链中的最顶端。

在使用Certbot客户端工具生成的证书中,fullchain.pem包含了cert.pem和chain.pem文件的内容,构成了完整的证书链。cert.pem在fullchain.pem文件的最顶端。
根证书预嵌入到了浏览器中,配置Nginx和Apache的时候,只需要fullchain.pem,不需要包含根证书。

(2) 使用openssl命令查看网站证书情况

openssl s_client -connect www.csdn.net:443 | openssl x509 -noout -subject -issuer

HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_服务器_10
与上图Chrome查看证书情况可以对照查看。

2. 信任链校验

  1. 浏览器连接至一个https网站
  2. 服务器发完整证书给浏览器,如fullchain.pem。对X.509标准来说,服务器应该发送完整的证书链(不包含根证书)。如果发送的证书不完整,客户端可以找到所有的证书链,但有的浏览器可能不会这样做,造成不兼容。
    通过服务器实体证书找到完整证书链的方法,从中解析CA密钥标识符,进而获取上一级中间证书文件,通过中间证书的CA密钥标识符继续向上找到根证书。
  3. 校验证书链关系
    浏览器要信任每张证书,必须确保每个证书(除了根证书)的签发者都是它的上一级证书的使用者(subject)。如果不符合,证书校验就会失败。

3. 根证书

Linux各个发行版中,OpenSSL库会集成根证书

openssl version -a

HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_证书链_11

windows

在​​HKEY_CURRENT_USER​​​注册表管理根证书
windows的证书可视化管理工具:​​​certmgr.msc​

Mozilla

在NSS底层独立维护了可信任的根证书库。

五、CRL 证书吊销列表

CRL(Certificate Revocation List),是PKI技术的重要组成部分。CRL是TLS/SSL协议的一部分,X.509 V2 标准定义了CRL的语法和语义信息,CRL结构类似于证书,也使用ASN.1 结构来解释其含义。

六、OCSP

CRL正逐步被OCSP替代(在线证书状态协议,Online Certificate Status Protocol),定义在RF6960文档中,主要目的是为了替换CRL,更好地核实证书的使用。

七、证书格式

1. DER

ASN.1是一种抽象的数据结构,描述了复杂的对象。证书本质是一个文件,要通过一个规则把ASN.1转换为二进制文件。 在X.509证书中,使用的编码方式是 Distinguished Encoding Rules(DER)。

2. BER

Basic Encoding Rules(BER)是DER的一个子集。

3. CER

CER是另一种编码标准,用来编码ASN.1结构

4. PEM

DER是个二进制文件,为了方便传输,可以将DER转换为PEM(Privacy enhanced Electronic mail)格式。 PEM是Base64编码方式,以:
​​​-----BEGIN CERTIFICATE-----​​​ 开头,
​​​-----END CERTIFICATE-----​​ 结尾。

5. 编码转换

PEM转为DER

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

DER转为PEM

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

6. 其它的证书格式

7.6.1 PKCS#12(后缀.pkcs12 .pfx .p12)

非对称加密的一种格式,微软推出。PKCS#12把证书和密钥对打包成一个文件,还可以再对文件进行加密保护。
通过OpenSSL pkcs12子命令将密钥对(privkey.pem)、服务器实体证书(cert.pem)、中间证书(chain.pem)转换成一个文件:

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

生成 cert.pfx时会提示进行口令保护。可以再使用命令从pfx中再导出密钥对和证书:

# 导出密钥对
openssl pkcs12 -in cert.pfx -nodes -nocerts -out new_privkey.pem
# 导出服务器实体证书
openssl pkcs12 -in cert.pfx -nodes -clcerts -out new_cert.pem
# 导出中间证书
openssl pkcs12 -in cert.pfx -nodes -cacerts -out new_chain.pem

7.6.2 PKCS#7

主要用来进行数字签名和数据加密,文件后缀一般是.p7b或.p7c,使用OpenSSL crl2pkcs7进行操作。

# 生成 cert.p7b
openssl crl2pkcs7 -nocrl -certfile cert.pem -certfile chain.pem -out cert.p7b
# 导出完整证书链文件,服务器实体证书在文件顶部,中间证书在文件底部
openssl pkcs7 -print_certs -in cert.p7b -out fullchain.cer

7.6.3 JKS

Java支持的符合X.509的证书格式。

7.6.4 BKS

BouncyCastleProvider,它使用的也是TripleDES来保护密钥库中的Key,它能够防止证书库被不小心修改(Keystore的keyentry改掉1个bit都会产生错误),BKS能够跟JKS互操作。
由于安卓无法直接支持jks的证书库,在安卓下一般需要使用BKS类型证书。

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文件内容:

openssl req -in mykey_csr.pem -noout -text

HTTPS安全通讯 3. 证书概念及openssl命令_证书链_12
其中:

  • Subject Public Key Info : 生成的公钥,包含了e和n等RSA信息
  • Signature Algorithm 表示签名算法和签名值。

7.7.2 校验CSR签名

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

八、导入根证书

更新根证书库,一般原因:

  • 有新成立了一个CA机构,要导入到根证书库中
  • 自签名了一个证书,要导入根证书库
  • 系统根证书库太旧
    Linux下 命令行update-ca-certificates可以用来同步证书。
    windows下可以双击.cer文件弹出安装证书界面。

本文没有使用keytool工具,后面会使用keytool工具进行测试。