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细说 CA 和证书

發布時間：2023/12/9 编程问答 43 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了细说 CA 和证书小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

CA，Catificate Authority，它的作用就是提供證書（即服務器證書，由域名、公司信息、序列號和簽名信息組成）加強服務端和客戶端之間信息交互的安全性，以及證書運維相關服務。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，能夠受瀏覽器默認信任的 CA 大廠商有很多，其中 TOP5 是 Symantec、Comodo、Godaddy、GolbalSign 和 Digicert。

服務器證書分類

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DVOVEV舉例

支持		不支持
支持
支持		不支持
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 證書，其加密效果都是一樣的！?它們的區別在于：

DV（Domain Validation），面向個體用戶，安全體系相對較弱，驗證方式就是向 whois 信息中的郵箱發送郵件，按照郵件內容進行驗證即可通過；
OV（Organization Validation），面向企業用戶，證書在 DV 證書驗證的基礎上，還需要公司的授權，CA 通過撥打信息庫中公司的電話來確認；
EV（Extended Validation），打開 Github 的網頁，你會看到 URL 地址欄展示了注冊公司的信息，這會讓用戶產生更大的信任，這類證書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 證書相當昂貴，使用方可以為這些頒發出來的證書買保險，一旦 CA 提供的證書出現問題，一張證書的賠償金可以達到 100w 刀以上。

CA 的作用

前文?HTTPS證書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書，如果使用的證書沒有簽證，或者未在瀏覽器受信的 CA 簽證，你會看到下圖的問題：

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

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：

從上面幾張圖，可以大致了解 CA 和證書會做哪些事情，證書由域名、公司信息、序列號和簽名信息組成，當我們通過 HTTPS 訪問頁面時，瀏覽器會主動驗證證書信息是否匹配，也會驗證證書是否有效。

CA 有權給所有的域名簽發證書，如它可以私自給我的網站簽發一張?www.barretlee.com的證書，并且可以拿著新證書攔截網頁流量（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，對擁新證書的人來說，我的網站等同于在 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 都沒有提供證書吊銷的服務，這一點對于安全性要求很高的企業來說是完全不能接受的，那么對 CA 供應商的評估需要注意寫什么呢？

1. 內置根

所謂內置根，就是 CA 的根證書內置到各種通用的系統/瀏覽器中，只有根證書的兼容性夠強，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么漏洞，比如之前的 DigiNotar，被伊朗入侵，簽發了 500 多張未授權的證書，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. 核心功能和擴展功能

這就需要從業務上考慮了，不同的規模的企業、不同的業務對證書的要求不一樣，比如證書是否會考慮無 SNI 支持的瀏覽器問題，是否支持在 reissue 的時候添加域名，是否支持 CAA，是否支持短周期證書等等。

4. 價格

企業完全沒必要購買 Github 那樣的 EV 證書，太昂貴，而且一般的企業也未必能夠申請到這樣的證書。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書的命令行工具，其中一些可以用來自建 Root CA。

很多網站都希望用戶知道他們建立的網絡通道是安全的，所以會想 CA 機構購買證書來驗證 domain，所以我們也可以在很多 HTTPS 的網頁地址欄看到一把小綠鎖。

然而在一些情況下，我們沒必要去 CA 機構購買證書，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書，這個時候自建 Root CA，給自己頒發證書就顯得很有價值了。

本節內容較多，主要是代碼演示生成證書和驗證的過程，可以跳過看下一節，直接看?這里：

git clone //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書的文件夾，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。

創建 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 不會直接為服務器或者客戶端簽證，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 的代表為服務器和客戶端簽證。

注意：一定要在絕對安全的環境下創建 root pair，可以斷開網絡、拔掉網線和網卡，當然，如果是測試玩一玩就不用這么認真了。

設定文件夾結構，并且配置好 openssl 設置：

$ cd /root/ca $ mkdir certs crl newcerts private $ chmod 700 private $ touch index.txt $ echo 1000 > serial $ wget -O /root/ca/openssl.cnf \ //raw.githubusercontent.com/barretlee/autocreate-ca/master/cnf/root-ca

創建 root key，密碼可為空，設定權限為只可讀：

$ cd /root/ca $ openssl genrsa -aes256 -out private/ca.key.pem 4096Enter pass phrase for ca.key.pem: secretpassword Verifying - Enter pass phrase for ca.key.pem: secretpassword$ chmod 400 private/ca.key.pem

創建 root cert，權限設置為可讀：

$ 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.pemEnter 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

驗證證書：

$ 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:e2:12:5dSignature Algorithm: sha256WithRSAEncryptionIssuer: C=CN, ST=Zhejiang, O=Barret Lee, OU=Barret Lee Certificate Authority, CN=Barret Lee Root CAValidityNot Before: Apr 23 05:46:36 2016 GMTNot After : Apr 18 05:46:36 2036 GMTSubject: C=CN, ST=Zhejiang, O=Barret Lee, OU=Barret Lee Certificate Authority, CN=Barret Lee Root CASubject Public Key Info:Public Key Algorithm: rsaEncryptionRSA 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:C8:03X509v3 Authority Key Identifier:keyid:E5:2D:B8:2B:DC:88:FE:CE:DA:93:D8:6F:2E:74:04:D2:39:E7:C8:03X509v3 Basic Constraints: criticalCA:TRUEX509v3 Key Usage: criticalDigital Signature, Certificate Sign, CRL SignSignature Algorithm: sha256WithRSAEncryption// ...

包含：

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

創建 intermediate pair

目前我們已經擁有了 Root Pair，事實上已經可以用于證書的發放了，但是由于根證書很干凈，特別容易被污染，所以我們需要創建中間 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，這里的配置是針對 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 \//raw.githubusercontent.com/barretlee/autocreate-ca/master/cnf/intermediate-ca

創建 intermediate key，密碼可為空，設定權限為只可讀：

$ cd /root/ca $ openssl genrsa -aes256 \-out intermediate/private/intermediate.key.pem 4096Enter pass phrase for intermediate.key.pem: secretpassword Verifying - Enter pass phrase for intermediate.key.pem: secretpassword$ chmod 400 intermediate/private/intermediate.key.pem

創建 intermediate cert，設定權限為只可讀，這里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.pemEnter 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?擴展簽名，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.pemEnter 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?中將會多出這么一條記錄：

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.pemintermediate.cert.pem: OK

瀏覽器在驗證中間證書的時候，同時也會去驗證它的上一級證書是否靠譜，創建證書鏈，將 root cert 和 intermediate cert 合并到一起，可以讓瀏覽器一并驗證：

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

創建服務器/客戶端證書

終于到了這一步，生成我們服務器上需要部署的內容，上面已經解釋了為啥需要創建中間證書。root pair 和 intermediate pair 使用的都是 4096 位的加密方式，一般情況下服務器/客戶端證書的過期時間為一年，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

創建?www.barretlee.com?的證書：

$ 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.pemEnter 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 簽證上面證書：

$ 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

驗證證書：

$ 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.pemwww.barretlee.com.cert.pem: OK

此時我們已經拿到了幾個用于部署的文件：

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

添加信任 CA 和證書的調試

雙擊?/root/ca/intermediate/certs/ca-chain.cert.pem?將證書安裝到系統中，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。

上面申請測試證書時，我設置的 Common Name 為?www.barretlee.com，由于不在線上機器測試，可以將其添加到 hosts：

127.0.0.1 www.barretlee.com

執行下方測試代碼：

// 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' // 如果生成證書的時候設置了密碼，請添加改參數和密碼 };https.createServer(options, function(req, res) {res.writeHead(200);res.end('hello world'); }).listen(8000, function(){console.log('Open URL: //www.barretlee.com:8000'); });

可以看到這樣的效果：

查看證書的詳細信息：

回到最初的問題：

一般公司內網的電腦都會強制安裝一些安全證書，此時就可以把我們自建自簽名的證書導入/引導安裝到用戶的電腦中啦~

無 SNI 支持問題

很多公司由于業務眾多，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，然后統一將流量/請求分發到后端，此時就會面臨一個問題：由于 TLS/SSL 在 HTTP 層之下，客戶端和服務器握手的時候還拿不到 origin 字段，所以服務器不知道這個請求是從哪個域名過來的，而服務器這邊每個域名都對應著一個證書，服務器就不知道該返回哪個證書啦。

SNI 就是用來解決這個問題的，官方解釋是

然后有將近 25% 的瀏覽器不支持該字段的擴展，這個問題有兩個通用解決方案：

使用 VIP 服務器，每個域名對應一個 VIP，然后 VIP 與統一接入服務對接，通過 ip 來分發證書，不過運維成本很高，可能也需要大量的 VIP 服務器
采用多泛域名，將多個泛域名證書打包進一個證書，可以看看淘寶頁面的證書

它的缺點是每次添加域名都需要更新證書。

幾個細節知識點

1. 證書選擇

證書有多張加密方式，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，客戶端會向服務器端?say hello，這個時候會告訴服務器，它支持哪些算法，此時服務器可以將最適合的證書發給客戶端。

2. 證書的吊銷

CA 證書的吊銷存在兩種機制，一種是在線檢查，client 端向 CA 機構發送請求檢查 server 公鑰的靠譜性；第二種是 client 端儲存一份 CA 提供的證書吊銷列表，定期更新。前者要求查詢服務器具備良好性能，后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采用第一種方案。

大部分 CA 并不會提供吊銷機制（CRL/OCSP），靠譜的方案是為根證書提供中間證書，一旦中間證書的私鑰泄漏或者證書過期，可以直接吊銷中間證書并給用戶頒發新的證書。中間證書的簽證原理于上上條提到的原理一樣，中間證書還可以產生下一級中間證書，多級證書可以減少根證書的管理負擔。

很多 CA 的 OCSP Server 在國外，在線驗證時間比較長，如果可以聯系 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：