HTTPS安全通訊 3. 證書概念及openssl指令

HTTPS安全通訊 3. 證書概念與使用

一、建構HTTPS網站

1. 獲驗證書和密鑰對

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 使用Let's Encrypt證書

2. 部署證書和密鑰對

1.2.1 Nginx 下部署
1.2.2 Apache

3. 測試https

1.3.1 使用curl
1.3.2 使用Chrome開發者工具
1.3.3 301重定向
1.3.4 HSTS
1.3.5 CSP

4. OpenSSL的線上工具

1.4.1 生成CSR
1.4.2 CSR 分析

二、PKI

X.509

三、證書

1. ASN.1
2. 證書結構

3.2.1 證書的主要結構：
3.2.2. `TBSCertificate`結構：
3.2.3 簽名算法
3.2.4 issuer 示例
3.2.5 validity

3. CSR

3.3.1 CSR也采用ASN.1标準描述，整體格式是：
3.3.2 CertificationRequestInfo結構：
3.3.3 CSR生成過程
3.3.4 證書擴充
3.3.5 證書分類

根據驗證模式分類

根據域名分類

四、證書鍊

1. 證書類型

(1) 在Chrome中看CSDN的證書：
(2) 使用openssl指令檢視網站證書情況

2. 信任鍊校驗
3. 根證書

Linux各個發行版中，OpenSSL庫會內建根證書
windows
Mozilla

五、CRL 證書吊銷清單
六、OCSP
七、證書格式

1. DER
2. BER
3. CER
4. PEM
5. 編碼轉換
6. 其它的證書格式

7.6.1 PKCS#12(字尾.pkcs12 .pfx .p12)
7.6.2 PKCS#7
7.6.3 JKS
7.6.4 BKS

7. CSR管理

7.7.1 檢視CSR
7.7.2 校驗CSR簽名

八、導入根證書

一、建構HTTPS網站

1. 獲驗證書和密鑰對

1.1.1 自簽名證書

當浏覽器發現證書是自簽名的，會提示使用者是否信任該證書。一般企業内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，其中包含了伺服器的密鑰對，CA機構收到請求後會驗證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資訊：Common Name。

第2步生成自簽名證書

就是模拟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

即簽名後的證書：

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，如一些雲廠商。

證書申請的方式：

向CA發送CSR；
CA統一生成證書和密鑰對，但洩露了自己的私鑰。

申請時，CA機構通過DNS TXT記錄或伺服器上一個特殊的txt檔案來校驗域名所有者。

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援，它定義了ACME協定，将管理證書的流程進行了标準化。

可以使用基于ACME協定的用戶端在Let’s Encrypt管理證書，官方推薦Certbot用戶端。

# 下載下傳Certbot用戶端
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

運作結束在/etc/letsencrypt/live/www.mydomain.com下生成4個檔案，最重要的是：

fullchain.pem 完整證書鍊
privkey.pem 私鑰

另外還有：
cert.pem
chain.pem

webroot

插件用來校驗申請者身份，該指令需要在mydomain主機上運作，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 / {
                #檔案夾
                root /usr/local/service/ROOT;
                #首頁檔案
                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 "" --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頁面能通路到，可以設定301重定向，将http轉向https。

POST請求不支援301重定向。

1.3.4 HSTS

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

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

在接下來的31536000秒内，浏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，浏覽器會強上停止通路，不會出現讓使用者選擇信任或不信任的彈出視窗。

1.3.5 CSP

CSP指的是内容安全政策，為了緩解很大一部分潛在的跨站腳本問題，浏覽器的擴充程式系統引入了内容安全政策（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';">

4. OpenSSL的線上工具

myssl.cn是DigiCert官方授權的中國區合作夥伴，線上提供了一些ssl工具，下面提供兩個示例：

1.4.1 生成CSR

https://www.myssl.cn/tools/create-csr.html

1.4.2 CSR 分析

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，用于向用戶端提供可信的伺服器身份認證。

X.509

PKI的标準規定PKI的設計、實施和營運，PKI事實上的标準是X.509。

X.509來自于國際電信聯盟電信标準（ITU-T）的X.500标準，發展主要曆史：

X.209 1988
X.500 1993，ISO組織接受的目錄服務系統标準，定義了一個機構如何在全局範圍内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）可以提供這些域内的使用者和資源資訊。在PKI體系中，X.500被用來惟一辨別一個實體，該實體可以是機構、組織、個人或一台伺服器。X.500被認為是實作目錄服務的最佳途徑，但X.500的實作需要較大的投資，并且比其他方式速度慢;而其優勢具有資訊模型、多功能和開放性。
X.509 1993 由國際電信聯盟（ITU-T）制定的數字證書标準，最初版本公布于1988年。X.509證書由使用者公共密鑰和使用者辨別符組成。此外還包括版本号、證書序列号、CA辨別符、簽名算法辨別、簽發者名稱、證書有效期等資訊。這一标準的最新版本是X.509 v3。

三、證書

對HTTPS通訊來說，核心是了解證書。

證書主要包括：簽名、伺服器實體資訊、CA機構資訊。

1. ASN.1

ASN.1是資料結構描述語言，由ITU-T定義的标準，用來結構化描述證書。它有兩部分：

ISO 8824/ITU X.208 描述資訊内的資料、資料類型及序列格式，也就是資料的文法；
ISO 8825/ITU X.209 描述如何将各部分資料組成消息，也就是資料的基本編碼規則。

X.509定義了證書應該包含的内容，而ASN.1是具體的資料結構。

ASN.1 原來是X.409的一部分，後來獨立出來成為一個标準，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, -- 證書版本号
  serialNumber CertificateSerialNumber,    -- 證書序列号，對同一CA所頒發的證書，序列号唯一辨別證書
  signature AlgorithmIdentifier,           --證書簽名算法辨別
  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)，隻在證書版本2、3中才有
  subjectUniqueID [2] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL,  -- 證書主體ID(可選)，隻在證書版本2、3中才有
  extensions [3] EXPLICIT Extensions OPTIONAL              -- 證書擴充段（可選），隻在證書版本3中才有
}

3.2.3 簽名算法

簽名算法辨別符

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

伺服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）檔案，即證書簽名請求檔案，把這個CSR檔案發給CA機構。

CA機構使用其根證書私鑰簽名就生成了證書公鑰檔案，也就是頒發給使用者的證書。

CSR檔案包括兩部分：

生成證書必須的資訊，如域名、公鑰
伺服器實體的證明材料

3.3.1 CSR也采用ASN.1标準描述，整體格式是：

CertificationRequest ::= SEQUENCE {
    certificationRequestInfo  CertificationRequestInfo,   # 證書的請求資訊
    signatureAlgorithm          AlgorithmIdentifier,      # 簽名算法
    signature                         BIT STRING          # 簽名資訊
}

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 标準的版本号；
subject ：表示伺服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：伺服器密鑰對的公鑰，可以是RSA公鑰或ECDSA公鑰。伺服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檔案。

3.3.3 CSR生成過程

伺服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資訊和簽名得到最終的CSR檔案。

3.3.4 證書擴充

擴充有标準和非标準兩種，每個擴充都是一個OLD ASN.1結構。每個擴充都有一個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包含域名資訊，CA檢驗域名所有權，如果通過稽核，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、伺服器放置特殊檔案方式。
OV（Organization Validated）證書：CA機構對申請者的身份進行嚴格的稽核，確定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稽核。

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、證書鍊

1. 證書類型

(1) 在Chrome中看CSDN的證書：

伺服器實體在配置HTTPS的時候，不隻是配置伺服器實體證書，還涉及其它證書；
證書鍊的了解：

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：

伺服器實體證書
中間證書
根證書：自簽名證書，位于證書鍊中的最頂端。

在使用Certbot用戶端工具生成的證書中，fullchain.pem包含了cert.pem和chain.pem檔案的内容，構成了完整的證書鍊。cert.pem在fullchain.pem檔案的最頂端。

根證書預嵌入到了浏覽器中，配置Nginx和Apache的時候，隻需要fullchain.pem，不需要包含根證書。

(2) 使用openssl指令檢視網站證書情況

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

與上圖Chrome檢視證書情況可以對照檢視。

2. 信任鍊校驗

浏覽器連接配接至一個https網站
伺服器發完整證書給浏覽器，如fullchain.pem。對X.509标準來說，伺服器應該發送完整的證書鍊（不包含根證書）。如果發送的證書不完整，用戶端可以找到所有的證書鍊，但有的浏覽器可能不會這樣做，造成不相容。

通過伺服器實體證書找到完整證書鍊的方法，從中解析CA密鑰辨別符，進而擷取上一級中間證書檔案，通過中間證書的CA密鑰辨別符繼續向上找到根證書。
校驗證書鍊關系

浏覽器要信任每張證書，必須確定每個證書（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庫會內建根證書

openssl version -a

windows

在

HKEY_CURRENT_USER

系統資料庫管理根證書

windows的證書可視化管理工具：

certmgr.msc

Mozilla

在NSS底層獨立維護了可信任的根證書庫。

五、CRL 證書吊銷清單

CRL（Certificate Revocation List），是PKI技術的重要組成部分。CRL是TLS/SSL協定的一部分，X.509 V2 标準定義了CRL的文法和語義資訊，CRL結構類似于證書，也使用ASN.1 結構來解釋其含義。

六、OCSP

CRL正逐漸被OCSP替代（線上證書狀态協定，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是一種抽象的資料結構，描述了複雜的對象。證書本質是一個檔案，要通過一個規則把ASN.1轉換為二進制檔案。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是另一種編碼标準，用來編碼ASN.1結構

4. PEM

DER是個二進制檔案，為了友善傳輸，可以将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 -in cert.der -inform DER -out cert.pem -outform PEM

6. 其它的證書格式

7.6.1 PKCS#12(字尾.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檔案，還可以再對檔案進行加密保護。

通過OpenSSL pkcs12子指令将密鑰對(privkey.pem)、伺服器實體證書(cert.pem)、中間證書(chain.pem)轉換成一個檔案：

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

生成 cert.pfx時會提示進行密碼保護。可以再使用指令從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
# 導出伺服器實體證書
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資料加密，檔案字尾一般是.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
# 導出完整證書鍊檔案，伺服器實體證書在檔案頂部，中間證書在檔案底部
openssl pkcs7 -print_certs -in cert.p7b -out fullchain.cer

7.6.3 JKS

Java支援的符合X.509的證書格式。

7.6.4 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都會産生錯誤），BKS能夠跟JKS互操作。

由于安卓無法直接支援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 檢視CSR

前面使用OpenSSL指令生成了CSR檔案，下面使用指令檢視CSR檔案内容：

openssl req -in mykey_csr.pem -noout -text

Subject Public Key Info : 生成的公鑰，包含了e和n等RSA資訊
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

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下指令行update-ca-certificates可以用來同步證書。

windows下可以輕按兩下.cer檔案彈出安裝證書界面。