TLS/HTTPS 證書生成與驗證
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最近在研究基於ssl的傳輸加密，涉及到了key和證書相關的話題，走了不少彎路，現在總結一下做個備忘
科普：TLS、SSL、HTTPS以及證書
不少人可能聽過其中的超過3個名詞，但它們究竟有什麽關聯呢？
- TLS是傳輸層安全協議（Transport Layer Security）的縮寫，是一種對基於網絡的傳輸的加密協議，可以在受信任的第三方公證基礎上做雙方的身份認證。TLS可以用在TCP上，也可以用在無連接的UDP報文上。協議規定了身份認證、算法協商、密鑰交換等的實現。
- SSL是TLS的前身，現在已不再更新
- HTTPS是在基於TLS/SSL的安全套接字上的的應用層協議，除了傳輸層進行了加密外，其它與常規HTTP協議基本保持一致
- 證書是TLS協議中用來對身份進行驗證的機制，是一種數字簽名形式的文件，包含證書擁有者的公鑰及第三方的證書信息。
證書分為2類：自簽名證書和CA證書。一般自簽名證書不能用來進行身份認證，如果一個server端使用自簽名證書，client端要麽被設置為無條件信任任何證書，要麽需要將自簽名證書的公鑰和私鑰加入受信任列表。但這樣一來就增加了server的私鑰泄露風險。
TLS基於CA的身份認證基本原理是：首先驗證方需要信任CA提供方自己的證書(CAcert)，比如證書在操作系統的受信任證書列表中，或者用戶通過“安裝根證書”等方式將 CA的公鑰和私鑰加入受信任列表；然後CA對被驗證方的原始證書進行簽名（私鑰加密），生成最終的證書；驗證方得到最終的證書後，利用CAcert中包含的公鑰進行解密，得到被驗證方的原始證書。
根據RSA的加密原理，如果用CA的公鑰解密成功，說明該證書的確是用CA的私鑰加密的，可以認為被驗證方是可信的。
下面我們以客戶端單方對服務器端進行身份認證場景，來講解如何做證書的生成。
證書的生成
證書的生成可以用linux的OpenSSL工具鏈。對於一個網站，首先必須有自己的私鑰，私鑰的生成方式為：
openssl genrsa -out ssl.key 2048
私鑰必須妥善保管，既不能丟失，也不能泄露。如果發生丟失和泄露，必須馬上重新生成，以使舊的證書失效。
如果要對私鑰進行傳輸/備份，建議先對私鑰進行密碼加密：
openssl rsa -in ssl.key -des3 -out encrypted.key
利用私鑰就可以生成證書了。OpenSSL使用x509命令生成證書。這裏需要區分兩個概念：證書(certificate)和證書請求(certificate sign request)
- 證書是自簽名或CA簽名過的憑據，用來進行身份認證
- 證書請求是對簽名的請求，需要使用私鑰進行簽名
x509命令可以將證書和證書請求相互轉換，不過我們這裏只用到從證書請求到證書的過程
從私鑰或已加密的私鑰均可以生成證書請求。生成證書請求的方法為：
openssl req -new -key ssl.key -out ssl.csr
如果私鑰已加密，需要輸入密碼。req命令會通過命令行要求用戶輸入國家、地區、組織等信息，這些信息會附加在證書中展示給連接方。
接下來用私鑰對證書請求進行簽名。根據不同的場景，簽名的方式也略有不同
自簽名，生成私有證書
自簽名的原理是用私鑰對該私鑰生成的證書請求進行簽名，生成證書文件。該證書的簽發者就是自己，所以驗證方必須有該證書的私鑰才能對簽發信息進行驗證，所以要麽驗證方信任一切證書，面臨冒名頂替的風險，要麽被驗證方的私鑰（或加密過的私鑰）需要發送到驗證方手中，面臨私鑰泄露的風險。
當然自簽名也不是一無用處，比如需要內部通訊的兩臺電腦需要使用加密又不想用第三方證書，可以在兩端使用相同的私鑰和證書進行驗證（當然這樣就跟對稱加密沒有區別了）
自簽名的方法為：
openssl x509 -req -in ssl.csr -signkey ssl.key -out ssl.crt
同樣如果ssl.key已加密，需要輸入密碼。
自簽名，生成CA證書
CA證書是一種特殊的自簽名證書，可以用來對其它證書進行簽名。這樣當驗證方選擇信任了CA證書，被簽名的其它證書就被信任了。在驗證方進行驗證時，CA證書來自操作系統的信任證書庫，或者指定的證書列表。
生成自簽名證書的方法為：
openssl x509 -req -in sign.csr -extensions v3_ca -signkey sign.key -out sign.crt
利用CA證書進行簽名
使用CA證書對其它證書進行簽名的方法為：
openssl x509 -req -in ssl.csr -extensions v3_usr -CA sign.crt -CAkey sign.key -CAcreateserial -out ssl.crt
花錢購買證書機構的簽名
利用上述方法，受信任的機構就可以用自己的私鑰(sign.key)對其他人的證書進行簽名。我們看到，只需要把證書請求(ssl.csr)發給證書機構，證書機構就可以生成出簽名過的證書(ssl.crt)。目前購買證書簽名服務的價格大約為100-400元/年。
可選的證書機構有：godaddy startssl namecheap
證書/私鑰格式
openssl默認使用PEM格式(形如-----BEGIN CERTIFICATE----- ... ... -----END CERTIFICATE---)存放證書和私鑰，nginx/node.js可以使用該格式啟動服務。
但使用tomcat或java客戶端/android時，不能使用該格式的證書。jdk中包含了一個keytool命令，可以完成整個的證書生成過程，不過這裏我們只用openssl工具也可以完成java的支持，即使用PKCS12格式對證書進行打包。
PKCS12格式文件，可以包含多個證書/私鑰對，指定多個受信任的server（也可以不包含證書），每個server有一個alias name。我們來看最簡單的只包含一個alias的文件生成：
openssl pkcs12 -export -in sign.crt -inkey sign.key -out sign.p12
上面的命令將CA證書及其私鑰導出為sign.p12文件，導出時需要指定一個密碼。
java客戶端程序中對p12文件進行信任
如果我們的服務器使用了自己創建的CA證書簽名的證書，或者使用了自簽名證書，客戶端在使用ssl時，需要將導出的證書文件加入到信任列表中。下面是一段導入證書的示例代碼：
1 javax.net.SocketFactory initSSLSocketFactory(InputStream keyin, char[] password) throws Exception {
2 java.security.KeyStore keyStore = java.security.KeyStore.getInstance("PKCS12");
3 keyStore.load(keyin, password);
4 keyin.close();
5
6 javax.net.ssl.TrustManagerFactory trustManagerFactory = javax.net.ssl.TrustManagerFactory.getInstance(javax.net.ssl.TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());
7 trustManagerFactory.init(keyStore);
8
9 javax.net.ssl.SSLContext sslContext = javax.net.ssl.SSLContext.getInstance("SSL");
10
11 sslContext.init(null, trustManagerFactory.getTrustManagers(), null);
12
13 return sslContext.getSocketFactory();
14 }
我們得到了一個SocketFactory，可以用它來初始化ssl/https連接。
TLS/HTTPS 證書生成與驗證