玩转 SSL 证书

2023-05-16

Introduction

Openssl 是一个很牛逼的工具，基本能搞定 PKI & HTTPS 证书相关的事情。这篇博文归类了一堆常用的命令，全部都是关于 key & csr & crt。

本文分成两部分，第一部分对 SSL/TLS 证书最核心的几个名词概念，第二部分则是一系列 openssl 常用命令。

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Key, CSR, CRT, CA 都是什么？

什么是 KEY、CRT ？

KEY 是指密钥，通过一定长度的随机数，经过指定的加密算法处理，得到后的一个文本密钥文件。文件中既包含了公钥 Publib Key & Private key 两个部分。

密钥文件包含 PRIVATE KEY 字符，格式如下（例子中采用 RSA 算法加密）：

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
...............
-----END RSA PRIVATE KEY-----

CRT 是指证书，其与 KEY 是一对的。KEY 密钥文件需要严格保密，而 CRT 证书文件却是公开的。以 PC 浏览器上网为例，浏览器通过向服务器 (如 https://github.com) 索取其 server.crt 证书，然后与浏览器内置的受信的 ca.crt 证书进行验证。如果校验成功，则浏览器会提示网站通过 https 连接是安全的。

证书文件包含 CERTIFICATE 字符，格式如下：

-----BEGIN CERTIFICATE-----
...............
-----END CERTIFICATE-----

什么是 CSR ？

如果你想要一个 CA (Certificate Authority) 认证机构为你颁发CRT 证书的话，那你需要先提供一个 CSR 请求文件。这个 CSR 请求文件中，会包含 Public Key 公钥，以及一些申请者信息 (DN Distingusied Name)。

DN 信息中最最重要的部分，就是 Common Name (CN)，这个成员需要与后续安放 CRT 证书的服务器，其主机域名 Fully Qualified Domain Name (FQDN) 完全一致才行。
请求文件包含 CERTIFICATE REQUEST 字符，格式如下

-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
...............
-----END CERTIFICATE REQUEST-----

什么是 CA ？

CA 全称为 Certificate Authotiry，证书授权中心，又被成为根证书。它类似于工商管理局，给公司企业颁发营业执照的。它主要有两大主要特性：

CA 本身是受国际认可，受信任的
CA 需要给它受信任的对象颁发证书

证书长啥样？其实你的电脑中有一堆 CA 证书。你可以看一看：

Chrome 浏览器：设置 -> 高级 -> 管理证书 -> 授权中心
Ubuntu: /etc/ssl/certs

CA 的证书 ca.crt 与 SSL Server 的证书 Server.crt 是什么关系呢？

SSL Server 自己生成一个密钥 KEY，内置包含 Private Key/Public Key，私钥加密，公钥解密；
Server 利用密钥生成一个请求文件 server.csr，请求文件中包含有 Server 的一些信息，如域名/申请者/公钥等；
Server 将请求文件 server.csr 递交给 CA，然后 CA 对其验明正身后，将用 ca.key 和 server.csr 加密生成 server.crt 证书；
由于 ca.key 和 ca.crt 是一对，于是以后客户端通过使用 ca.crt 就可以解密认证 server.crt 证书了。

在实际应用中：如果 SSL Client 想要校验 SSL server。那么 SSL server 必须要将他的证书 server.crt 传给 client。然后 client 用 ca.crt 去校验 server.crt 的合法性。如果是一个钓鱼网站，那么 CA 是不会给他颁发合法 server.crt 证书的，这样 client 用 ca.crt 去校验，就会失败。比如浏览器作为一个 client，你想访问合法的淘宝网站(https://www.taobao.com，结果不慎访问到 https://wwww.jiataobao.com ，那么浏览器将会检验到这个假淘宝钓鱼网站的非法性，提醒用户不要继续访问！这样就可以保证了client的所有https访问都是安全的。

什么是 SSL/TLS 单向认证，双向认证？

单向认证，指的是只有一个对象校验对端的证书合法性。通常都是 client 来校验服务器的合法性。那么 client 需要一个 ca.crt，服务器需要 server.crt，server.key；

双向认证，指的是相互校验，服务器需要校验每个 client，client 也需要校验服务器。server 需要 server.key、server.crt、ca.crt；client 需要 client.key、client.crt、ca.crt；

Openssl 常用命令

生成 CSRs 请求文件

生成 CSR 请求文件的时候，需要填写 DN Distingusied Name 信息。openssl 默认是通过 shell 交互让用户输入，如下：

Country Name (2 letter code) [AU]: US

State or Province Name (full name) [Some-State]: New York

Locality Name (eg, city) []: Brooklyn

Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]: Example Brooklyn Company

Organizational Unit Name (eg, section) []:Technology Division

Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []: examplebrooklyn.com

Email Address []:

如果你不想通过交互的方式，来填写这些额外的信息。那则可以使用 -subj 选项，如下：

-subj "/C=US/ST=New York/L=Brooklyn/O=Example Brooklyn Company/CN=examplebrooklyn.com"

接下来的部分将会教大家如何生成与查看 CSR 文件。

产生一个新的 Private Key 和 CSR

如果你想使用 HTTPS (HTTP over TLS) 来加密你自己的 Apache HTTP or Nginx web server，并且你想通过 CA 来帮你解决 SSL 认证的问题。那采用以下命令，创建一个的密钥 (domain.key) 和一个对应的 CSR 请求文件 (domain.csr)：

openssl req \
        -newkey rsa:2048 -nodes -keyout domain.key \
        -out domain.csr

其中 -newkey rsa:2048 参数指定了密钥应该通过 RSA 算法产生，长度为 2048 bit。而 -nodes 选项指出产生的密钥不需要额外通过 password 进一步加密。-new 选项在这里是默认选项，既表明需要产生一个 CSR 请问文件。

通过已有的 Private Key 来产生 CSR

当你已经有了一个 Private Key，而且你想通过这个 Key 来向 CA 请求证书的话。那采用以下命令，通过已有的密钥 (domain.key) 来产生 CSR 文件 (domain.csr)：

openssl req \
        -key domain.key \
        -new -out domain.csr

填写完 Distingusied Name 信息后，将会得到 CSR 请求文件。其中 -key 选项是为了指明需要使用的 Existing Private Key (domain.key) ，而 -new 选项是为了表明需要产生一个 CSR 请求文件。

如果产生 CSR 请求文件，所需的 Distingusied Name 的信息以及 Private Key 密钥都不变的情况下，那最后得到的 CSR 文件内容也不会变化。不论产生多少次，或者在不同操作系统上，最后得到的 CSR 内容也完全一致。

通过已有的 CRT 和 Private Key 来产生 CSR

当你想要找 CA 更新已有的 CRT 证书的时候，当时又找不到当初的 CSR 请求文件，那你就可以采用以下命令，从 CRT 证书中提取出所需要的 Distingusied Name 信息，与 Private Key 合成出 CSR 文件。

以下命令通过已有的 Private Key (domain.key) 和 CRT 证书 (domain.crt)，来生成所需的 CSR 请求文件 (domain.csr)

openssl x509 \
        -in domain.crt \
        -signkey domain.key \
        -x509toreq -out domain.csr

其中 -x509toreq 选项既表明，想通过一个 X509 的 CRT 证书来生成一个 CSR 请求文件。

生成 CRTs 证书文件

如果你想要使用 SSL 来保证安全的连接，但是又不想去找 public CA 机构购买证书的话，那你就可以自己来生成 Self-signed Root CA 证书。

Self-signed 的证书也可以用来加密连接，只不过你的用户在访问你的网站的时候，将会提示出警告，说你的网站是不被信任的。因此当你开发的服务，并不需要提供给其他用户使用的时候 (e.g. non-production or non-public servers)，你才可以使用 Self-signed 形式的证书。

生成 Self-Signed 的证书

以下命令将会生成一个 2048-bits 的 Private Key (self-ca.key) 和 Self-Signed 的 CRT 证书 (self-ca.crt)：

openssl req \
        -newkey rsa:2048 -nodes -keyout self-ca.key \
        -x509 -days 365 -out self-ca.crt

其中-x509 选项是为了告诉 req，生成一个 self-signed 的 X509 证书。而 -days 365 表明生成的证书有效时间为 365 天。这条命令执行过程中，会产生一个临时的 CSR 文件，但执行结束后就被删除了。

通过已有的密钥 Private Key 来产生 Self-Signed 证书

以下命令是通过已有的 Private Key (self-ca.key)，来生成一个 Self-Signed 的 CRT 证书 (self-ca.crt)：

openssl req \
        -key self-ca.key
        -new \
        -x509 -days 365 -out self-ca.key

通过已有的密钥 Private Key & 请求文件 CSR 来产生 Self-Signed 证书

以下命令是通过已有的 Private Key (self-ca.key) 以及请求文件 (self-ca.csr)，来生成一个 Self-Signed 的 CRT 证书 (self-ca.crt)：

openssl x509 \
       -signkey self-ca.key \
       -in self-ca.csr \
       -req -days 365 -out self-ca.crt

通过已有的请求文件 CSR，通过 Self-Signed CA 来签发 CRT 证书

以下命令是通过已有的 Self-Signed CA 的证书 (self-ca.crt) 和密钥 (self-ca.key)，和请求文件 CSR (domain.csr) 来签发生成 CRT 证书 (domain.crt)：

openssl x509 \
        -req \
        -CAcreateserial -days 365 \
        -CA self-ca.crt -CAkey self-ca.key \
        -in nginx.csr -out nginx.crt

校验证书

Openssl 默认生成的证书相关的文件都是 PEM 格式编码的，这部分通过 openssl 命令来解析这些文件。

查看请求文件 CSR

openssl req -text -noout -verify -in domain.csr

查看证书文件 CRT

openssl x509 -text -noout -in domain.crt

校验证书文件 CRT 合法性

以下命令来校验 domain.crt 证书，是否是由 ca.crt 证书签发出来的：

openssl verify -verbose -CAFile ca.crt domain.crt

校验 Private Key & CSR & CRT 三者是否是匹配

以下命令是分别提取出 Private Key (domain.key) & CSR (domain.csr) & CRT (domain.crt) 三者中包含的 Public Key，然后通过 md5 运算检查是否一致：

openssl rsa -noout -modulus -in domain.key | openssl md5
openssl req -noout -modulus -in domain.csr | openssl md5
openssl x509 -noout -modulus -in domain.crt | openssl md5

CRT 格式转换

上面通过 X509 证书生成的证书，都是 ASCII PEM 格式进行编码的。然而证书也可以转换成其他格式，有些格式能够将 Private Key & CSR & CRT 三者全部打包在同一个文件中。

PEM 格式 vs DER 格式

The DER format is typically used with Java.

PEM 格式转成 DER 格式

openssl x509 \
        -in domain.crt \
        -outform der -out domain.der

DER 格式转成 PEM 格式

openssl x509 \
        -inform der -in domain.der \
        -out domain.crt

PEM 格式 vs PKCS7 格式

PKCS7 files, also known as P7B, are typically used in Java Keystores and Microsoft IIS (Windows). They are ASCII files which can contain certificates and CA certificates.

PEM 格式转成 PKCS7 格式

openssl crl2pkcs7 -nocrl \
        -certfile domain.crt \
        -certfile ca-chain.crt \
        -out domain.p7b

PKCS7 格式转成 PEM 格式

openssl pkcs7 \
        -in domain.p7b \
        -print_certs -out domain.crt

如果你的 PKCS7 文件中包含了多个证书文件 (e.g. domain.crt & ca.crt) ，那上面命令生成的 PEM 文件中将同时包含所有被打包的证书。

PEM 格式 vs PKCS12 格式

PKCS12 files, also known as PFX files, are typically used for importing and exporting certificate chains in Micrsoft IIS (Windows).

PEM 格式转成 PKCS12 格式

openssl pkcs12 \
        -inkey domain.key \
        -in domain.crt \
        -export -out domain.pfx

PKCS12 格式转成 PEM 格式

openssl pkcs12 \
        -in domain.pfx \
        -nodes -out domain.combined.crt

示例案例

我自己搭建的 Nginx Web Server 想要提供 HTTPS 连接方式，但是觉得不想花钱去找知名 CA 证书中心 (e.g. AWS Certificate Manager) 购买证书。于是我想通过 Self-Signed 的方式来解决我的需求：

先生成 Self-Signed CA 证书：

openssl req \
        -newkey rsa:2048 -nodes -keyout self-ca.key \
        -x509 -days 365 -out self-ca.crt

生成 Nginx Web Server 需要的 Private Key & CSR ：

openssl req \
        -newkey rsa:2048 -nodes -keyout nginx.key \
        -out nginx.csr

利用 Self-Signed CA 证书，来签发业务所需要的 CRT 证书：

openssl x509 \
        -req -in nginx.csr \
        -out nginx.crt \
        -CAcreateserial -days 365 \
        -CA self-ca.crt -CAkey self-ca.key

经过了上面 3 个步奏后，你就得到了 self-ca.crt & self-ca.key ，以及由它签发出来的 nginx.crt & nginx.key 。

如何使用上面 4 个文件：首先将 nginx.crt & nginx.key 部署在 Nginx Web Server 上，然后将 self-ca.crt 发布给客户端即可。客户端就可以通过 self-ca.crt 与业务服务器建立 SSL/TLS 安全连接。

Reference

SSL-TLS 双向认证(一) – SSL-TLS工作原理

OpenSSL Essentials: Working with SSL Certificates, Private Keys and CSRs

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