TLS/HTTPS 证书生成与验证

最近在研究基于ssl的传输加密，涉及到了key和证书相关的话题，走了不少弯路，现在总结一下做个备忘

科普：TLS、SSL、HTTPS以及证书

不少人可能听过其中的超过3个名词，但它们究竟有什么关联呢？

• TLS是传输层安全协议（Transport Layer Security）的缩写，是一种对基于网络的传输的加密协议，可以在受信任的第三方公证基础上做双方的身份认证。TLS可以用在TCP上，也可以用在无连接的UDP报文上。协议规定了身份认证、算法协商、密钥交换等的实现。
• SSL是TLS的前身，现在已不再更新
• HTTPS是在基于TLS/SSL的安全套接字上的的应用层协议，除了传输层进行了加密外，其它与常规HTTP协议基本保持一致
• 证书是TLS协议中用来对身份进行验证的机制，是一种数字签名形式的文件，包含证书拥有者的公钥及第三方的证书信息。

证书分为2类：自签名证书和CA证书。一般自签名证书不能用来进行身份认证，如果一个server端使用自签名证书，client端要么被设置为无条件信任任何证书，要么需要将自签名证书的公钥和私钥加入受信任列表。但这样一来就增加了server的私钥泄露风险。

TLS基于CA的身份认证基本原理是：首先验证方需要信任CA提供方自己的证书(CAcert)，比如证书在操作系统的受信任证书列表中，或者用户通过“安装根证书”等方式将 CA的公钥和私钥加入受信任列表；然后CA对被验证方的原始证书进行签名（私钥加密），生成最终的证书；验证方得到最终的证书后，利用CAcert中包含的公钥进行解密，得到被验证方的原始证书。

根据RSA的加密原理，如果用CA的公钥解密成功，说明该证书的确是用CA的私钥加密的，可以认为被验证方是可信的。

下面我们以客户端单方对服务器端进行身份认证场景，来讲解如何做证书的生成。

证书的生成

证书的生成可以用linux的OpenSSL工具链。对于一个网站，首先必须有自己的私钥，私钥的生成方式为：

openssl genrsa -out ssl.key 

私钥必须妥善保管，既不能丢失，也不能泄露。如果发生丢失和泄露，必须马上重新生成，以使旧的证书失效。

如果要对私钥进行传输/备份，建议先对私钥进行密码加密：

openssl rsa -in ssl.key -des3 -out encrypted.key

利用私钥就可以生成证书了。OpenSSL使用x509命令生成证书。这里需要区分两个概念：证书(certificate)和证书请求(certificate sign request)

• 证书是自签名或CA签名过的凭据，用来进行身份认证
• 证书请求是对签名的请求，需要使用私钥进行签名

x509命令可以将证书和证书请求相互转换，不过我们这里只用到从证书请求到证书的过程

从私钥或已加密的私钥均可以生成证书请求。生成证书请求的方法为：

openssl req -new -key ssl.key -out ssl.csr

如果私钥已加密，需要输入密码。req命令会通过命令行要求用户输入国家、地区、组织等信息，这些信息会附加在证书中展示给连接方。

接下来用私钥对证书请求进行签名。根据不同的场景，签名的方式也略有不同

自签名，生成私有证书

自签名的原理是用私钥对该私钥生成的证书请求进行签名，生成证书文件。该证书的签发者就是自己，所以验证方必须有该证书的私钥才能对签发信息进行验证，所以要么验证方信任一切证书，面临冒名顶替的风险，要么被验证方的私钥（或加密过的私钥）需要发送到验证方手中，面临私钥泄露的风险。

当然自签名也不是一无用处，比如需要内部通讯的两台电脑需要使用加密又不想用第三方证书，可以在两端使用相同的私钥和证书进行验证（当然这样就跟对称加密没有区别了）

自签名的方法为：

openssl x509 -req -in ssl.csr -signkey ssl.key -out ssl.crt

同样如果ssl.key已加密，需要输入密码。

自签名，生成CA证书

CA证书是一种特殊的自签名证书，可以用来对其它证书进行签名。这样当验证方选择信任了CA证书，被签名的其它证书就被信任了。在验证方进行验证时，CA证书来自操作系统的信任证书库，或者指定的证书列表。

生成自签名证书的方法为：

openssl x509 -req -in sign.csr -extensions v3_ca -signkey sign.key -out sign.crt

利用CA证书进行签名

使用CA证书对其它证书进行签名的方法为：

openssl x509 -req -in ssl.csr -extensions v3_usr -CA sign.crt -CAkey sign.key -CAcreateserial -out ssl.crt

花钱购买证书机构的签名

利用上述方法，受信任的机构就可以用自己的私钥(sign.key)对其他人的证书进行签名。我们看到，只需要把证书请求(ssl.csr)发给证书机构，证书机构就可以生成出签名过的证书(ssl.crt)。目前购买证书签名服务的价格大约为100-400元/年。

可选的证书机构有：godaddy startssl namecheap

证书/私钥格式

openssl默认使用PEM格式(形如-----BEGIN CERTIFICATE----- ... ... -----END CERTIFICATE---)存放证书和私钥，nginx/node.js可以使用该格式启动服务。

但使用tomcat或java客户端/android时，不能使用该格式的证书。jdk中包含了一个keytool命令，可以完成整个的证书生成过程，不过这里我们只用openssl工具也可以完成java的支持，即使用PKCS12格式对证书进行打包。

PKCS12格式文件，可以包含多个证书/私钥对，指定多个受信任的server（也可以不包含证书），每个server有一个alias name。我们来看最简单的只包含一个alias的文件生成：

openssl pkcs12 -export -in sign.crt -inkey sign.key -out sign.p12

上面的命令将CA证书及其私钥导出为sign.p12文件，导出时需要指定一个密码。

java客户端程序中对p12文件进行信任

如果我们的服务器使用了自己创建的CA证书签名的证书，或者使用了自签名证书，客户端在使用ssl时，需要将导出的证书文件加入到信任列表中。下面是一段导入证书的示例代码：

 javax.net.SocketFactory initSSLSocketFactory(InputStream keyin, char[] password) throws Exception {
         java.security.KeyStore keyStore = java.security.KeyStore.getInstance("PKCS12");
         keyStore.load(keyin, password);
         keyin.close();

         javax.net.ssl.TrustManagerFactory trustManagerFactory = javax.net.ssl.TrustManagerFactory.getInstance(javax.net.ssl.TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());
         trustManagerFactory.init(keyStore);

         javax.net.ssl.SSLContext sslContext = javax.net.ssl.SSLContext.getInstance("SSL");

         sslContext.init(null, trustManagerFactory.getTrustManagers(), null);

         return sslContext.getSocketFactory();
 }

我们得到了一个SocketFactory，可以用它来初始化ssl/https连接。