SSL基础知识及Nginx/Tomcat配置SSL

HTTPS 是在 HTTPS 基础之上添加 SSL/TLS 使网络通讯加密，进而确保通信安全。可简记为 HTTPS = HTTP + SSL/TLS

本文档主要讲解常规SSL格式、Nginx 与 Tomcat 的 SSL 配置方法 及 通过 OpenSSL 转换证书格式的内容。

1. SSL 证书主流格式说明

SSL 及 TLS（新版SSL）统称 SSL 证书（又称 CA 证书、数字证书），用于数据传输过程的加密。

本质上 SSL 证书是一个 X.509 证书，是定义证书数据结构的标准。在 X.509 标准下，包含 Base64 ASCII 文本与二进制两种文件储存方式，根据使用的格式和编码，证书文件具有不同的扩展名。

下图展示了 X.509 主流证书的编码格式和文件扩展名。

对于 Nginx 和 Tomcat 最常使用的是 PEM （Nginx） 与 PKCS#12（Tomcat），除此之外 Tomcat还支持基于JDK keytool 加密的 JKS 格式。

PEM 格式

大多数 CA (证书颁发机构) 提供 PEM 格式的证书，保存在 Base64 ASCII 编码的文件中。证书文件类型可以是 .pem、.crt、.cer 或 .key。因为是文本类型，所以对文件后缀名不敏感。PEM 文件可以在单个文件中包含服务器证书、中间证书和私钥。服务器证书和中间证书也可以放在单独的 .crt 或 .cer 文件中，私钥可以放在 .key 文件中。

PEM 文件使用 ASCII 编码，可以使用文本编辑器打开，文本内容中公钥、私钥都有两种形式，CSR就一种。X.509 规定，取 ---- 开头的下一行首开始，到下一个 ---- 的上一行尾结束。

----BEGIN CERTIFICATE----
公钥加密串
----END CERTIFICATE----

-----BEGIN PUBLIC KEY-----
公钥加密串
-----END PUBLIC KEY-----

---- BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
私钥加密串
-----END RSA PRIVATE KEY-----

-----BEGIN PRIVATE KEY-----
私钥加密串
-----END PRIVATE KEY-----

-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
CSR加密串
-----END CERTIFICATE REQUEST-----

PKCS#7 格式

PKCS#7 格式是一种“加密消息语法标准”。PKCS#7证书使用 Base64 ASCII 编码，文件扩展名为 .p7b 或 .p7c，这种格式只能存储证书，不能存储私钥。一般主要用来做数字信封。格式如下：

-----BEGIN PKCS7-----
公钥加密串
-----END PKCS7-----

DER 格式

DER 证书采用二进制格式，只含有证书信息，不包含私钥。文件扩展名为 .der 或 .cer。这些证书主要用于Java Web服务器。

PKCS12 格式

PKCS#12证书采用二进制格式，文件扩展名为 .pfx 或 .p12，支持将 服务器证书、中间证书 和 私钥 存储在一个具有密码保护的文件中，主要用于Windows平台。

2. Nginx SSL证书配置

Nginx 支持所有 PEM 格式的证书，包含 .pem、.crt 、.cer、.key，其中 .key 常用于私钥后缀名。

server {
    listen              443 ssl;
    server_name         www.example.com;
    ssl_certificate     /path/to/path/public.pem;
    ssl_certificate_key /path/to/path/private.key;
    ssl_session_timeout 5m;
    ssl_ciphers ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE:ECDH:AES:HIGH:!NULL:!aNULL:!MD5:!ADH:!RC4;
    ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
    ssl_prefer_server_ciphers on;
    location / {
        root html;
        index index.html index.htm;
    }
}

参数说明：

• server_name ：域名（不含https://）
• ssl_certificate ：【必填】 公钥文件位置
• ssl_certificate_key ：【必填】 私钥文件位置
• ssl_session_timeout ：客户端可复用会话的时间
• ssl_ciphers：指定启用的加密器类型，必须是OpenSSL库支持的类型，默认 ssl_ciphers HIGH:!aNULL:!MD5;
• ssl_protocols：表示使用的TLS协议的类型，默认是TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2，可选参数为SSLv2、SSLv3、TLSv1、TLSv1.1、TLSv1.2、TLSv1.3
• ssl_prefer_server_ciphers：指定服务端加密器优先，参数为on开启，默认off关闭；

官方文档参考：

• https://nginx.org/en/docs/http/configuring_https_servers.html
• https://nginx.org/en/docs/http/ngx_http_ssl_module.html#ssl_certificate

3. Tomcat SSL证书配置

Tomcat 支持 JKS、PKCS11 和 PKCS12 格式的密钥库，JKS 格式是 Java 的标准格式，由 JDK 的 keytool 生成；PKCS11/12 是网络标准，由 OpenSSL 生成。

对于证书格式转换，JKS 一般是由 PKCS12 转换而来，Tomcat 又支持 PKCS12 所以只要将 PEM 格式转换成 PKCS12 （.pfx 或 .p12） 即可。参考 [#PEM 格式 转 PKCS#12](#PEM 格式 转 PKCS#12)

server.xml 配置

<Connector
           protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"
           port="8443" maxThreads="200"
           scheme="https" secure="true" SSLEnabled="true"
           keystoreFile="<keystoreFile>" keystorePass="<passvalue>"
           clientAuth="false" sslProtocol="TLS"/>

参数说明:

• port ：HTTPS 协议端口，可以设置为 443
• protocol ：连接协议，由 HTTP/1.1 改为 org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol
• keystoreFile ：证书文件绝对路径，可以是 JKS 或 PKCS12
• keystorePass ：证书的密码
• 未说明的参数除 maxThreads 根据实际情况调整，其余均按照上面的配置即可。

官方文档参考：https://tomcat.apache.org/tomcat-8.5-doc/ssl-howto.html#Configuration

4. 主流证书转换方法

一般来说，阿里云、腾讯云直接提供不同服务器类型的证书，以下证书转换仅当无备选类型时使用。

PEM 格式 转 PKCS#12

PEM 格式的公私钥后缀名不影响转换，可以是 .crt /.pem/ .key /.cer。

openssl pkcs12 -export -in public.pem -inkey private.key -out keystore.p12 -passout pass:<passvalue>

参数说明：

• -in ： 指定PEM 公钥文件
• -inkey：指定 PEM 私钥文件
• -out：指定输出 PKCS#12 格式的证书，常以 .p12 或 .pfx 扩展名。
• -passout：指定 PKCS#12 证书的密码

PKCS#12 转 PEM

当提供PKCS#12证书，则需要转换为PEM证书，命令如下：

#导出私钥
openssl pkcs12 -in keystore.p12 -out private.key -nocerts -nodes -password pass:<passvalue>
#导出公钥
openssl pkcs12 -in keystore.p12 -out public.pem -clcerts -nokeys -password pass:<passvalue>

参数说明：

• -in ：输入文件，本命令中是 PKCS#12 证书
• -out：输出文件，根据上边两种搭配，分别输出私钥与公钥
• -nocerts：无公钥
• -nodes：不加密私钥。目前在 OpenSSL 3.0 中废弃，使用 -noenc 代替，Git Bash 自带的版本目前还没升到 3.0
• -clcerts：只输出客户端证书
• -nokeys：无私钥
• -password：PKCS#12证书的密码，需要接 pass:<实际密码>

官方文档参考：https://www.openssl.org/docs/manmaster/man1/openssl-pkcs12.html

5. [扩展] 自签发SSL证书与CA数字证书

自签发 SSL 证书

通过 openssl 生成自签发证书，自签发证书不包含CSR中间证书，直接生成公钥。自签发的证书在网络上是不可信的，但是 内网测试与使用，也是可以的。

命令如下：

#生成RSA私钥
openssl genrsa -out private.key 2048
#自签发公钥
openssl req -new -x509 -key private.key -out public.pem -days 1095 #3年有效期

CA 数字证书

CA 数字证书是由创建者提供 CSR（Centificate Sign Request）给CA机构签发下来的公钥。

一般来讲，SSL运营商（如阿里云等）已经提供了直接下载指定服务器类型的公私钥功能，以下仅是过程简单描述。

CA 机构的处理方式一般不需要创建者关心，命令：

#生成RSA私钥
openssl genrsa -out private.key 2048
#使用私钥生成CSR
openssl req -new -key privkey.key -out cert.csr

将此CSR交给 CA机构 ，由CA签名后获得公钥，使用公钥和私钥就可以部署 HTTPS 服务了。

写文过程难免有错漏，如有指正感激不尽！