Golang（十一）TLS 相关知识（二）OpenSSL 生成证书

0. 前言

• 接前一篇文章，上篇文章我们介绍了数字签名、数字证书等基本概念和原理
• 本篇我们尝试自己生成证书
• 参考文献：TLS完全指南（二）：OpenSSL操作指南

1. OpenSSL 简介

• OpenSSL 是一个开源项目，其组成主要包括三个组件：
  • openssl：多用途的命令行工具
  • libcrypto：加密算法库
  • libssl：加密模块应用库，实现了ssl及tls
• OpenSSL 主要用于秘钥证书管理、对称加密和非对称加密

1.1 指令

• 常用指令包括：genrsa、req、x509

1.1.1 genrsa

• 主要用于生成私钥，选择算法、加密私钥使用的对称加密密码和秘钥长度
• 基本用法：openssl genrsa [args] [numbits]

[args]:
    args1 对生成的私钥文件是否要使用加密算法进行对称加密:
        -des : CBC模式的DES加密
            -des3 : CBC模式的3DES加密
            -aes128 : CBC模式的AES128加密
        -aes192 : CBC模式的AES192加密
        -aes256 : CBC模式的AES256加密
    args2 对称加密密码
        -passout passwords
        其中passwords为对称加密(des、3des、aes)的密码(使用这个参数就省去了console交互提示输入密码的环节)
    args3 输出文件
        -out file : 输出证书私钥文件
[numbits]: 密钥长度，理解为私钥长度 

• 生成一个 2048 位的 RSA 私钥，并用 des3 加密（密码为 123456），保存为 server.key 文件：openssl genrsa -des3 -passout pass:123456 -out server.key 1024

1.1.2 req

• req 的基本功能主要有两个：生成证书请求和生成自签名证书（当然这并不是其全部功能，但是这两个最为常见）
• 基本用法：openssl req [args] outfile

[args]
    args1 是输入输入文件格式：-inform arg
        -inform DER 使用输入文件格式为 DER
        -inform PEM 使用输入文件格式为 PEM
    args2 输出文件格式：-outform arg
        -outform DER 使用输出文件格式为 DER
        -outform PEM 使用输出文件格式为 PEM
    args3 是待处理文件
        -in inputfilepath
    args4 待输出文件
        -out outputfilepath
    args5 用于签名待生成的请求证书的私钥文件的解密密码
        -passin passwords
    args6 用于签名待生成的请求证书的私钥文件
        -key file
    args7 指定输入密钥的编码格式 -keyform arg
        -keyform DER
        -keyform NET
        -keyform PEM
    args8 生成新的证书请求
        -new
    args9 输出一个 X509 格式的证书,签名证书时使用
        -x509
    args10 使用 X509 签名证书的有效时间
        -days // -days 3650 有效期 10 年
    args11 生成一个 bits 长度的 RSA 私钥文件，用于签发，与-key互斥，生成证书请求或者自签名证书时自动生成密钥，然后生成的密钥名称由 -keyout 参数指定
        -newkey rsa:bits
    args12 设置 HASH 算法-[digest]，指定对创建请求时提供的申请者信息进行数字签名时指定的 hash 算法
        -md5
        -sha1 // 高版本浏览器开始不信任这种算法
        -md2
        -mdc2
        -md4
    args13 指定 openssl 配置文件,很多内容不容易通过参数配置，可以指定配置文件
        -config filepath
    args14 显示格式 txt（用于查看证书、私钥信息）
        -text

• 利用私钥生成证书请求 CSR：openssl req -new -key server.key -out server.csr
• 利用私钥生成自签名证书 CRT：openssl req -new -x509 -days 3650 -key ca.key -out ca.crt

1.1.3 x509

• x509 可以实现显示证书的内容、转换其格式、给 CSR 签名等X.509证书的管理工作
• 基本用法：openssl x509 [args]

[args]
    args1 是输入输入文件格式：-inform arg
        -inform DER 使用输入文件格式为 DER
        -inform PEM 使用输入文件格式为 PEM
    args2 输出文件格式:-outform arg
        -outform DER 使用输出文件格式为 DER
        -outform PEM 使用输出文件格式为 PEM
    args3 是待处理 X509 证书文件
        -in inputfilepath
    args4 待输出 X509 证书文件
        -out outputfilepath
    args5 表明输入文件是一个“请求签发证书文件（CSR）”，等待进行签发
        -req
    args6 签名证书的有效时间
        -days // -days 3650 有效期 10 年
    args7 指定用于签发请求证书的根 CA 证书
        -CA arg
    args8 根 CA 证书格式（默认是 PEM）
        -CAform arg
    args9 指定用于签发请求证书的 CA 私钥证书文件
        -CAkey arg
    args10 指定根 CA 私钥证书文件格式（默认为 PEM 格式）
        -CAkeyform arg
    args11 指定序列号文件（serial number file）
        -CAserial arg
    args12 如果序列号文件（serial number file）没有指定，则自动创建它
        -CAcreateserial
    args12 设置 HASH 算法-[digest]，指定对创建请求时提供的申请者信息进行数字签名时指定的 hash 算法
        -md5
        -sha1 // 高版本浏览器开始不信任这种算法
        -md2
        -mdc2
        -md4

• 使用根 CA 证书 ca.crt 和私钥 ca.key 对“请求签发证书” server.csr 进行签发，生成 x509 格式证书：openssl x509 -req -days 3650 -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out serverx509.crt

2. 具体使用

2.1 生成 RSA 秘钥对

• 使用 genrsa 生成 RSA 秘钥对：openssl genrsa -out server.key 2048

2.2 生成身份证申请

• 使用 req 命令，以之前的 server.key 为输入，生成一个身份证申请（CSR）文件：openssl req -nodes -new -key server.key -subj "/CN=localhost" -out server.csr
• CSR 的公钥从 server.key 中提取，域名是 localhost
• 如果启动 https 服务，使用这个 CSR 签署的 CRT，客户端必须访问 localhost 才能访问到这个 HTTPS 服务
• 关于配置多个域名和 IP 的 CSR，后面会介绍

2.3 生成数字证书

• 使用 x509 使用指定私钥 server,key 签署 server.csr，输出数字证书（ CRT）：openssl x509 -req -sha256 -days 365 -in server.csr -signkey server.key -out server.crt
• 此处使用自身的私钥签署 CSR

2.4 HTTPS 验证

• 生成证书后，我们可以编写一个 Golang 的 https 服务验证刚刚生成的证书
• 服务端代码如下：

package main

import (
    "io"
    "log"
    "net/http"
)

func main() {
    http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
        io.WriteString(w, "hello, world!\n")
    })
    if e := http.ListenAndServeTLS("0.0.0.0:5200", "/home/ao/Documents/certs/review/server.crt",
        "/home/ao/Documents/certs/review/server.key", nil); e != nil {
        log.Fatal("ListenAndServe: ", e)
    }
    //if e := http.ListenAndServe("0.0.0.0:5200", nil); e != nil {
    //    log.Fatal("ListenAndServe: ", e)
    //}
}

• 客户端代码如下：

package main

import (
    "crypto/tls"
    "crypto/x509"
    "io"
    "io/ioutil"
    "log"
    "net/http"
    "os"
)

func loadCA(caFile string) *x509.CertPool {
    pool := x509.NewCertPool()

    ca, err := ioutil.ReadFile(caFile)
    if err != nil {
        log.Fatal("ReadFile: ", err)
    }
    pool.AppendCertsFromPEM(ca)
    return pool
}

func main() {
    //c := &http.Client{
    //    Transport: &http.Transport{
    //        TLSClientConfig: &tls.Config{InsecureSkipVerify: true},
    //    }}
    c := &http.Client{
        Transport: &http.Transport{
            TLSClientConfig: &tls.Config{RootCAs: loadCA("/home/ao/Documents/certs/review/server.crt")},
        }}

    resp, err := c.Get("https://localhost:5200")
    if err != nil {
        log.Fatal("http.Client.Get: ", err)
    }

    defer resp.Body.Close()
    io.Copy(os.Stdout, resp.Body)
}

• 启动服务端：go run server.go
• 启动客户端：go run client.go

$ go run client.go
hello, world!

• 改变客户端请求域名为 127.0.0.1 时，客户端结果如下：

$ go run client.go
// :: http.Client.Get: Get https://127.0.0.1:5200: x509: cannot validate certificate for 127.0.0.1 because it doesn't contain any IP SANs
exit status 

• 服务端输出如下：

// :: http: TLS handshake error from 127.0.0.1:: remote error: tls: bad certificate

• 若客户端保持 127.0.0.1 不变，改变 http.Transport 的 TLSClientConfig 为 insecure 配置时，可以正常返回：

$ go run client.go
// :: http.Client.Get: Get https://127.0.0.1:5200: x509: cannot validate certificate for 127.0.0.1 because it doesn't contain any IP SANs
exit status 

• 此时就像浏览器保持信任网站证书，继续选择浏览的动作是一样的

2.5 配置域名为 IP

• 上述我们使用 localhost，作为 CSR 里的域名，导致请求时必须使用域名
• 若我们使用本地 IP 作为域名呢：openssl req -nodes -new -key server.key -subj "/CN=127.0.0.1" -out server.csr
• 此时客户端请求 https://127.0.0.1:5200 返回：

$ go run client.go
// :: http.Client.Get: Get https://127.0.0.1:5200: x509: cannot validate certificate for 127.0.0.1 because it doesn't contain any IP SANs
exit status 

• 启用 insecure 时正常返回
• 此处说明，我们不能简单通过 -subj "/CN=[IP]" 实现 CSR 中包含域名
• 重新生成 CSR 和 CRT

$ openssl genrsa -out server.key
$ echo subjectAltName = IP:127.0.0.1 > extfile.cnf
$ openssl x509 -req -sha256 -days  -in server.csr -signkey server.key -extfile extfile.cnf -out server.crt

• 再次测试发现，请求 127.0.0.1 时可以了

2.6 不使用自签名证书

• 上述我们使用自签名证书，下面我们尝试模拟一个 CA 签署证书：
• 首先生成 CA 的秘钥和自签名证书，中间不生成 CSR：

$ openssl genrsa -out ca.key
$ openssl req -x509 -new -nodes -key ca.key -days  -out ca.crt -subj "/CN=localhost.ca.com"

• 生成私钥、证书，并使用 CA 签名：

$ openssl genrsa -out server.key
$ openssl req -new -key server.key -subj "/CN=127.0.0.1" -out server.csr
$ openssl x509 -req -sha256 -days  -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out server.crt -extfile extfile.cnf

• 经测试，正确

2.7 CSR 配置多个域名和 IP

• 上述提到 -subj 配置域名只能指定单个域名或者 IP
• 下面介绍一下多域名 CSR 配置
• 新增一个配置文件：

[req]
distinguished_name = req_distinguished_name
req_extensions = v3_req

[req_distinguished_name]
countryName = CN
countryName_default = CN
stateOrProvinceName = Beijing
stateOrProvinceName_default = Beijing
localityName = Beijing
localityName_default = Beijing
organizationName = WangAo
organizationName_default = WangAo
organizationalUnitName = Dev
organizationalUnitName_default = Dev
commonName = test.openssl.com
commonName_default = test.openssl.com
commonName_max = 

[v3_req]
basicConstraints = CA:TRUE
subjectAltName = @alt_names

[alt_names]
DNS. = test.openssl.com
IP. = 127.0.0.1
IP. = 10.0.2.15

• 我们为服务制定了一个域名两个 IP，地址
• 下面利用之前的 CA，重新签署数字证书：

$  openssl genrsa -out server.key
$  openssl req -nodes -new -key server.key -out server.csr -subj "/CN=test.openssl.com"
$ openssl x509 -req -sha256 -days  -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out server.crt -extensions v3_req -extfile openssl.cnf

• CA 签署数字证书时制定了 -extensions 和 -extfile
• 分别向 127.0.0.1、10.0.2.15 和 test.openssl.com 请求，均可以成功

3. 小结

• 本篇内容介绍了 OpenSSL 基本使用和生成数字证书的方式以及验证证书的程序编写
• 欢迎各位批评指正

3. 参考文献

• openssl的介绍和使用
• TLS完全指南（二）：OpenSSL操作指南