Golang（十一）TLS 相关知识（二）OpenSSL 生成证书

时间：2021-06-29 07:18:41

0. 前言

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

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