如何使用自签名 CA 和证书来保护个人在公网上的内容

10月 13, 2019 发布在家庭私有环境

作为一个喜欢折腾的人，个人搞了很多东西放在自己的服务器上，但是为了方便，能够在世界各地随时随地的打开查看和使用，我将服务器暴露到了公网中，当然了有些在公有云上的本来就暴露出来的。

那么这里就有一个问题，我如何保护我的信息只能我来查看呢？

最简单的方法就是通过 HTTP Basic Auth + HTTPS。记住一定要上 https，否则你的密码也是会泄漏的。为什么说简单呢？因为只需要在 Nginx 或 Traefik 上配置下就可以了。但是这个方案有一个非常麻烦的问题，就是过一段时间之后就要输入用户名和密码。时间短了，到无所谓，时间一长就会觉得很烦。
构建一套 token 验证体系，不管是使用 oauth 也好还是 jwt 也好，都是可以的。安全性也是可以保证的，而且设置好 token 的时间长度，也能保证避免频繁的输入密码。但是这有一个问题就是实现起来太过于复杂，都快赶上公司的一套系统了。而且还要有各种登录页面，想想都烦。
与上面类似，不过验证方式使用 Two Auth，也就是基于时间的 6 位数组。但是依旧比较复杂。
使用 OpenVPN 的方式。这在一定程度上也能使用，但是对于我来说，OpenVPN 的限制还是比较大的。首先安卓手机无法开启两个 VPN，而且我也不能一直连着 VPN，因为我会部署一些经常用的服务。而且我不是为了能够连接到内网，而是想对外网使用的服务添加验证。

我想了许久，有没有一种不需要输入密码，就可以验证安全的呢？因为是我一个人使用的，所以我根本不需要多用户系统，也就是说验证方式只需要一个密码就可以了。这我突然想起了之前在写 gRPC 的时候有一个双向验证的参数，也可以验证客户端可以不可以。当时觉得只是他们基于 h2 改的协议，结果我一查发现这原来就包含在 https 里面，准确说是 SSL 规范里面。（怪自己当初上计算机网络的时候没好好学这部分，竟然连这个都不知道）

那么至此，思路就很清晰了，给我的所有个人服务都添加 https 客户端校验。只要我的证书够安全，我的页面就是安全的（反正都是我个人的东西，直接拿着 U 盘到处拷贝，手机 Pad 用数据线发送，我就不信这样谁还能盗走我的证书，傲娇脸）

关于 SSL 证书的一些知识

生成证书我们主要采用 openssl 具体的安装教程我就不讲解了，有兴趣的小伙伴自行查阅，主要有下面几个步骤：
- openssl genrsa：生成 Private Key，用于生成请求文件使用，这里用 .key 后缀。
- openssl req：依赖上面生成的 Key 去生成 CSR，也就是证书请求文件。使用 .csr 后缀。这期间要填写一些信息，前面的几个大写字母是缩写，后面在命令行使用的时候会用到。
  - C(Country) 国家
  - ST(State/Province) 州或者省
  - L(Locality) 地区，国内写区即可
  - O(Organization) 组织
  - OU(Organization) 组织单位
  - CN(Common Name) 通用名，这个是非常重要的，影响了证书的显示名称和 HTTPS 的域名。
- openssl x509：根据 x509 规范，利用 CA 的证书和私钥将 CSR 文件加密成真正可以使用到的证书。使用 .crt 后缀
SSL 证书必须要采用 sha-2 加密算法。2015 年 12 月 31 日前，CA 机构还会颁发 SHA-1 签名的证书，但是之后只会签发 SHA-2 签名的证书了。Chrome 也会对 SHA-1 签名的证书提示不安全。在 openssl 中用的是 -sha-256 参数。
CRT 和 PEM 的关系，大家可以简单的认为 PEM 是将证书 base64 之后的文件，而 CRT 是既能 base64 也能 binary 的一种文件格式。但是通常 openssl 产出的是 base64 的文件，你可以通过 -outform 参数控制产出的类型。

CA 的生成

有了 CA 我们才能去给其他的证书签名，生成 CA 的过程很简单

创建根钥

💡 这个秘钥非常重要，任何获得了这个秘钥的人在知道密码的情况下都可以生成证书。所以请小心保存

1	openssl genrsa -des3 -out root.key 4096

-des3 标明了私钥的加密方式，也就是带有密码。建议添加密码保护，这样即使私钥被窃取了，依旧无法对其他证书签名。你也可以更换其他的加密方式，具体的请自行 help。
4096 表示秘钥的长度。

创建自签名证书

因为是 CA 证书，所以没法让别人去签名，只能自签名。这里可以认为是生成 CSR 和签名两部合成一步走。

1	openssl req -x509 -sha256 -new -key root.key -sha256 -days 1024 -out root.crt

服务端证书生成

生成证书私钥

1	openssl genrsa -out your-domain.com.key 2048

和 CA 证书不同，这个私钥一般不需要加密，长度也可以短一些。

生成证书请求文件

1	openssl req -new -key your-domain.com.key -out your-domain.com.csr

这期间要填入一些信息，注意 CN 的名字一定要是你的域名。

使用 CA 对 CSR 签名

在 Chrome 58 之前，Chrome 会根据 CN 来检查访问的域名是不是和证书的域名一致，但是在 Chrome 58 之后，改为使用 SAN(Subject Alternative Name) 而不是 CN 检查域名的一致性。

而 SAN 属于 x509 扩展里面的内容，所以我们需要通过 -extfile 参数来指定存放扩展内容的文件。

所以我们需要额外创建一个 your-domain.com.ext 文件用来保存 SAN 信息，通过指定多个 DNS 从而可以实现多域名证书。

subjectAltName = @alt_names

[alt_names]
DNS.1 = your-domain.com
DNS.2 = *.your-domain.com
DNS.3 = *.api.your-domain.com

以此类推，如果域名较少，还可以用另外一种简写方案。

1	subjectAltName = DNS: your-domain.com, DNS: *.your-domain.com

关于语法的更多内容请查看官方文档。在有了 ext 文件之后就直接可以开始签名了。

1	openssl x509 -req -sha256 -in your-domain.com.csr -CA root.crt -CAkey root.key -CAcreateserial -out your-domain.com.crt -days 365 -extfile your-domain.com.ext

CAcreateserial 这个参数是比较有意思的，意思是如果证书没有 serial number 就创建一个，因为我们是签名，所以肯定会创建一个。序列号在这里的作用就是唯一标识一个证书，当有两个证书的时候，只有给这两个证书签名的 CA 和序列号都一样的情况下，我们才认为这两个证书是一致的。除了自定生成，还可以通过 -set_serial 手动指定一个序列号。

当使用 -CAcreateserial 参数之后，会自动创建一个和 CA 文件名相同的，但是后缀是 .srl 的文件。这里存储了上一次生成的序列号，每次调用的时候都会读取并 +1 。也就是说每一次生成的证书的序列号都比上一次的加了一。

现在，只需要将 your-domain.com.crt 和 your-domain.com.key 放到服务端就可以使用了。别忘了将 CA 添加系统当中，要不然浏览器访问会出现问题。

客户端证书生成

服务端有了之后，就需要生成客户端的证书，步骤和服务端基本一致，但是不需要 SAN 信息了。

openssl genrsa -out client.key 2048
# 这里也可以采用非交互形式，方便制作成命令行工具
openssl req -new \
	-key client.key \
	-subj "/C=CN/ST=Zhejiang/O=X/CN=*.your-domain.com" \ # 这里的缩写就是文章一开始所说的那些缩写
	-out client.csr
openssl x509 -req -in client.csr -CA root.crt -CAkey root.key -out client.crt -days 365

只不过客户端验证需要的是 PKCS#12 格式，这种格式是将证书和私钥打包在了一起。因为系统需要知道一个证书的私钥和公钥，而证书只包含公钥和签名，不包含私钥，所以需要这种格式的温江将私钥和公钥都包含进来。

1	openssl pkcs12 -export -clcerts -in client.crt -inkey client.key -out client.p12

这期间会提示你输入密码，用于安装的时候使用。也就是说不是什么人都可以安装客户端证书的，要有密码才行，这无疑又增加了一定的安全性。当然了，我试过不输入密码，但是好像有点问题，有兴趣的同学可以自己尝试下。

客户端校验证书的使用

这里以 Node.js 举例。使用 https 模块，在创建的时候和普通的创建方式基本一致，但是需要额外指定 requestCert 和 ca 参数来开启客户端校验。

https.createServer({
	key: fs.readFileSync('your-domain.com.key'),
	cert: fs.readFileSync('your-domain.com.crt'),
	requestCert: true,
	ca: [fs.readFileSync('root.crt')], // 校验客户端证书的 CA
}, (req, resp) => {
	// blahblah
})

这样只要客户端没有安装合法的证书，那么整个请求就是失败的。而且根本不会进入请求处理的回调函数中，这也意味着显示的错误是浏览器的默认错误。那么这对用户来讲其实不太友好。

那么我们可以通过在参数中添加 rejectUnauthorized: false 来关闭这个功能，也就是说不管客户端证书校验是正确还是失败，都可以进入正常的回调流程。此时我们只需要通过 req.client.authorized 来判断这个请求是否通过了客户端证书的校验，可以给予用户更详尽的错误提示。

另外我们还可以通过 resp.connection.getPeerCertificate() 获取客户端证书的信息，甚至可以根据不同的信息选择给予不同的用户权限。

这里有一个 DEMO: https://www.xgheaven.net.cn:3443，大家打开之后应该会看到一个证书校验失败的提示。这里要说下，我这里的 DEMO 没有使用自签名的服务端证书，只是使用了自签名的 CA 去检查客户端证书。因为用自己签名的服务端证书的话，浏览器会提示不安全，因为用户么有安装自签名的 CA。