在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，數(shù)據(jù)安全是每個(gè)開發(fā)者和用戶都會(huì)關(guān)注的核心問題。HTTPS（HyperText Transfer Protocol Secure）是一種基于加密傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是應(yīng)用層保護(hù)通信安全、防止數(shù)據(jù)被竊聽和篡改的主要手段。

在很多一線企業(yè)，例如騰訊、阿里、字節(jié)等，許多應(yīng)用強(qiáng)制要求使用 HTTPS 協(xié)議進(jìn)行通信，Kubernetes 也提倡通過 HTTPS 協(xié)議進(jìn)行通信。那么，為什么建議通過 HTTPS 協(xié)議而非 HTTP 協(xié)議？這源于二者的核心區(qū)別：

• HTTP 協(xié)議以明文方式傳輸數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)可能遭受竊聽、篡改或冒充攻擊，安全性較低，存在數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)；
• HTTPS 協(xié)議基于 HTTP 協(xié)議增加了 SSL 安全層，通過加密通道傳輸數(shù)據(jù)，安全性更高。

通常，HTTPS 協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)以下兩類功能：

• 數(shù)據(jù)傳輸加密： 通過 HTTPS 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)始終以加密形式存在，確保信息安全；
• 身份認(rèn)證： HTTPS 支持單向認(rèn)證和雙向認(rèn)證。單向認(rèn)證用于驗(yàn)證服務(wù)端的真實(shí)性，雙向認(rèn)證則同時(shí)驗(yàn)證服務(wù)端和客戶端的合法性。

在實(shí)際的企業(yè)應(yīng)用中，HTTPS 的使用方式主要包括：

• 利用 HTTPS 的數(shù)據(jù)加密能力，啟用單向認(rèn)證驗(yàn)證服務(wù)端的合法性，客戶端認(rèn)證則采用其他方式，例如 Bearer 認(rèn)證。miniblog 項(xiàng)目采用的正是這種方式；
• 利用 HTTPS 的數(shù)據(jù)加密能力，同時(shí)通過雙向認(rèn)證驗(yàn)證服務(wù)端和客戶端的合法性。

由于 CA 認(rèn)證和 HTTPS 認(rèn)證流程經(jīng)常在面試中被考察，同時(shí) miniblog 在啟用 HTTPS 服務(wù)時(shí)需要理解相關(guān)內(nèi)容。接下來，本課程將對(duì)這兩部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、什么是 HTTPS？

HTTPS 是 HTTP（超文本傳輸協(xié)議）的安全版本。它通過在 HTTP 和傳輸層之間加入 SSL/TLS（安全套接字層/傳輸層安全協(xié)議）來確保通信安全。相比 HTTP，HTTPS 增加了三項(xiàng)核心功能：

• 數(shù)據(jù)加密：通過加密技術(shù)，確保通信內(nèi)容不會(huì)被第三方竊聽；
• 身份驗(yàn)證：通過服務(wù)器證書驗(yàn)證服務(wù)器身份，防止中間人攻擊；

校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否在傳輸過程中被篡改。

使用 HTTPS 后，數(shù)據(jù)從客戶端到服務(wù)器的整個(gè)過程都被加密保護(hù)，只有通信雙方才能解碼數(shù)據(jù)。

二、認(rèn)識(shí) CA 證書

CA 證書的內(nèi)容較多，可以從以下四個(gè)方面掌握 CA 證書相關(guān)知識(shí)：

• CA 證書相關(guān)名詞；
• CA 證書簽發(fā)流程；
• CA 證書認(rèn)證流程；
• CA 證書簽發(fā)實(shí)戰(zhàn)。

1. CA 證書相關(guān)名詞

CA 證書涉及眾多名詞，以下整理了一些核心名詞，供參考：

(1) CA： 數(shù)字證書認(rèn)證機(jī)構(gòu)（Certificate Authority，簡稱 CA），是負(fù)責(zé)發(fā)放和管理數(shù)字證書的權(quán)威機(jī)構(gòu)，作為受信任的第三方，承擔(dān)公鑰體系中公鑰合法性檢驗(yàn)的職責(zé)；

(2) CA 證書： CA 證書是由 CA 簽發(fā)的數(shù)字證書，其格式可能有所不同，目前最常使用的是 X.509 證書格式；

(3) 公鑰和私鑰： 公鑰（Public Key）和私鑰（Private Key）是一對(duì)密鑰，通過特定算法生成。公鑰是密鑰對(duì)中公開的部分，通常用于加密會(huì)話密鑰、驗(yàn)證數(shù)字簽名或加密需通過相應(yīng)私鑰解密的數(shù)據(jù)；私鑰則是非公開的部分；

(4) 加密算法： 可以使用多種加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。常見的加密算法包括以下兩類：

(5) 對(duì)稱加密： 只有一個(gè)密鑰進(jìn)行加密和解密，密鑰相同且加解密速度較快。典型的對(duì)稱加密算法包括 DES 和 AES 等；

(6) 密鑰以成對(duì)形式出現(xiàn)（公鑰和私鑰），公鑰和私鑰互為匹配，且無法通過公鑰推導(dǎo)出私鑰，反之亦然。公鑰用于加密時(shí)需通過私鑰解密，私鑰用于加密時(shí)需通過公鑰解密。與對(duì)稱加密相比，其速度較慢。典型非對(duì)稱加密算法包括 RSA 和 DSA 等。

(7) X.509 證書編碼格式： X.509 證書可能采用不同的編碼規(guī)則。目前編碼格式主要包括以下兩種：

• PEM（Privacy Enhanced Mail）： 文本格式，文件后綴為 .pem，以 -----BEGIN XXXXXX----- 開頭，-----END XXXXXX----- 結(jié)尾，內(nèi)容為 BASE64 編碼。多用于 Apache 和 UNIX 服務(wù)器；
• DER（Distinguished Encoding Rules）： 二進(jìn)制格式，文件后綴為 .der，不可讀。多用于 Java 和 Windows 服務(wù)器。

(8) X.509 證書文件后綴：X.509 證書的文件后綴不一定是 .pem 或 .der，以下是常見類型：

• CRT（.crt）： 代表 Certificate，意為證書，常見于 UNIX 系統(tǒng)，可能采用 PEM 或 DER 編碼，大多數(shù)為 PEM 編碼；
• CER（.cer）： 代表 Certificate，意為證書，常見于 Windows 系統(tǒng)，可能采用 PEM 或 DER 編碼，大多數(shù)為 DER 編碼；
• KEY（.key）： 通常存放公鑰或私鑰，雖非 X.509 證書，但其編碼格式可能為 PEM 或 DER；
• CSR（.csr）： Certificate Signing Request，即證書簽名請(qǐng)求。CSR 不是證書，而是向權(quán)威證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)申請(qǐng)簽名證書的請(qǐng)求，其主要包含一個(gè)公鑰及附加信息。在生成申請(qǐng)時(shí)，會(huì)同時(shí)生成一個(gè)私鑰，需自行妥善保管，無需提交給 CA 機(jī)構(gòu)。

需要特別注意的是，如果證書文件的后綴是.pem 或.der，在文件名中應(yīng)體現(xiàn)文件所屬類別，例如：server-key.pem 表示私鑰文件，server-crt.pem 表示證書文件。

為了更好地理解 CA 相關(guān)內(nèi)容，接下來將以 CA 的簽發(fā)流程為主線，在介紹流程的同時(shí)，闡述相關(guān)概念，CA 的認(rèn)證流程實(shí)際上也是 HTTPS 的認(rèn)證流程。

2. CA 證書的簽發(fā)流程

CA 證書認(rèn)證流程如下圖所示：

上圖所示的流程解釋如下：

(1) 服務(wù)端向第三方機(jī)構(gòu) CA 提交公鑰、組織信息、個(gè)人信息（如域名）等內(nèi)容并申請(qǐng)認(rèn)證（無需提交私鑰）；

(2) CA 通過線上、線下等多種手段驗(yàn)證申請(qǐng)者提供信息的真實(shí)性，例如確認(rèn)組織是否存在、企業(yè)是否合法、是否擁有域名的所有權(quán)等；

(3) 如果信息審核通過，CA 會(huì)向申請(qǐng)者簽發(fā)認(rèn)證文件（證書）：

• 證書包含以下信息：申請(qǐng)者的公鑰、組織信息和個(gè)人信息、簽發(fā)機(jī)構(gòu) CA 的信息、證書有效期、證書序列號(hào)等明文信息，同時(shí)還包含一個(gè)簽名；
• 簽名的生成算法：首先，使用散列函數(shù)計(jì)算明文信息的信息摘要，然后，采用 CA 的私鑰對(duì)信息摘要進(jìn)行加密，生成的密文即為簽名。

(4) 客戶端向服務(wù)端發(fā)出請(qǐng)求后，服務(wù)端返回服務(wù)端的證書文件；

(5) 客戶端讀取服務(wù)端證書中的明文信息，并使用相同的散列函數(shù)計(jì)算信息摘要。隨后，利用對(duì)應(yīng) CA 的公鑰解密簽名數(shù)據(jù)并對(duì)比信息摘要。如果兩者一致，則可以確認(rèn)證書的合法性，即公鑰合法。同時(shí)，客戶端還需驗(yàn)證證書中的域名信息、有效期等內(nèi)容?？蛻舳送ǔ?nèi)置信任 CA 的根證書（包含公鑰），如果 CA 不被信任，則無法找到對(duì)應(yīng) CA 的證書，該證書將被判定為非法；

(6) 客戶端生成一個(gè)隨機(jī)數(shù) R，并用服務(wù)端證書中的公鑰加密后發(fā)送給服務(wù)端。服務(wù)端使用其私鑰解密獲取隨機(jī)數(shù) R，隨后雙方使用對(duì)稱加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

提示：證書由以下部分組成：公鑰(服務(wù)端生成的密鑰對(duì)中的公鑰)+申請(qǐng)者與頒發(fā)者信息+簽名(使用 CA 機(jī)構(gòu)生成的密鑰對(duì)中的私鑰進(jìn)行簽名)。頒發(fā)證書的過程實(shí)際上是 CA 使用其私鑰對(duì)證書請(qǐng)求文件進(jìn)行簽名。

3. CA 認(rèn)證流程

CA 證書的認(rèn)證分為單向認(rèn)證和雙向認(rèn)證。在實(shí)際開發(fā)中，可根據(jù)需要自行選擇：

• 單向認(rèn)證：適用于無需在通信層對(duì)用戶身份進(jìn)行驗(yàn)證的場景，一般在應(yīng)用邏輯層保證用戶的合法登錄。單向認(rèn)證也是企業(yè)應(yīng)用中，使用最多的認(rèn)證方式；
• 雙向認(rèn)證：要求通信雙方相互驗(yàn)證身份。例如，在企業(yè)應(yīng)用服務(wù)之間存在互調(diào)關(guān)系時(shí)，可能需要對(duì)通信雙方進(jìn)行身份驗(yàn)證。

(1) 單向認(rèn)證流程

單向認(rèn)證流程如下圖所示。

上圖 已經(jīng)清晰的展示了單向流程的步驟，這里不再詳解。需要注意的是第 3 步使用的是 CA 機(jī)構(gòu)證書（根證書）的公鑰來解密簽名。

通過上述單向認(rèn)證流程可以看出，整個(gè)流程需要以下三個(gè)證書文件：根證書、服務(wù)器端公鑰證書、服務(wù)器端私鑰文件。

(2) 雙向認(rèn)證流程

單向認(rèn)證僅驗(yàn)證了服務(wù)端的身份。如果有人冒充客戶端，該如何應(yīng)對(duì)？此時(shí)可以采用雙向認(rèn)證。

雙向認(rèn)證 SSL 握手過程與單向認(rèn)證有所不同，其大部分步驟與單向認(rèn)證過程相同。但在客戶端成功驗(yàn)證服務(wù)器后，新增了服務(wù)器驗(yàn)證客戶端的流程步驟。雙向認(rèn)證流程如下圖所示。

通過上述雙向認(rèn)證流程可以看出，整個(gè)雙向認(rèn)證過程需要 5 個(gè)證書文件：根證書、服務(wù)器端公鑰證書、服務(wù)器端私鑰文件、客戶端公鑰證書、客戶端私鑰文件。

4. CA 證書簽發(fā)實(shí)戰(zhàn)

CA 證書由權(quán)威的 CA 機(jī)構(gòu)簽發(fā)，其簽發(fā)流程較為復(fù)雜且費(fèi)用較高。在后端應(yīng)用開發(fā)中，通常由開發(fā)或運(yùn)維人員自行生成根證書及其私鑰，并扮演 CA 的角色，負(fù)責(zé)為其他服務(wù)端和客戶端簽發(fā)證書，此類證書也稱為自簽證書。

在企業(yè)應(yīng)用開發(fā)中，可以使用 openssl 工具來簽發(fā)根證書、服務(wù)端證書和客戶端證書。使用 openssl 工具簽發(fā)證書具體包括以下幾步：

• 簽發(fā)根證書和私鑰；
• 生成服務(wù)端證書；
• 生成客戶端證書；

(1) 步驟一：簽發(fā)根證書和私鑰

簽發(fā)根證書和私鑰包括以下 3 步操作：生成根證書私鑰、生成請(qǐng)求文件、生成根證書。

① 生成根證書****私鑰

使用以下命令生成根證書私鑰：

$ openssl genrsa -out ca.key 1024

genrsa 子命令主要用于生成 RSA 私鑰。命令行格式：openssl genrsa [args] [numbits]。涉及參數(shù)說明如下：

• -out file：將生成的私鑰保存至指定的文件中；
• numbits：指定生成私鑰的大小，默認(rèn)是 2048。

② 生成請(qǐng)求文件

使用證書私鑰生成請(qǐng)求文件，命令如下：

$ openssl req -new -key ca.key -out ca.csr -subj "/C=CN/ST=Guangdong/L=Shenzhen/O=devops/OU=it/CN=127.0.0.1/emailAddress=colin404@foxmail.com"

req 子命令主要用于創(chuàng)建證書請(qǐng)求文件，其命令行格式為：openssl req [options] <infile> outfile。參數(shù)說明如下：

• -new：創(chuàng)建新的證書請(qǐng)求文件；
• -key file：指定創(chuàng)建證書請(qǐng)求所使用的私鑰文件；
• -out arg：指定輸出文件路徑；
• -subj arg：設(shè)置或修改證書請(qǐng)求中的主體信息。

證書請(qǐng)求的主體信息選項(xiàng)說明如下：

• CN(Common Name)：指定證書中標(biāo)識(shí)身份的名稱，該名稱必須唯一。通常填寫需要申請(qǐng) SSL 證書的域名（domain）或子域名（subdomain）；
• C(Country)： 國家代碼；
• ST(State)： 州或?。?/li>
• L(Locality)： 城市；
• O(Organization)： 組織名稱；
• OU(Organizational Unit)： 組織單位名稱。

提示：不同證書的 CSR 文件，其 CN、C、ST、L、O、OU 的組合必須不同。在創(chuàng)建后續(xù)證書的 CSR 文件時(shí)，CN 必須各不相同，而 C、ST、L、O 和 OU 可以相同，以實(shí)現(xiàn)區(qū)分證書的目的。

 ③ 生成根證書

執(zhí)行以下命令生成根證書：

$ openssl x509 -req -in ca.csr -signkey ca.key -out ca.crt

x509 命令主要用于創(chuàng)建和修改 x509 證書，其命令行格式如下：openssl x509 [options] <infile> outfile。參數(shù)說明如下：

• -in arg：指定輸入文件，默認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)輸入；
• -out arg：指定輸出文件，默認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)輸出；
• -req：指定輸入文件為證書請(qǐng)求；
• -signkey arg：指定用于自簽名的私鑰文件；
• -CA arg：設(shè)置 CA 文件，必須為 PEM 格式；
• -CAkey arg：設(shè)置 CA 私鑰文件，必須為 PEM 格式；
• -CAcreateserial：創(chuàng)建序列號(hào)文件。

(2) 步驟二：生成服務(wù)端證書

執(zhí)行以下命令來生成服務(wù)端證書：

# 1. 生成服務(wù)端私鑰
$ openssl genrsa -out server.key 1024
# 2. 生成服務(wù)端公鑰
$ openssl rsa -in server.key -pubout -out server.pem
# 3. 生成服務(wù)端向 CA 申請(qǐng)簽名的 CSR
$ openssl req -new -key server.key -out server.csr -subj "/C=CN/ST=Guangdong/L=Shenzhen/O=serverdevops/OU=serverit/CN=127.0.0.1/emailAddress=nosbelm@qq.com"
# 4. 生成服務(wù)端帶有 CA 簽名的證書
$ openssl x509 -req -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -in server.csr -out server.crt

上述命令中，rsa 子命令主要用于處理 RSA 公私鑰文件。命令行格式：openssl rsa [options] <infile> outfile。涉及參數(shù)說明如下：

• -in arg： 指定輸入文件；
• -pubout：指定輸出文件為公鑰，默認(rèn)為私鑰；
• -out arg：指定輸出文件。

(3) 步驟三：生成客戶端證書

執(zhí)行以下命令來生成客戶端證書：

# 1. 生成客戶端私鑰
$ openssl genrsa -out client.key 1024
# 2. 生成客戶端公鑰
$ openssl rsa -in client.key -pubout -out client.pem
# 3. 生成客戶端向 CA 申請(qǐng)簽名的 CSR
$ openssl req -new -key client.key -out client.csr -subj "/C=CN/ST=Guangdong/L=Shenzhen/O=clientdevops/OU=clientit/CN=127.0.0.1/emailAddress=nosbelm@qq.com"
# 4. 生成客戶端帶有 CA 簽名的證書
$ openssl x509 -req -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -in client.csr -out client.crt