自签名数字证书的使用

写这篇文章的起因是遇到了需要本机配置支持HTTPS协议的情况。

我们知道，因为HTTPS的安全性，越来越多的网络应用支持HTTPS，比如GOOGLE优先搜索支持HTTPS的网站；又比如小程序的网络请求只能是HTTPS的。

于是就先回顾了一下OSI模型、HTTP和HTTPS协议，感兴趣可以点击下面链接参考笔者之前的文章：
图解OSI七层模型
http协议
http协议之 8 种请求类型介绍
https协议

要支持HTTPS这边就涉及获取CA证书的问题，正式开发当然需要去购买，如果像笔者这样只是开发内测，可以用自己生成的自签名证书。生成数字证书的工具有openssl、keytool等。

openssl：SSL 密码库工具，其提供了一个通用、健壮、功能完备的工具套件，用以支持SSL/TLS 协议的实现。

keytool：JDK里面内置的一个数字证书生产工具，只能生成自签名的数字证书。且不支持导出私钥。所有的数字证书是以一条一条(采用别名区别)的形式存入证书库的中，证书库中的每个证书包含该条证书的私钥，公钥和对应的数字证书的信息。

一、CA的签发过程

1）服务方 S 向第三方机构CA提交公钥、组织信息、个人信息(域名)等信息并申请认证（申请证书不需要提供私钥，确保私钥永远只能服务器掌握）
2）CA 通过线上、线下等多种手段验证申请者提供信息的真实性，如组织是否存在、企业是否合法，是否拥有域名的所有权等
3）如信息审核通过，CA 会向申请者签发认证文件-证书。
　　证书包含以下信息：申请者公钥、申请者的组织信息和个人信息、签发机构 CA 的信息、有效时间、证书序列号等信息的明文，同时包含一个签名
　　签名的产生算法：首先，使用散列函数计算公开的明文信息的信息摘要，然后，采用 CA 的私钥对信息摘要进行加密，密文即签名
4）客户端 C 向服务器 S 发出请求时，S 返回证书文件
5）客户端 C 读取证书中的相关的明文信息，采用相同的散列函数计算得到信息摘要，然后，利用对应 CA 的公钥解密签名数据，对比证书的信息摘要，如果一致，则可以确认 证书的合法性，即公钥合法
6）客户端然后验证证书相关的域名信息、有效时间等信息
7）客户端会内置信任 CA 的证书信息(包含公钥)，如果CA不被信任，则找不到对应 CA 的证书，证书也会被判定非法

在这个过程注意几点：

1）申请证书不需要提供私钥，确保私钥永远只能服务器掌握
2）证书的合法性仍然依赖于非对称加密算法，证书主要是增加了服务器信息以及签名
3）内置 CA 对应的证书称为根证书，颁发者和使用者相同，自己为自己签名（用CA自己的私钥签名），即自签名证书（此证书中的公钥即为CA的公钥，可以使用这个公钥对证书的签名进行校验，无需另外一份证书）
4）证书=公钥+申请者与颁发者信息+签名

公共钥匙用来加密数据，私有钥匙用来计算签名.
公钥加密的消息只能用私钥解密，私钥签名的消息只能用公钥检验签名。

二、https的通信过程

服务端需要认证的通信过程

• 客户端发送请求到服务器端
• 服务器端返回证书和公开密钥，公开密钥作为证书的一部分而存在
• 客户端验证证书和公开密钥的有效性，如果有效，则生成共享密钥并使用公开密钥加密发送到服务器端
• 服务器端使用私有密钥解密数据，并使用收到的共享密钥加密数据，发送到客户端
• 客户端使用共享密钥解密数据
• SSL加密建立………

客户端认证过程

客户端需要认证的过程跟服务器端需要认证的过程基本相同，并且少了最开始的两步。这种情况都是证书存储在客户端，并且应用场景比较少，一般金融才使用，比如支付宝、银行客户端都需要安装证书。

三、keytool的使用

keytool是JDK自带的密钥和证书管理工具。它使用户能够管理自己的公钥/私钥对及相关证书，用于（通过数字签名）自我认证（用户向别的用户/服务认证自己）或数据完整性以及认证服务。

密钥库中的条目类型只有两种：密钥项和可信任的证书项！

• 密钥项- 每项存放极为敏感的加密密钥信息，这种信息以一种受保护的格式储存以防止未授权的访问。通常，储存在这类项中的密钥是机密密钥，或是伴有用于认证相应公钥用的证书“链”的私钥。keytool 只处理后一类型的项，即私钥及其关联的证书链。

• 可信任的证书项 - 每项包含一个属于另一团体的公钥证书。它之所以叫做“可信任的证书”，是因为密钥仓库的拥有者相信证书中的公钥确实属于证书“主体”（拥有者）识别的身份。证书签发人通过对证书签名来保证这点。

创建证书

//创建方式1：交互式；这种方式会一步步提示信息，按提示输入相应信息即可
keytool -genkeypair -alias mytomcat -keyalg RSA -keysize 1024 -keypass 123456 -validity 365 -keystore d:\mykeystore.keystore -storepass 123456


//创建方式2：一步到位；把所需要的信息一步填写完整，就不用分步操作了
keytool -genkeypair -alias "mytomcat" -keyalg "RSA" -keystore "d:\mykeystore.keystore"  -dname "CN=localhost, OU=localhost, O=localhost, L=SH, ST=SH, C=CN" -keypass "123456" -storepass -validity 180

这边对命令稍微解释一下，keytool 的数据保存在密钥库里，访问密钥库需要密码，访问密钥库中某个条目也是需要密码，所以在创建密钥库、密钥条目的时候，需要设定这两种密码，创建证书的过程中通过-storepass设定访问密钥库的密码，-keypass设定访问密钥库中访问某个条目的密码。

在交互式证书创建过程中，“您的名字和姓氏”填写自己应用的域名，具体域名根据自己实际需求修改，其他信息可以任意填写。还有就是-alias后面的参数值（别名）在密钥库中是不区分大小写的。

参数说明：

-genkeypair  表示要创建一个新的密钥
-dname　　表示密钥的Distinguished Names，  表明了密钥的发行者身份
    　　CN=commonName 注：生成证书时，CN要和服务器的域名相同，如果在本地测试，就使用localhost
    　　OU=organizationUnit
    　　O=organizationName
    　　L=localityName
    　　S=stateName
    　　C=country
　　
-keyalg　　　　使用加密的算法，这里是RSA
-alias　　　　　和keystore关联的别名，这个alias通常不区分大小写
-keypass　　    私有密钥的密码，这里设置为 123456
-keystore 　　  密钥保存在D:盘目录下的mykeystore文件中
-storepass 　　存取密码，这里设置为changeit，这个密码提供系统从mykeystore文件中将信息取出
-validity　　　　该密钥的有效期为 180天 (默认为90天)

下面是各选项的缺省值。 
-alias "mykey"
-keyalg "DSA"
-keysize 1024
-validity 90
-keystore 用户宿主目录中名为 .keystore 的文件
-file 读时为标准输入，写时为标准输出 

附：cacerts证书文件是Java系统的CA证书仓库，存在于java.home\jre\lib\security目录下，这个仓库的默认访问密码是chageit；
使用命令可以查看Java系统的CA证书仓库中所有证书：
keytool -list -keystore "yourPath/cacerts"

导出证书

通过上面的步骤生成了一个名为 mykeystore.keystore 的证书库，以及存储在里面的一条名为 mytomcat 的证书项；
下面导出证书：

keytool -export -alias mytomcat -keystore d:\mykeystore -file d:\mycerts.crt -storepass 123456

查看导出的证书信息
keytool -printcert -file mycerts.crt

把证书导入浏览器

在浏览器中导入这个证书，如果是购买的CA证书，就不需要导入，浏览器已内置了CA的根证书，在客户端验证证书时直接向CA请求验证；我们自己生成的证书是没有经过CA认证的，所以只能自己手动导入

四、配置tomcat，使https访问生效

1、redirectport改为443
为了使部署在tomcat中的应用可以提供https访问能力，我们需要修改%tomcat_home%/conf/server.xml文件，将下面配置的redirectport改为443：

<Connector connectionTimeout="20000" port="80" protocol="HTTP/1.1" redirectPort="8443"/>

修改后：

<Connector connectionTimeout="20000" port="80" protocol="HTTP/1.1" redirectPort="443"/>

这个redirectPort的作用是当客户端以http方式访问某个服务端资源，而这个资源又要求必须https访问时，服务器重定向的端口号。这边为什么需要将8443改为443呢？是因为443是https默认的端口，就像80是http默认的端口一样，如果端口设置成443，那么在使用https访问服务器的时候不需要带端口，如果设置成8443，那么必须带端口。

2、启用SSL
将下面这行注释去掉，启用SSL，并且将端口从8443改为443，并且加上密钥库路径以及密钥库访问的密码：

<!--
<Connector port="8443" protocol="HTTP/1.1" SSLEnabled="true"
       maxThreads="150" scheme="https" secure="true"
       clientAuth="false" sslProtocol="TLS" />
-->

增加两个参数，keystoreFile指定“密钥库”，keystorePass指定密钥库的密码。
修改后：

<Connector port="443" protocol="HTTP/1.1" SSLEnabled="true"
       maxThreads="150" scheme="https" secure="true"
       clientAuth="false" sslProtocol="TLS" keystoreFile="d:/mytomcat.keystore" keystorePass="123456"/>

这样并没有完全配置好，还要注意protocol属性值

<Connector port="443" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11Protocol" SSLEnabled="true"
        maxThreads="150" scheme="https" secure="true"
        clientAuth="false" sslProtocol="TLS" keystoreFile="d:/mytomcat.keystore" keystorePass="123456"/> 

3、访问http的时候自动跳转到https
现在为了能在访问http的时候自动跳转到https，还需要配置%tomcat_home%/conf/web.xml，将下面这段代码加入到节点：<welcome-file-list />后面：

 <login-config>
    <auth-method>CLIENT-CERT</auth-method>
    <realm-name>Client Cert Users-only Area</realm-name>
</login-config>

<security-constraint>
    <web-resource-collection>
        <web-resource-name>SSL</web-resource-name>
        <url-pattern>/*</url-pattern>
    </web-resource-collection>
    <user-data-constraint>
        <transport-guarantee>CONFIDENTIAL</transport-guarantee>
    </user-data-constraint>
</security-constraint>

如果要取消http自动跳转https，那么将这段删除或者将CONFIDENTIAL改成NONE即可！

五、使用openssl生成证书

根据上面的步骤已经可以正常部署项目，并通过https://localhost/yourdemo 访问了。

但是，使用 keytool 生成的证书在 chrome58 之前没有问题，在 chrome58 之后，会 COMMON_NAME 报错：

Error: "Subject Alternative Name Missing" 
or
NET::ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID 
or
"Your connection is not private"

本地证书被拒绝的原因是，Chrome已经不再支持证书中的commonName匹配，实际上，自2017年1月起就需要 subjectAltName 这个规则了。chrome58后 commonName 改成了SubjectAlternativeName 校验域名；
所以要通过对已有证书添加 v3.ext 重新生成证书，在 v3.ext 里加入 subjectAltName

解决方案：使用 OpenSSL 生成所有的证书。

• 1、生成私钥
  openssl genrsa -des3 -out rootCA.key 2048 密码123456
  生成证书申请文件(文件中只包含了公钥和一些认证实体信息：用来做证书申请的)
  openssl req -new -key rootCA.key -out rootCA.csr
  生成根证书
  openssl x509 -req -days 365 -sha256 -extfile d:\ssl\ssl.cnf -extensions v3_ca -signkey rootCA.key -in rootCA.csr -out rootCA.crt

• 2、根证书pem
  openssl req -x509 -new -nodes -key rootCA.key -sha256 -days 1024 -out rootCA.pem

• 3、创建一个新的OpenSSL配置文件，server.csr.cnf

[req]
default_bits = 2048
prompt = no
default_md = sha256
distinguished_name = dn

[dn]
C=CN
ST=shenzhen
L=shenzhen
O=shenzhen
OU=shenzhen
emailAddress=admin@localhost
CN=localhost

• 4、创建一个v3.ext文件，以创建一个X509 v3证书。注意我们指定了subjectAltName选项。

authorityKeyIdentifier=keyid,issuer
basicConstraints=CA:FALSE
keyUsage = digitalSignature, nonRepudiation, keyEncipherment, dataEncipherment
subjectAltName = @alt_names

[alt_names]
DNS.1 = localhost

• 5、创建证书密钥server.key；以存储有 localhost 的配置 server.csr.cnf 进行设置 。
  openssl req -new -sha256 -nodes -out server.csr -newkey rsa：2048 -keyout server.key -config <（cat server.csr.cnf）

• 6、证书签名请求通过我们之前创建的根证书rootCA.pem颁发，创建出一个localhost的域名证书。输出证书文件server.crt。
  openssl x509 -req -in server.csr -CA rootCA.pem -CAkey rootCA.key -CAcreateserial -out server.crt -days 500 -sha256 -extfile v3.ext

• 7、将文件server.key和server.crt文件复制到服务器上可访问的位置（具体操作可参考本文最后的总结部分）

以上7个步骤，1、2是生成自制根证书；3、4是配置文件；5、6是用配置文件和根证书生成服务端的证书；在实践中发现，不用制作根证书（即：省略1、2步），直接用配置文件生成服务端的证书也可以正常使用。

总结一下步骤：

只需4步即可生成证书：

1. 生成私钥 .key
   openssl genrsa -out [name].key 2048
2. 通过 .key 生成 .csr证书申请文件
   openssl req -new -key [name].key -out [name].csr
   检查 & 打印 .csr
   openssl req -text -noout -verify -in [name].csr
3. 通过 .key 和 .csr 生成 .crt证书
   openssl x509 -req -days 365 -in [name].csr -signkey [name].key -out [name].crt
   查看 .crt 内容
   openssl x509 -in [name].crt -text -noout
4. 通过已有证书添加 v3.ext 重新生成证书
   v3.ext文件

authorityKeyIdentifier=keyid,issuer
basicConstraints=CA:FALSE
keyUsage = digitalSignature, nonRepudiation, keyEncipherment, dataEncipherment
subjectAltName = @alt_names

[alt_names]
DNS.1 = localhost

最后的 DNS.1 = localhost 也可以直接写成 DNS = localhost。
openssl x509 -req -extfile v3.ext -days 3650 -in ssl.csr -CA ssl.crt -CAkey ssl.key -CAcreateserial -out ssl.crt
附1：不需要新建v3.ext文件的方法，直接把subjectAltName添加到证书里：
openssl x509 -req -extfile <(printf "subjectAltName=DNS:localhost") -days 365 -in ssl.csr -CA ssl.crt -CAkey ssl.key -CAcreateserial -out ssl.crt
附2：一步到位法：通过 .cnf 配置文件生成证书
上面的步骤是先生成证书，再用添加v3.ext文件的方法添加subjectAltName；下面直接用配置文件生成证书，一步到位：
(1)、ssl.cnf

[req] 
prompt = no 
default_bits = 4096
default_md = sha256
distinguished_name = dn 
x509_extensions = v3_req

[dn] 
C=CN
ST=Shanghai
L=Shanghai
O=TEST
OU=Testing Domain
CN=localhost
emailAddress=admin@localhost

[v3_req]
keyUsage=keyEncipherment, dataEncipherment
extendedKeyUsage=serverAuth
subjectAltName=@alt_names

[alt_names]
DNS.1=localhost

(2)、通过 ssl.cnf 生成 .key、.crt
openssl req -new -newkey rsa:2048 -sha1 -days 180 -nodes -x509 -keyout myssl.key -out myssl.crt -config d:\ssl\ssl.cnf
(3)、通过 .cnf 文件生成 .csr
openssl req -new -config d:\ssl\ssl.cnf -key d:\ssl\myssl.key -out myssl.csr
(4)、查看生成的证书的命令：openssl x509 -in d:\ssl\myssl.crt -text -noout

openssl 总结：

openssl创建 .cnf 配置文件
openssl通过 .cnf 生成 .key、.crt
这两步只是生成了证书，要想在项目中配置、使用他们，还要做下面两步：

• 生成服务端p12文件
  openssl pkcs12 -export -in d:\ssl\myssl.crt -inkey d:\ssl\myssl.key -out d:\ssl\myssl.p12 -name "server"
• 把p12导入keystore
  keytool -importkeystore -v -srckeystore d:\ssl\myssl.p12 -srcstoretype pkcs12 -srcstorepass 123456 -destkeystore d:\ssl\mytest.keystore -deststoretype jks -deststorepass 123456
• tomcat里配置ssl，增加keystore
  并注意把证书导入系统，和浏览器中；
  hosts 文件注意 loalhost 要对应127.0.0.1

临时解决方案

如何让 Chrome 信任自签名证书：临时方案
不检查证书
chrome://flags/#allow-insecure-localhost