作者：黄湘龙
研究HTTPS的双向认证实现与原理，踩了不少坑，终于整个流程都跑通了，现在总结出一篇文档来，把一些心得，特别是容易踩坑的地方记录下来。
1.原理
双向认证，顾名思义，客户端和服务器端都需要验证对方的身份，在建立Https连接的过程中，握手的流程比单向认证多了几步。单向认证的过程，客户端从服务器端下载服务器端公钥证书进行验证，然后建立安全通信通道。双向通信流程，客户端除了需要从服务器端下载服务器的公钥证书进行验证外，还需要把客户端的公钥证书上传到服务器端给服务器端进行验证，等双方都认证通过了，才开始建立安全通信通道进行数据传输。
1.1 单向认证流程
单向认证流程中，服务器端保存着公钥证书和私钥两个文件，整个握手过程如下：
单向认证流程
- 客户端发起建立HTTPS连接请求，将SSL协议版本的信息发送给服务器端；
- 服务器端将本机的公钥证书（server.crt）发送给客户端；
- 客户端读取公钥证书(server.crt)，取出了服务端公钥；
- 客户端生成一个随机数（密钥R），用刚才得到的服务器公钥去加密这个随机数形成密文，发送给服务端；
- 服务端用自己的私钥(server.key)去解密这个密文，得到了密钥R
- 服务端和客户端在后续通讯过程中就使用这个密钥R进行通信了。
1.2 双向认证流程
双向认证流程
- 客户端发起建立HTTPS连接请求，将SSL协议版本的信息发送给服务端；
- 服务器端将本机的公钥证书(server.crt)发送给客户端；
- 客户端读取公钥证书(server.crt)，取出了服务端公钥；
- 客户端将客户端公钥证书(client.crt)发送给服务器端；
- 服务器端使用根证书(root.crt)解密客户端公钥证书，拿到客户端公钥；
- 客户端发送自己支持的加密方案给服务器端；
- 服务器端根据自己和客户端的能力，选择一个双方都能接受的加密方案，使用客户端的公钥加密8. 后发送给客户端；
- 客户端使用自己的私钥解密加密方案，生成一个随机数R，使用服务器公钥加密后传给服务器端；
- 服务端用自己的私钥去解密这个密文，得到了密钥R
- 服务端和客户端在后续通讯过程中就使用这个密钥R进行通信了。
2. 证书生成
从上一章内容中，我们可以总结出来，如果要把整个双向认证的流程跑通，最终需要六个证书文件：
- 服务器端公钥证书：server.crt
- 服务器端私钥文件：server.key
- 根证书：root.crt
- 客户端公钥证书：client.crt
- 客户端私钥文件：client.key
- 客户端集成证书（包括公钥和私钥，用于浏览器访问场景）：client.p12
生成这一些列证书之前，我们需要先生成一个CA根证书，然后由这个CA根证书颁发服务器公钥证书和客户端公钥证书。为了验证根证书颁发与验证客户端证书这个逻辑，我们使用根证书办法两套不同的客户端证书，然后同时用两个客户端证书来发送请求，看服务器端是否都能识别。下面是证书生成的内在逻辑示意图：
证书生成
我们可以全程使用openssl来生成一些列的自签名证书，自签名证书没有听过证书机构的认证，很多浏览器会认为不安全，但我们用来实验是足够的。需要在本机安装了openssl后才能继续本章的实验。
2.1生成自签名根证书
（1）创建根证书私钥：
openssl genrsa -out root.key 1024
（2）创建根证书请求文件：
openssl req -new -out root.csr -key root.key
后续参数请自行填写，下面是一个例子：
Country Name (2 letter code) [XX]:cn
State or Province Name (full name) []:bj
Locality Name (eg, city) [Default City]:bj
Organization Name (eg, company) [Default Company Ltd]:alibaba
Organizational Unit Name (eg, section) []:test
Common Name (eg, your name or your servers hostname) []:root
Email Address []:a.alibaba.com
A challenge password []:
An optional company name []:
（3）创建根证书：
openssl x509 -req -in root.csr -out root.crt -signkey root.key -CAcreateserial -days 3650
在创建证书请求文件的时候需要注意三点，下面生成服务器请求文件和客户端请求文件均要注意这三点：
根证书的Common Name填写root就可以，所有客户端和服务器端的证书这个字段需要填写域名，一定要注意的是，根证书的这个字段和客户端证书、服务器端证书不能一样；
其他所有字段的填写，根证书、服务器端证书、客户端证书需保持一致
最后的密码可以直接回车跳过。
经过上面三个命令行，我们最终可以得到一个签名有效期为10年的根证书root.crt，后面我们可以用这个根证书去颁发服务器证书和客户端证书。
2.2 生成自签名服务器端证书
（1）生成服务器端证书私钥：
openssl genrsa -out server.key 1024
（2） 生成服务器证书请求文件，过程和注意事项参考根证书，本节不详述：
openssl req -new -out server.csr -key server.key
（3） 生成服务器端公钥证书
openssl x509 -req -in server.csr -out server.crt -signkey server.key -CA root.crt -CAkey root.key -CAcreateserial -days 3650
经过上面的三个命令，我们得到：
- server.key：服务器端的秘钥文件
- server.crt：有效期十年的服务器端公钥证书，使用根证书和服务器端私钥文件一起生成
2.3 生成自签名客户端证书
（1）生成客户端证书秘钥：
openssl genrsa -out client.key 1024
openssl genrsa -out client2.key 1024
（2） 生成客户端证书请求文件，过程和注意事项参考根证书，本节不详述：
openssl req -new -out client.csr -key client.key
openssl req -new -out client2.csr -key client2.key
（3） 生客户端证书
openssl x509 -req -in client.csr -out client.crt -signkey client.key -CA root.crt -CAkey root.key -CAcreateserial -days 3650
openssl x509 -req -in client2.csr -out client2.crt -signkey client2.key -CA root.crt -CAkey root.key -CAcreateserial -days 3650
（4） 生客户端p12格式证书，需要输入一个密码，选一个好记的，比如123456
openssl pkcs12 -export -clcerts -in client.crt -inkey client.key -out client.p12
openssl pkcs12 -export -clcerts -in client2.crt -inkey client2.key -out client2.p12
重复使用上面的三个命令，我们得到两套客户端证书：
client.key/client2.key：客户端的私钥文件
client.crt/client2.key：有效期十年的客户端证书，使用根证书和客户端私钥一起生成
client.p12/client2.p12：客户端p12格式，这个证书文件包含客户端的公钥和私钥，主要用来给浏览器访问使用
3.Nginx配置
有了上面的一些列证书，我们可以在Nginx服务器上配置双向认证的HTTPS服务了，具体配置方式如下：
server {
listen 443 ssl;
server_name www.yourdomain.com;
ssl on;
ssl_certificate /data/sslKey/server.crt; #server公钥证书
ssl_certificate_key /data/sslKey/server.key; #server私钥
ssl_client_certificate /data/sslKey/root.crt; #根证书，可以验证所有它颁发的客户端证书
ssl_verify_client on; #开启客户端证书验证
location / {
root html;
index index.html index.htm;
}
}
具体就是将服务器端的两个证书文件(server.crt/server.key)和根证书文件(root.crt)的路径配置到nginx的server节点配置中，并且把ssl_verify_client这个参数设置为on。
有一点需要注意的就是，如果客户端证书不是由根证书直接颁发的，配置中还需要加一个配置：ssl_verify_depth 1;
配置完成后，执行nginx -s reload重新加载下就生效了。
4.使用curl作为客户端调用验证
使用curl加上证书路径，可以直接测试Nginx的HTTPS双向认证是否配置成功。下面我们测试三个用例：
- 使用client.crt/client.key这一套客户端证书来调用服务器端
- 使用client.crt2/client2.key这一套客户端证书来调用服务器端
- 不使用证书来调用服务器端
下面是三个用例的测试结果：
- 带证书的成功调用：
#--cert指定客户端公钥证书的路径
#--key指定客户端私钥文件的路径
#-k不校验证书的合法性，因为我们用的是自签名证书，所以需要加这个参数
#可以使用-v来观察具体的SSL握手过程
curl --cert ./client.crt --key ./client.key https://integration-fred2.fredhuang.com -k -v
* Rebuilt URL to: https://47.93.245.203/
* Trying 47.93.245.203...
* TCP_NODELAY set
* Connected to 47.93.245.203 (47.93.245.203) port 443 (#0)
* ALPN, offering h2
* ALPN, offering http/1.1
* Cipher selection: ALL:!EXPORT:!EXPORT40:!EXPORT56:!aNULL:!LOW:!RC4:@STRENGTH
* successfully set certificate verify locations:
* CAfile: /etc/ssl/cert.pem
CApath: none
* TLSv1.2 (OUT), TLS handshake, Client hello (1):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Server hello (2):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Certificate (11):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Server key exchange (12):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Request CERT (13):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Server finished (14):
* TLSv1.2 (OUT), TLS handshake, Certificate (11):
* TLSv1.2 (OUT), TLS handshake, Client key exchange (16):
* TLSv1.2 (OUT), TLS handshake, CERT verify (15):
* TLSv1.2 (OUT), TLS change cipher, Client hello (1):
* TLSv1.2 (OUT), TLS handshake, Finished (20):
* TLSv1.2 (IN), TLS change cipher, Client hello (1):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Finished (20):
* SSL connection using TLSv1.2 / ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384
* ALPN, server accepted to use http/1.1
* Server certificate:
* subject: C=CN; ST=BJ; L=BJ; O=Alibaba; OU=Test; CN=integration-fred2.fredhuang.com; emailAddress=a@alibaba.com
* start date: Nov 2 01:01:34 2019 GMT
* expire date: Oct 30 01:01:34 2029 GMT
* issuer: C=CN; ST=BJ; L=BJ; O=Alibaba; OU=Test; CN=root; emailAddress=a@alibaba.com
* SSL certificate verify result: unable to get local issuer certificate (20), continuing anyway.
> GET / HTTP/1.1
> host:integration-fred2.fredhuang.com
> User-Agent: curl/7.54.0
> Accept: */*
>
< HTTP/1.1 200 OK
< Server: nginx/1.17.5
< Date: Sat, 02 Nov 2019 02:39:43 GMT
< Content-Type: text/html
< Content-Length: 612
< Last-Modified: Wed, 30 Oct 2019 11:29:45 GMT
< Connection: keep-alive
< ETag: "5db97429-264"
< Accept-Ranges: bytes
<
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
body {
width: 35em;
margin: 0 auto;
font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif;
}
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>
<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>
<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>
* Connection #0 to host 47.93.245.203 left intact
- 使用client2.crt/client2.key这一套客户端证书来调用服务器端
curl --cert ./client2.crt --key ./client2.key https://integration-fred2.fredhuang.com -k
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
<style>
body {
width: 35em;
margin: 0 auto;
font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif;
}
</style>
</head>
<body>
<h1>Welcome to nginx!</h1>
<p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and
working. Further configuration is required.</p>
<p>For online documentation and support please refer to
<a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/>
Commercial support is available at
<a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p>
<p><em>Thank you for using nginx.</em></p>
</body>
</html>
- 不带证书的调用
curl https://integration-fred2.fredhuang.com -k
<html>
<head><title>400 No required SSL certificate was sent</title></head>
<body>
<center><h1>400 Bad Request</h1></center>
<center>No required SSL certificate was sent</center>
<hr><center>nginx/1.17.5</center>
</body>
</html>
三个用例都符合预期，从第一个测试日志中，我们可以看到，整个通信过程较长，客户端验证服务器端的证书，客户端也将自己的证书上传到服务器端进行验证。使用根证书颁发的两个客户端证书都可以正常发起双向HTTPS认证的调用。没有带客户端证书的调用会被服务器端拒绝服务。
5.使用Java调用
由于使用的是自签名证书，使用ApacheHttpClient去调用的话，需要将服务器证书加入可信任证书库中，才能成功调用，也可以在代码中简单忽略证书。
cd $JAVA_HOME
sudo ./bin/keytool -import -alias ttt -keystore cacerts -file /Users/fred/temp/cert5/server.crt
将服务器端公钥证书设置为可信证书后，使用以下代码可以直接发起带客户端证书的HTTPS请求：
import org.apache.http.HttpEntity;
import org.apache.http.client.methods.CloseableHttpResponse;
import org.apache.http.client.methods.HttpGet;
import org.apache.http.conn.ssl.SSLConnectionSocketFactory;
import org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient;
import org.apache.http.impl.client.HttpClients;
import org.apache.http.ssl.SSLContexts;
import org.apache.http.util.EntityUtils;
import javax.net.ssl.SSLContext;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.security.KeyStore;
public class HttpClientWithClientCert {
private final static String PFX_PATH = "/Users/fred/temp/cert5/client.p12"; //客户端证书路径
private final static String PFX_PWD = "123456"; //客户端证书密码
public static String sslRequestGet(String url) throws Exception {
KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("PKCS12");
InputStream instream = new FileInputStream(new File(PFX_PATH));
try {
keyStore.load(instream, PFX_PWD.toCharArray());
} finally {
instream.close();
}
SSLContext sslcontext = SSLContexts.custom().loadKeyMaterial(keyStore, PFX_PWD.toCharArray()).build();
SSLConnectionSocketFactory sslsf = new SSLConnectionSocketFactory(sslcontext
, new String[] { "TLSv1" } // supportedProtocols ,这里可以按需要设置
, null // supportedCipherSuites
, SSLConnectionSocketFactory.getDefaultHostnameVerifier());
CloseableHttpClient httpclient = HttpClients.custom().setSSLSocketFactory(sslsf).build();
try {
HttpGet httpget = new HttpGet(url);
//httpget.addHeader("host", "integration-fred2.fredhuang.com");// 设置一些heander等
CloseableHttpResponse response = httpclient.execute(httpget);
try {
HttpEntity entity = response.getEntity();
String jsonStr = EntityUtils.toString(response.getEntity(), "UTF-8");//返回结果
EntityUtils.consume(entity);
return jsonStr;
} finally {
response.close();
}
} finally {
httpclient.close();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println(System.getProperty("java.home"));
System.out.println(sslRequestGet("https://integration-fred2.fredhuang.com"));
}
}
6. 总结
HTTPS双向认证方式通信在一些安全级别较高的场景非常有用，拥有合法证书的客户端才能正常访问业务。实现这个场景需要以下几步：
- 生成根公钥证书和私钥文件（root.crt/root.key）；
- 使用根证书和根证书私钥(root.crt/root.key)配合服务器端私钥颁发服务器端证书(server.crt)；
- 使用根证书和根证书私钥(root.crt/root.key)配合客户端私钥颁发客户端证书(client.crt)；
- 将根证书(root.crt)、服务器端证书(server.crt)、服务器端秘钥（server.key）配置到Nginx的Server配置中；
- 客户端使用客户端私钥和根证书颁发的客户端证书（client.crt）正常访问业务。
根证书可以任意颁发客户端证书并给业务方使用，为了安全起见，需要注意颁发的证书的有效期。
魔鬼藏在细节，有两个细节再次重点强调下：
- 根证书的Common Name填写root就可以，所有客户端和服务器端的证书这个字段需要填写域名，一定要注意的是，根证书的这个字段和客户端证书、服务器端证书不能一样；
- Nginx的ssl_client_certificate需要配置根证书root.crt，而不是客户端证书；
