第三节：HTTPS数字证书和数字证书链

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小牛编辑

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2023-12-01

什幺是数字证书和数字证书链

上一节说到SSL/TLS协议是为了解决三大风险而设计，第三点就是防止身份被冒充，防止身份被冒充的核心关键就是数字证书和数字证书链。下面”直白”的方式说下数字证书和数字证书链。

为了保证信息在传输中的安全和双方的身份不被冒充，HTTPS在建立安全链接阶段使用了公钥、私钥两把“钥匙”——非对称加密。非对称意思是：公钥加密的内容，只有私钥才能解密。私钥加密的内容，只有公钥才能解密。公钥是公开的，私钥保存在服务器端。

第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图1

由上图可看出只有拥有了“私钥”的服务器才能解密出“公钥”加密的对话内容。如果客户端获取到的公钥确实是由真正服务器生成的，那幺就能确保了服务器的身份不是伪造的。现在问题来了，因为公私钥的生成算法是开源的，每个服务器都能提供并生成自己的一对公私钥，客户端如何确认拿到的公钥不是伪造的。

这里引出了另外一个安全机制，就是数字证书链。证书链的核心是证书中心(certificate authority，简称CA)，合法CA的公钥是预存在操作系统和浏览器里的，只有通过了CA认证的服务器公钥才被浏览器客户端认为是可信的公钥。认证的原理很简单，依然是公私钥原理。CA拿自己的私钥去给需要认证的服务器公钥签名，生成一个“数字证书”。数字证书是包含了CA的签名，服务器自身公钥等等信息的集合体。浏览器拿着CA的公钥去验证该签名。只有被CA公钥验证通过的证书才是可信任的证书。有了这个逻辑，整个安全证书链信任系统就构成了。

客户端验证服务器证书
第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图2

如何取得“信任”

回到最初的思路分析：建立一个可以同时与客户端和服务端进行通信的网络服务。

现在需要解决的是如何得到客户端的信任，才能建立与客户端的通信。经过上面的分析，突破口就是CA证书。只要自定义的CA证书得到了客户端的信任，我就能用CA证书签发各种“伪造”的服务器证书。简单说就是让客户端系统安装上我们自定义的CA证书。

如何生成CA根证书

由于生成证书的方法是开源的，这里用到的是一个Node.js的库forge。但需要注意的是，使用什幺样的方式生成CA根证书并不影响我们最终实现一个HTTPS中间人代理，如果你对openssl生成证书的方式比较熟悉，用openssl完成这一步也是可行的。

生成CA证书代码核心部分：

const forge = require('node-forge');
const pki = forge.pki;
const fs = require('fs');
const path = require('path');
const mkdirp = require('mkdirp');
var keys = pki.rsa.generateKeyPair(1024);
var cert = pki.createCertificate();
cert.publicKey = keys.publicKey;
cert.serialNumber = (new Date()).getTime() + '';
// 设置CA证书有效期
cert.validity.notBefore = new Date();
cert.validity.notBefore.setFullYear(cert.validity.notBefore.getFullYear() - 5);
cert.validity.notAfter = new Date();
cert.validity.notAfter.setFullYear(cert.validity.notAfter.getFullYear() + 20);
var attrs = [{
    name: 'commonName',
    value: 'https-mitm-proxy-handbook'
}, {
    name: 'countryName',
    value: 'CN'
}, {
    shortName: 'ST',
    value: 'GuangDong'
}, {
    name: 'localityName',
    value: 'ShenZhen'
}, {
    name: 'organizationName',
    value: 'https-mitm-proxy-handbook'
}, {
    shortName: 'OU',
    value: 'https://github.com/wuchangming/https-mitm-proxy-handbook'
}];
cert.setSubject(attrs);
cert.setIssuer(attrs);
cert.setExtensions([{
    name: 'basicConstraints',
    critical: true,
    cA: true
}, {
    name: 'keyUsage',
    critical: true,
    keyCertSign: true
}, {
    name: 'subjectKeyIdentifier'
}]);
// 用自己的私钥给CA根证书签名
cert.sign(keys.privateKey, forge.md.sha256.create());
var certPem = pki.certificateToPem(cert);
var keyPem = pki.privateKeyToPem(keys.privateKey);
console.log('公钥内容：\n');
console.log(certPem);
console.log('私钥内容：\n');
console.log(keyPem);

完整源码：../code/chapter3/createRootCA.js

npm script运行方式

npm run createRootCA

执行完npm run createRootCA后，CA根证书的公私钥会生成到项目根路径的rootCA文件夹下：

公钥文件：rootCA/rootCA.crt
私钥文件：rootCA/rootCA.key.pem

安装CA根证书

⚠️注意：

1.必须要按照上面步骤先生成CA证书相关文件
2.每一次生成的证书和密钥都是独一无二的。

Windows

第一步：

首先双击打开证书文件rootCA/rootCA.crt

第二步：

第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图3

第三步：

第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图4

第四步：

第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图5

检查证书安装

命令行输入certmgr.msc，如下图可以看到新安装的证书

第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图6

Mac

项目根路径下执行下面命令

sudo security add-trusted-cert -d -r trustRoot -k /Library/Keychains/System.keychain rootCA/rootCA.crt

也可以直接运行npm script

npm run installCAForMac

输入用户密码后即可安装成功。

检查证书安装

输入命令open /Library/Keychains/System.keychain 可查看安装情况如下图

第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图7

根据CA根证书生成对应不同域名的子证书

生成一个伪造的github的证书

const forge = require('node-forge');
const pki = forge.pki;
const fs = require('fs');
const path = require('path');
const mkdirp = require('mkdirp');
// CNanme
var domain = 'github.com';
var caCertPem = fs.readFileSync(path.join(__dirname, '../../rootCA/rootCA.crt'));
var caKeyPem = fs.readFileSync(path.join(__dirname, '../../rootCA/rootCA.key.pem'));
var caCert = forge.pki.certificateFromPem(caCertPem);
var caKey = forge.pki.privateKeyFromPem(caKeyPem);
var keys = pki.rsa.generateKeyPair(1024);
var cert = pki.createCertificate();
cert.publicKey = keys.publicKey;
cert.serialNumber = (new Date()).getTime() + '';
cert.validity.notBefore = new Date();
cert.validity.notBefore.setFullYear(cert.validity.notBefore.getFullYear() - 1);
cert.validity.notAfter = new Date();
cert.validity.notAfter.setFullYear(cert.validity.notAfter.getFullYear() + 1);
var attrs = [{
    name: 'commonName',
    value: domain
}, {
    name: 'countryName',
    value: 'CN'
}, {
    shortName: 'ST',
    value: 'GuangDong'
}, {
    name: 'localityName',
    value: 'ShengZhen'
}, {
    name: 'organizationName',
    value: 'https-mitm-proxy-handbook'
}, {
    shortName: 'OU',
    value: 'https://github.com/wuchangming/https-mitm-proxy-handbook'
}];
cert.setIssuer(caCert.subject.attributes);
cert.setSubject(attrs);
cert.setExtensions([{
    name: 'basicConstraints',
    critical: true,
    cA: false
}, {
    name: 'keyUsage',
    critical: true,
    digitalSignature: true,
    contentCommitment: true,
    keyEncipherment: true,
    dataEncipherment: true,
    keyAgreement: true,
    keyCertSign: true,
    cRLSign: true,
    encipherOnly: true,
    decipherOnly: true
}, {
    name: 'subjectKeyIdentifier'
}, {
    name: 'extKeyUsage',
    serverAuth: true,
    clientAuth: true,
    codeSigning: true,
    emailProtection: true,
    timeStamping: true
}, {
    name: 'authorityKeyIdentifier'
}]);
cert.sign(caKey, forge.md.sha256.create());
var certPem = pki.certificateToPem(cert);
var keyPem = pki.privateKeyToPem(keys.privateKey);
console.log(certPem);
console.log(keyPem);

npm script运行方式

npm run createCertByRootCA

执行完npm run createCertByRootCA后，CA根证书的公私钥会生成到项目根路径的cert文件夹下：

公钥文件：cert/my.crt
私钥文件：cert/my.key.pem

通过证书链的原理可以了解，获取CA认证的方法就是用CA证书的私钥给需要认证的子证书签名。上面的代码即是根据这个原理伪造了一个github.com域名的子证书。

证书中的Common Name字段表明了该证书对应的域名
第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图8

如果需要代表多个域名时需要用到扩展字段Subject Alternative Name
第三节：HTTPS数字证书和数字证书链 - 图9

另外和CA根证书最大的不同是，该子证书是用CA根证书的私钥签名，而CA根证书是用自己的私钥自签名。这也从代码的角度认识到了证书链的原理

// 用CA根证书私钥签名
cert.sign(caKey, forge.md.sha256.create());