OpenSSL操作指南

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2023-12-01

生成RSA秘钥对

以下OpenSSL的genrsa^genrsa命令生成一个2048 bit的公钥私
钥对，输出到文件server.key里^gist：

openssl genrsa -out server.key 2048

server.key是PEM格式^pem的：

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
Proc-Type: 4,ENCRYPTED
DEK-Info: DES-EDE3-CBC,DB98A9512DD7CBCF
yKTM+eoxBvptGrkEixhljqHSuE+ucTh3VqYQsgO6+8Wbh1docbFUKzLKHrferJBH
...
-----END RSA PRIVATE KEY-----

虽说文件头尾都标注着RSA PRIVATE KEY，但实际上这个文件里既包括公钥也
包括私钥^genrsa。

生成身份证申请

以下OpenSSL的req命令^req以上文中的 server.key 为输
入，生成一个身份证申请（CSR）文件 server.csr。

openssl req -nodes -new -key server.key -subj "/CN=localhost" -out server.csr

这个 CSR 里的公钥是从 server.key 里提取出来的，域名是 localhost。
需要注意的是，如果将来我们启动一个 HTTPS 服务，使用这个 CSR 签署的身份
证，那么客户端必须可以通过域名 locahost 访问到这个 HTTPS 服务。

server.csr文件也是PEM格式的，文件头尾标注为 CERTIFICATE REQUEST:

-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
MIIC0TCCAbkCAQAwgYsxCzAJBgNVBAYTAlVTMQswCQYDVQQIEwJDQTERMA8GA1UE
...
-----END CERTIFICATE REQUEST-----

签署身份证

以下OpenSSL的x509命令^x509用指定的私钥 server.key
签署 server.csr，输出身份证 server.crt：

openssl x509 -req -sha256 -days 365 -in server.csr -signkey server.key -out server.crt

server.crt也是PEM格式的。文件头尾的标记为CERTIFICATE:

-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIDlDCCAnwCCQDQ1UvQyFD7jDANBgkqhkiG9w0BAQsFADCBizELMAkGA1UEBhMC
...
-----END CERTIFICATE-----

在这个例子里，用来签署CSR的私钥和 CSR 里的公钥是一对儿。也就是说这是一
个自签名（self-sign）的例子。

通常情况下，我们会用一个CA的私钥来签署一个CSR。在这个为 Kubernetes
apiserver 签署身份证的例子^sign里，apiserver 的身份
证是用一个自签署的CA的私钥来签署的：

$ openssl genrsa -out ca-key.pem 2048
$ openssl req -x509 -new -nodes -key ca-key.pem -days 10000 -out ca.pem -subj "/CN=kube-ca"
$ openssl genrsa -out apiserver-key.pem 2048
$ openssl req -new -key apiserver-key.pem -out apiserver.csr -subj "/CN=kube-apiserver" -config openssl.cnf
$ openssl x509 -req -in apiserver.csr -CA ca.pem -CAkey ca-key.pem -CAcreateserial -out apiserver.pem -days 365 -extensions v3_req -extfile openssl.cnf

这个例子里，ca-key.pem是Kubernetes管理员自己创建的CA的私钥（其实是密
钥对）。第二个命令（openssl req -x509 ...）不经过生成CSR的过程，直接
输出CA的身份证。注意CA的域名是 kube-ca。

接下来三个命令分别创建 apiserver 的私钥，生成 apiserver 的CSR，以及用
CA 的private key（ca-key.pem）来签署 apiserver 的身份证。

注意，签署 apiserver.csr 得到 apiserver 的身份证（apiserver.pem）
的过程中，不仅需要 ca-key.pem，还需要CA的身份证 ca.pem，因为
apiserver.pem 里附上了 CA 的身份证。从而构成一个信任链。

HTTPS Server

现在我们有了 server.key 和 server.crt。我们可以写一个HTTPS服务程序，
它私藏 server.key，同时在与任何客户端程序首轮通信的时候通告自己的身
份证 server.crt。这里有几点需要注意：

为了确保“私藏”一个文件，我们需要设置其文件系统访问权限为只有owner可
读^sign：
```
chmod 400 server.key
```

如果我们用Go语言来写这个 HTTPS server，只需要在调用
http.ListenAndServeTLS() 函数的时候，把server.key和
server.crt的文件路径传递给它即可。整个程序源码如下：

 package main
 import (
     "io"
     "log"
     "net/http"
 )
 func main() {
     http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
         io.WriteString(w, "hello, world!n")
     })
     if e := http.ListenAndServeTLS(":443", "server.crt", "server.key", nil); e != nil {
         log.Fatal("ListenAndServe: ", e)
     }
 }

因为我们在前面这一步生成 server.csr 的时
候，指定的域名是 localhost，所以必须确保 HTTPS 程序监听 localhost
虚拟网卡上的端口 443。上面程序里指定的监听地址是"443"，只有端口没
有标识网卡的IP地址或者域名，那么 ListenAndServerTLS 会让程序监听
本机所有网卡上的 443 端口。
```
sudo go run server.go &
```
同样的原因，客户端必须通过 localhost 访问我们的 HTTPS 服务。在这
个例子里，localhost 域名意味着只有本机上执行的客户端才能访问。

访问TLS服务

用浏览器

我们可以通过浏览器访问我们的 HTTPS server。但是因为server的身份证是我
们自签署的，浏览器里没有CA的身份证其中的公钥
可以验证 server.crt，所以浏览器会提示说它不信任我们的HTTPS服务。但是
如果用户表示信任，还是可以访问的。

要想消除浏览器的提示，最简单的办法就是把我们为HTTPS服务自签署的身份证
加入到浏览器里^chrome。

实际上，很多公司的运维团队都会生自命为本公司内部的CA，成一个自签署的身
份证，加入到公司配发的电脑的操作系统或者浏览器里。而本公司内部的很多网
路服务（报销系统、人事管理系统、考评系统、各种计算资源上的SSH服务）都
用这个内部CA来签署。这样用公司的电脑，即可访问这些服务。

用curl

类似的，我们可以通过加 -k 参数让 curl 信任我们的HTTPS 服务器：

$ /usr/local/Cellar/curl/7.49.1/bin/curl -k https://localhost
hello, world!

或者我们可以把我们自签署的身份证告诉 curl，让它用这个身份证验证我们的
HTTPS 服务：

$ curl --cacert server.crt https://localhost
hello, world!

如果手边没有 server.crt，我们甚至可以用 openssl
工具找我们的 HTTPS server 要一份：

$ /usr/local/Cellar/openssl/1.0.2h/bin/openssl s_client -showcerts -connect localhost:443 > cacert.pem
$ curl --cacert cacert.pem https://localhost
hello, world!

请注意，Mac OS X 自带的 openssl 版本太低，不支持 Go 语言 http
package 里实现的高级加密算法，所以我们得用 Homebrew 安装新版本：

brew update && brew install openssl

下一步

从上面操作可以看出来，TLS的具体操作和 OpenSSL 息息相关。关于OpenSSL的
更多用法，可以参见^esse。

当我们用 OpenSSL 创建了CA身份证并且用CA身份证给相关程序签署了各自的身
份证之后，我们就可以开工写作和调试这些程序了。在下一篇
里，我们介绍如何用Go语言写HTTPS的server和client。