动态加载证书和 OCSP stapling

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2023-12-01

一个标准的 Nginx ssl 配置必然包含这两行：

ssl_certificate     example.com.crt;
ssl_certificate_key example.com.key;

Nginx 启动时会读取配置的证书内容，并经过一系列解析后，最终通过调用 OpenSSL 的 SSL_use_certificate 来设置证书。
对于匹配的私钥，Nginx 调用的是 SSL_use_PrivateKey。

于是有了个新的想法：既然 OpenSSL 允许我们动态地设置证书和私钥，也许我们可以在建立连接前才设置证书和私钥呢？
这样一来，我们可以结合 SNI，针对不同的请求域名动态设置不同的证书和私钥，而无需事先把可能用到的证书和私钥都准备好。

动态加载证书

借助 OpenResty，我们可以轻易地把这个想法变成现实。

所需的，是 ssl_certificate_by_lua* 指令和来自 lua-resty-core 的 ngx.ssl 模块。另外，编译 OpenResty 时指定的 OpenSSL 需要 1.0.2e 或以上的版本。

见下面的示例代码：

server {
    listen 443 ssl;
    server_name   test.com;

    # 用于满足 Nginx 配置的占位符
    ssl_certificate fake.crt;
    ssl_certificate_key fake.key;

    ssl_certificate_by_lua_block {
        local ssl = require "ngx.ssl"

        -- 清除之前设置的证书和私钥
        local ok, err = ssl.clear_certs()
        if not ok then
            ngx.log(ngx.ERR, "failed to clear existing (fallback) certificates")
            return ngx.exit(ngx.ERROR)
        end

        -- 后续代码见下文
    }
}

证书/私钥的格式分两种，一种是文本格式的 PEM，另一种是二进制格式的 DER。我们看到的证书一般是 PEM 格式的。
这两种不同的格式，处理代码有所不同。

先看 PEM 的处理方式：

-- 获取证书内容，比如 io.open("my.crt"):read("*a")
local cert_data, err = get_my_pem_cert_data()
if not cert_data then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to get PEM cert: ", err)
    return
end

-- 解析出 cdata 类型的证书值，你可以用 lua-resty-lrucache 缓存解析结果
local cert, err = ssl.parse_pem_cert(cert_data)
if not cert then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to parse PEM cert: ", err)
    return
end

local ok, err = ssl.set_cert(cert)
if not ok then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to set cert: ", err)
    return
end

local pkey_data, err = get_my_pem_priv_key_data()
if not pkey_data then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to get DER private key: ", err)
    return
end

local pkey, err = ssl.parse_pem_priv_key(pkey_data)
if not pkey then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to parse pem key: ", err)
    return
end

local ok, err = ssl.set_priv_key(pkey)
if not ok then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to set private key: ", err)
    return
end

再看 DER 的处理方式：

-- 获取证书内容，比如 io.open("my.crt.der"):read("*a")
local cert_data, err = get_my_der_cert_data()
-- 你也可以把 pem 格式的证书直接转换成 der 格式的，像这样：
-- local cert_pem_data = get_my_pem_cert_data()
-- local cert_data, err = ssl.cert_pem_to_der(cert_pem_data)
if not cert_data then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to get DER cert: ", err)
    return
end

-- 这里的 cert_data 是 string 类型的，所以可以直接缓存到 lua_shared_dict 当中
local ok, err = ssl.set_der_cert(cert_data)
if not ok then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to set DER cert: ", err)
    return
end

local pkey_data, err = get_my_der_priv_key_data()
-- 你也可以把 pem 格式的私钥直接转换成 der 格式的，像这样：
-- local pkey_pem_data = get_my_pem_priv_key_data()
-- local pkey_data, err = ssl.priv_key_pem_to_der(pkey_pem_data)
if not pkey_data then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to get DER private key: ", err)
    return
end

local ok, err = ssl.set_der_priv_key(pkey_data)
if not ok then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to set DER private key: ", err)
    return
end

OCSP stapling

基于 CA 的 Public key infrastructure（PKI）需要有及时更新证书吊销情况的机制。
目前的主流方式是 Online Certificate Status Protocol (OCSP)。
即在获取到证书信息时，由浏览器负责向对应的 CA 发起证书吊销状态的查询。除了 Chrome 另辟蹊径，其他浏览器都支持这一协议。

该方式有两个问题：

每个浏览器访问同一网站时，都会发起独立的查询，导致 CA 的服务会面临较大的压力。
只有在 OCSP 查询结果出来后，浏览器才能信任所给的证书。所以一旦需要进行 OCSP 查询，会对页面加载时间造成明显影响。

作为开发者，我们并不关心第一点。但第二点却不能不解决。
还好 OCSP 有一个“补丁”，叫 OCSP stapling。
Web 应用可以定期通过 OCSP stapling 从 CA 处获取自己证书的吊销状态，然后在 SSL 握手时把结果返回给浏览器。

既然我们的证书已经是动态加载的，我们也需要实现动态的 OCSP stapling。看下面的示例代码：

-- ngx.ocsp 来自于 lua-resty-core 标准库
local ocsp = require "ngx.ocsp"
local http = require "resty.http"

-- 上接动态获取 DER 格式的证书
-- 当前 OCSP 接口只支持 DER 格式的证书
local ocsp_url, err = ocsp.get_ocsp_responder_from_der_chain(cert_der_data)
if not ocsp_url then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to get OCSP responder: ", err)
    return ngx.exit(ngx.ERROR)
end

-- 生成 OCSP 请求体
local ocsp_req, ocsp_request_err = ocsp.create_ocsp_request(cert_der_data)
if not ocsp_req then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to create OCSP request: ", err)
    return ngx.exit(ngx.ERROR)
end

local httpc = http.new()
httpc:set_timeout(10000)
local res, req_err = httpc:request_uri(ocsp_url, {
    method = "POST",
    body = ocsp_req,
    headers = {
        ["Content-Type"] = "application/ocsp-request",
    }
})

-- 校验 CA 的返回结果
if not res then
    ngx.log(ngx.ERR, "OCSP responder query failed: ", err)
    return ngx.exit(ngx.ERROR)
end

local http_status = res.status

if http_status ~= 200 then
    ngx.log(ngx.ERR, "OCSP responder returns bad HTTP status code ",
            http_status)
    return ngx.exit(ngx.ERROR)
end

local ocsp_resp = res.body

if ocsp_resp and #ocsp_resp > 0 then
    local ok, err = ocsp.validate_ocsp_response(ocsp_resp, der_cert_chain)
    if not ok then
        ngx.log(ngx.ERR, "failed to validate OCSP response: ", err)
        return ngx.exit(ngx.ERROR)
    end

    -- 设置当前 SSL 连接的 OCSP stapling
    ok, err = ocsp.set_ocsp_status_resp(ocsp_resp)
    if not ok then
        ngx.log(ngx.ERR, "failed to set ocsp status resp: ", err)
        return ngx.exit(ngx.ERROR)
    end
end

CA 返回的 OCSP stapling 结果需要缓存起来，直到需要刷新为止。目前 OpenResty 还缺乏提取 OCSP stapling 有效时间(nextUpdate - thisUpdate)的接口。
有一个相关的 PR，需要的话，你可以参照着在一个独立的 Nginx C 模块里实现对应功能。

作为参照，Nginx 计算刷新时间的公式是 max(min(nextUpdate - now - 5m, 1h), now + 5m)，即 5 分钟到 1 小时之间。而另一个服务器 Caddy，则采用 (nextUpdate - thisUpdate) / 2 作为刷新的时间。

具体缓存多久会比较好，你也可以咨询下签发证书的 CA。