基于 OpenSSL 的 CA 建立及证书签发

前段时间研究了一下 SSL/TLS ，看的是 Eric Rescorla 的 SSL and TLS - Designing and Building Secure Systems 的中文版（关于该中文版的恶劣程度，我在之前的一篇 Blog 中已做了严厉的批判）。本书的作者沿袭了 Stevens 在其神作 TCP/IP Illustrated 中的思想：使用网络嗅探进行协议演示。不同的是，作者并没有使用 ，而是使用了自己编写的专用于嗅探 SSL/TLS 通讯的 。为了对书中的一些内容进行试验确认，我决定使用 ssldump 进行一些实验。然而，进行 SSL/TLS 通讯，至少需要一份 CA 签发的证书才可以得以完成，仅仅是做个实验，我自然不会花天价去买个证书，所以决定自己建 CA 签发证书。

然而，到今天为止，我也没有能够成功地利用 ssldump 嗅探出一个 SSL/TLS 通讯包。为啥？只因为用 建立 CA 签发证书的过程太麻烦了，以至于我忙活了好久才勉强建了个 CA ，之后又由于其他的事情，耽搁了 ssldump 的实验，于是就一直没有下文了。

什么？有免费的知名 CA 可以提供证书？咳……这个，我也是事后才知道的……不过，利用 OpenSSL 建立 CA 及自行签发证书的过程倒是很值得一写。 OpenSSL 的 ca 命令实在是难用，难怪 ca (1) 的 manpage 中这样写到：

WARNINGS

The ca command is quirky and at times downright unfriendly.

The ca utility was originally meant as an example of how to do things in a CA. It was not supposed to be used as a full blown CA itself: nevertheless some people are using it for this purpose.

The ca command is effectively a single user command: no locking is done on the various files and attempts to run more than one ca command on the same database can have unpredictable results.

看来，我们这些非要用 OpenSSL 来做 CA 的人本来就是自找麻烦。不过，虽然 OpenSSL 的用户界面让人望而却步，就其功能而言，恐怕是各个相关 FOSS 产品中最为完备的一款，加之获取方便，在 Debian 下直接 aptitude install openssl 便可以安装， Win32 下的话，也可以方便地从在 cygwin 官方镜像站上获取。况且，作为信息安全方面的新手，我对其他相关产品也是一无所知。所以，还是硬着头皮去啃 OpenSSL 的 man 手册。利用了两三天的闲暇时间，在 kghost 的帮助下，我终于掌握了要点。下文便详细记录了基于 OpenSSL 的 CA 建立及证书签发过程。

建立 CA

建立 CA 目录结构

按照 OpenSSL 的默认配置建立 CA ，需要在文件系统中建立相应的目录结构。相关的配置内容一般位于 /usr/ssl/openssl.cnf (SUSE => /etc/ssl/openssl.cnf)内，详情可参见 config (1) 。在终端中使用如下命令建立目录结构：

$ mkdir -p ./demoCA/{private,newcerts}
$ touch ./demoCA/index.txt
$ echo 01 > ./demoCA/serial

产生的目录结构如下：

.
`-- demoCA/
    |-- index.txt
    |-- newcerts/
    |-- private/
    `-- serial

生成 CA 证书的 RSA 密钥对

首先，我们要为 CA 建立 RSA 密钥对。打开终端，使用如下命令生成 RSA 密钥对：

$ openssl genrsa -des3 -out ./demoCA/private/cakey.pem 2048

参数解释

genrsa

用于生成 RSA 密钥对的 OpenSSL 命令。

-des3

使用 3-DES 对称加密算法加密密钥对，该参数需要用户在密钥生成过程中输入一个口令用于加密。今后使用该密钥对时，需要输入相应的口令。如果不加该选项，则不对密钥进行加密。

-out ./demoCA/private/cakey.pem

令生成的密钥对保存到文件 ./demoCA/private/cakey.pem 。

2048

RSA 模数位数，在一定程度上表征了密钥强度。

该命令输出如下，用户应输入自己的密钥口令并确认：

Generating RSA private key, 2048 bit long modulus
................................................+++
.........................+++
e is 65537 (0x10001)
Enter pass phrase for ./demoCA/private/cakey.pem:
Verifying - Enter pass phrase for ./demoCA/private/cakey.pem:

生成 CA 证书请求

为了获取一个 CA 根证书，我们需要先制作一份证书请求。先前生成的 CA 密钥对被用于对证书请求签名。

$ openssl req -new -days 365 -key ./demoCA/private/cakey.pem -out careq.pem

参数解释

req

用于生成证书请求的 OpenSSL 命令。

-new

生成一个新的证书请求。该参数将令 OpenSSL 在证书请求生成过程中要求用户填写一些相应的字段。

-days 365

从生成之时算起，证书时效为 365 天。

-key ./demoCA/private/cakey.pem

指定 ./demoCA/private/cakey.pem 为证书所使用的密钥对文件。

-out careq.pem

令生成的证书请求保存到文件 careq.pem 。

该命令将提示用户输入密钥口令并填写证书相关信息字段，输出如下：

Enter pass phrase for ./demoCA/private/cakey.pem:
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:CN
State or Province Name (full name) [Some-State]:ZJ
Locality Name (eg, city) []:HZ
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Some Ltd. Corp.
Organizational Unit Name (eg, section) []:Some Unit
Common Name (eg, YOUR name) []:Someone
Email Address []:[e-mail]

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:

对 CA 证书请求进行签名

在实际应用中，用户可以通过向知名 CA 递交证书请求来申请证书。但是在这里，我们需要建立的是一个根 CA ，只能由我们自己来对证书请求进行签名。所以我们让 OpenSSL 使用证书请求中附带的密钥对对该请求进行签名，也就是所谓的“ self sign ”：

$ openssl ca -selfsign -in careq.pem -out cacert.pem

参数解释

ca

用于执行 CA 相关操作的 OpenSSL 命令。

-selfsign

使用对证书请求进行签名的密钥对来签发证书。

-in careq.pem

指定 careq.pem 为证书请求文件。

-out ./demoCA/cacert.pem

指定 ./demoCA/cacert.pem 为输出的证书。

该命令要求用户输入密钥口令并输出相关证书信息，请求用户确认：

Using configuration from /usr/lib/ssl/openssl.cnf
Enter pass phrase for ./demoCA/private/cakey.pem:
Check that the request matches the signature
Signature ok
Certificate Details:
        Serial Number: 2 (0x2)
        Validity
            Not Before: Jan 16 13:05:09 2008 GMT
            Not After : Jan 15 13:05:09 2009 GMT
        Subject:
            countryName = CN
            stateOrProvinceName = ZJ
            organizationName = Some Ltd. Corp.
            organizationalUnitName = Some Unit
            commonName = Someone
            emailAddress = [e-mail]
        X509v3 extensions:
            X509v3 Basic Constraints:
                CA:FALSE
            Netscape Comment:
                OpenSSL Generated Certificate
            X509v3 Subject Key Identifier:
                75:F5:3C:CC:C1:5E:6D:C3:8B:46:A8:08:E6:EA:29:E8:22:7E:70:03
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:75:F5:3C:CC:C1:5E:6D:C3:8B:46:A8:08:E6:EA:29:E8:22:7E:70:03

Certificate is to be certified until Jan 15 13:05:09 2009 GMT (365 days)
Sign the certificate? [y/n]:y


1 out of 1 certificate requests certified, commit? [y/n]y
Write out database with 1 new entries
Data Base Updated

一步完成 CA 证书请求生成及签名

以上两个步骤可以合二为一。利用 ca 命令的 -x509 参数，通过以下命令同时完成证书请求生成和签名从而生成 CA 根证书：

$ openssl req -new -x509 -days 365 -key ./demoCA/private/cakey.pem -out ./demoCA/cacert.pem

参数解释

req

用于生成证书请求的 OpenSSL 命令。

-new

生成一个新的证书请求。该参数将令 OpenSSL 在证书请求生成过程中要求用户填写一些相应的字段。

-x509

生成一份 X.509 证书。

-days 365

从生成之时算起，证书时效为 365 天。

-key ./demoCA/private/cakey.pem

指定 cakey.pem 为证书所使用的密钥对文件。

-out ./demoCA/cacert.pem

令生成的证书保存到文件 ./demoCA/cacert.pem 。

该命令输出如下，用户应输入相应的字段：

Enter pass phrase for ./demoCA/private/cakey.pem:
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:CN
State or Province Name (full name) [Some-State]:ZJ
Locality Name (eg, city) []:HZ
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Some Ltd. Corp.
Organizational Unit Name (eg, section) []:Some Unit
Common Name (eg, YOUR name) []:Someone
Email Address []:[e-mail]

至此，我们便已成功建立了一个私有根 CA 。在这个过程中，我们获得了一份 CA 密钥对文件 ./demoCA/private/cakey.pem 以及一份由此密钥对签名的 CA 根证书文件 ./demoCA/cacert.pem ，得到的 CA 目录结构如下：

.
|-- careq.pem
`-- demoCA/
    |-- cacert.pem
    |-- index.txt
    |-- index.txt.attr
    |-- index.txt.old
    |-- newcerts/
    |   `-- 01.pem
    |-- private/
    |   `-- cakey.pem
    |-- serial
    `-- serial.old

注：如果在 CA 建立过程中跳过证书请求生成的步骤，则不会产生 careq.pem 文件。

签发证书

下面我们就可以利用建立起来的 CA 进行证书签发了。

生成用户证书 RSA 密钥对

参照 CA 的 RSA 密钥对生成过程，使用如下命令生成新的密钥对：

$ openssl genrsa -des3 -out userkey.pem
Generating RSA private key, 512 bit long modulus
....++++++++++++
...++++++++++++
e is 65537 (0x10001)
Enter pass phrase for userkey.pem:
Verifying - Enter pass phrase for userkey.pem:

生成用户证书请求

参照 CA 的证书请求生成过程，使用如下命令生成新的证书请求：

$ openssl req -new -days 365 -key userkey.pem -out userreq.pem
Enter pass phrase for userkey.pem:
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:CN
State or Province Name (full name) [Some-State]:ZJ
Locality Name (eg, city) []:HZ
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Some Ltd. Corp.
Organizational Unit Name (eg, section) []:Some Other Unit
Common Name (eg, YOUR name) []:Another
Email Address []:[e-mail]

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:

签发用户证书

现在，我们可以用先前建立的 CA 来对用户的证书请求进行签名来为用户签发证书了。使用如下命令：

$ openssl ca -in userreq.pem -out usercert.pem

参数解释

ca

用于执行 CA 相关操作的 OpenSSL 命令。

-in userreq.pem

指定用户证书请求文件为 userreq.pem 。

-out usercert.pem

指定输出的用户证书文件为 usercert.pem 。

该命令要求用户输入密钥口令并输出相关证书信息，请求用户确认：

Using configuration from /usr/lib/ssl/openssl.cnf
Enter pass phrase for ./demoCA/private/cakey.pem:
Check that the request matches the signature
Signature ok
Certificate Details:
        Serial Number: 2 (0x2)
        Validity
            Not Before: Jan 16 14:50:22 2008 GMT
            Not After : Jan 15 14:50:22 2009 GMT
        Subject:
            countryName               = CN
            stateOrProvinceName       = ZJ
            organizationName          = Some Ltd. Corp.
            organizationalUnitName    = Some Other Unit
            commonName                = Another
            emailAddress              = [e-mail]
        X509v3 extensions:
            X509v3 Basic Constraints:
                CA:FALSE
            Netscape Comment:
                OpenSSL Generated Certificate
            X509v3 Subject Key Identifier:
                97:E7:8E:84:B1:45:27:83:94:A0:DC:24:79:7B:83:97:99:0B:36:A9
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:D9:87:12:94:B2:20:C7:22:AB:D4:D5:DF:33:DB:84:F3:B0:4A:EC:A2

Certificate is to be certified until Jan 15 14:50:22 2009 GMT (365 days)
Sign the certificate? [y/n]:y


1 out of 1 certificate requests certified, commit? [y/n]y
Write out database with 1 new entries
Data Base Updated

至此，我们便完成了 CA 的建立及用户证书签发的全部工作。不妨把所有 shell 命令放到一起纵览一下：

# 建立 CA 目录结构
mkdir -p ./demoCA/{private,newcerts}
touch ./demoCA/index.txt
echo 01 > ./demoCA/serial

# 生成 CA 的 RSA 密钥对
openssl genrsa -des3 -out ./demoCA/private/cakey.pem 2048

# 生成 CA 证书请求
openssl req -new -days 365 -key ./demoCA/private/cakey.pem -out careq.pem

# 自签发 CA 证书
openssl ca -selfsign -in careq.pem -out ./demoCA/cacert.pem

# 以上两步可以合二为一
openssl req -new -x509 -days 365 -key ./demoCA/private/cakey.pem -out ./demoCA/cacert.pem

# 生成用户的 RSA 密钥对
openssl genrsa -des3 -out userkey.pem

# 生成用户证书请求
openssl req -new -days 365 -key userkey.pem -out userreq.pem

# 使用 CA 签发用户证书
openssl ca -in userreq.pem -out usercert.pem

了解了这些基础步骤之后，就可以通过脚本甚至 makefile 的方式来将这些工作自动化。 CA.pl 和 CA.sh 便是对 OpenSSL 的 CA 相关功能的简单封装，在 Debian 系统中，安装了 OpenSSL 后，可以在 /usr/lib/ssl/misc/ 目录下找到这两个文件。而 makefile 的解决方案则可以参考。

参考文献

• The Open–source PKI Book: A guide to PKIs and Open–source Implementations, Initialisation of the Certification Authority
  
• OpenSSL: Documents, OpenSSL(1)
  
• OpenSSL Certificate Authority Setup