HTTPS双向认证原理与测试环境搭建

原理

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双向认证(mutual authentication)，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。

本文所提到的认证流程都是基于RSA的方式，TLS1.0还支持DH(Diffie-Hellman)方式认证，详见《传输层安全(TLS)相关技术详解》

单向认证流程(RSA)

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：

1. 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；
2. 服务器端将本机的公钥证书（server.crt）发送给客户端；
3. 客户端读取公钥证书 (server.crt)，取出了服务端公钥；
4. 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；
5. 服务端用自己的私钥 (server.key) 去解密这个密文，得到了密钥 R
6. 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

双向认证流程(RSA)

1. 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；
2. 服务器端将本机的公钥证书 (server.crt) 发送给客户端；
3. 客户端读取公钥证书 (server.crt)，取出了服务端公钥；
4. 客户端将客户端公钥证书 (client.crt) 发送给服务器端；
5. 服务器端解密客户端公钥证书，拿到客户端公钥；
6. 客户端发送自己支持的加密方案给服务器端；
7. 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后发送给客户端；
8. 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；
9. 服务端用自己的私钥去解密这个密文，得到了密钥 R
10. 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。

证书生成

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使用openssl生成CA自签名根证书

1. 使用以下命令生成无密码的2048位rsa密钥

    openssl genrsa -out ca.key 2048
   

   或加上-des3命令生成使用des3算法加密的rsa密钥

    openssl genrsa -des3 -out ca.key 2048
   

2. 生成x509格式的CA自签名根证书

    openssl req -new -x509 -days 365 -key ca.key -out ca.crt
   

3. 依次填入csr信息，Common Name表示颁发者

    Country Name (2 letter code) [AU]:CN
    State or Province Name (full name) [Some-State]:zhejiang
    Locality Name (eg, city) []:ningbo
    Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:SX
    Organizational Unit Name (eg, section) []:tech
    Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:test
    Email Address []:
   

至此，CA自签名根证书已生成完成，后续需要用到CA密钥和证书签发子证书，注意密钥的保存与保密

签发客户端证书

1. 使用以下命令生成无密码的2048位rsa密钥

    openssl genrsa -out client.key 2048
   

   或加上-des3命令生成使用des3算法加密的rsa密钥

    openssl genrsa -des3 -out client.key 2048
   

2. 生成客户端csr文件

    openssl req -new -key client.key -out client.csr
   

3. 依次填入csr信息，Common Name表示使用者，不能与颁发者相同

    Country Name (2 letter code) [AU]:CN
    State or Province Name (full name) [Some-State]:zhejiang
    Locality Name (eg, city) []:ningbo
    Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:SX
    Organizational Unit Name (eg, section) []:tech
    Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:client1
    Email Address []:
   
    Please enter the following 'extra' attributes
    to be sent with your certificate request
    A challenge password []:147258369
    An optional company name []:sanxing
   

4. 使用CA签发客户端x509证书

    openssl x509 -req -days 365 -in client.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -set_serial 01 -out client.crt
   

5. 将客户端密钥和证书打包成pfx文件，用于浏览器或系统导入

    openssl pkcs12 -export -out client.pfx -inkey client.key -in client.crt
   

   或加上CA证书保证证书被信任

    openssl pkcs12 -export -out client.pfx -inkey client.key -in client.crt -certfile ca.crt
   

签发服务端证书

• 服务端证书生成过程与客户端相同，此处不再赘述

证书部署

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本次配置以GoAhead-openssl为例，GoAhead还能使用mbedtls实现https，这里不做介绍，关于GoAhead的介绍如下：

GoAhead is the world’s most popular, tiny embedded web server. It is compact, secure and simple to use.

GoAhead is deployed in hundreds of millions of devices and is ideal for the smallest of embedded devices.

以上步骤完成后，将会生成如下文件：

ca.key  ca.crt  client.crt  client.key  client.pfx  server.key  server.crt

• (可选)server.key和server.crt部署在服务器证书路径下
• 对于GoAhead，ca.crt需部署在服务器证书路径下，用于验证客户端证书
• client.pfx安装到客户端，windows下直接下一步默认即可

配置GoAhead客户端证书认证功能

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1. 将me.h中的宏ME_GOAHEAD_SSL_VERIFY_PEER置为1，启用客户端证书认证
2. 将me.h中的宏ME_GOAHEAD_SSL_AUTHORITY配置为CA证书的绝对路径，用于校验客户端证书
3. 重新编译GoAhead库与服务端程序

测试

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windows客户端安装完客户端证书后访问服务端，此时浏览器会提示选择客户端证书，选择证书后能正常访问，如证书错误或未提供证书则访问失败，即测试通过

参考

• 巧用 Nginx 快速实现 HTTPS 双向认证
• Using Client-Certificate based authentication with NGINX on Ubuntu