如何制作和使用自签名证书

在计算机加密和安全领域中，我们会时常遇到：自签名安全证书。

因为自签名证书签发相对于商业证书流程简单，费用低廉（除了电费几乎不花钱），更新容易。所以在开发领域、甚至一些小众场景下特别常见，比如 K8S / MySQL 集群中的 TLS 认证，一些大的集团、公司的内网服务、网站安全证书、企业路由器设备的管理后台、用于管理企业员工的“安全准入客户端”等不乏使用这个方案。

本篇文章就来聊聊如何快速生成证书，以及如何安装部署到不同的环境中。

写在前面

（2022.10.22 更新）如果你只是需要快速生成证书，可以使用《只有 3MB 的自签名证书制作 Docker 工具镜像：Certs Maker》一文中提到的新版本的工具，如果你希望全面了解自签名证书，可以继续阅读。

经常有人说，使用自签名证书不安全，会导致中间人攻击。这里需要为自签名证书“正名”，如果你制作生成的证书被妥善保管（即不泄漏并被二次利用），并将其加入你的有限的设备（自用、团队使用）的证书信任列表中，在明确你的设备访问地址（不涉及DNS攻击），你是不会遇到中间人攻击的。

比如当你遇到类似下面的场景，不一定会遇到不安全的事情，有可能只是管理员忘记换掉过期证书、或者你自己生成证书后，使用了一台没有信任证书的设备进行访问、也可能是管理员压根没有想在公网签发证书，想做一个私有的网站：

常见的网站因为证书问题而产生的警告页面

多数时候我们看到的不安全的证书是因为应用错误配置、有心人基于 DNS 地址攻击、证书过期造成、甚至是我们未曾正确配置证书信任白名单造成的。

一旦我们正确生成证书，在妥善保存证书后，进行了有限设备的白名单设置后，我们的证书和商业证书的使用是几乎没有差别的（除了无法使用 OCSP、EV 证书使用上存在一定额外工作外）。

信任之后，会看到浏览器提示“安全”

那么来聊聊如何快速生成证书。

使用命令行脚本生成自签名证书

最常见和通用的做法便是安装配置一个带有 openssl 环境的系统，然后使用命令行执行类似下面这样的命令：

openssl req -x509 -newkey rsa:2048 -keyout ssl/${fileName}.key -out ssl/${fileName}.crt -days 3600 -nodes ...

这里如果你选择不使用配置文件的话，得参考 OpenSSL 文档，附带一堆参数，或需要交互式的输入一堆选项，并祈祷在中间每一步没有输入出错，例如下面这样：

enerating a RSA private key
....................................................................................................................................................................................................................................................................++++
.............................................................++++
writing new private key to 'example.key'
-----
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]:XX
Locality Name (eg, city) []:XXXX
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Example, Inc
Organizational Unit Name (eg, section) []:IT
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:example.com
Email Address []:example@soulteary.com

相比之下，使用类似下面的配置生成证书会稍微容易那么一些：

#!/bin/sh

OUTPUT_FILENAME="lab.com"

printf "[req]
prompt                  = no
default_bits            = 4096
default_md              = sha256
encrypt_key             = no
string_mask             = utf8only

distinguished_name      = cert_distinguished_name
req_extensions          = req_x509v3_extensions
x509_extensions         = req_x509v3_extensions

[ cert_distinguished_name ]
C  = CN
ST = BJ
L  = BJ
O  = HomeLab
OU = HomeLab
CN = lab.com

[req_x509v3_extensions]
basicConstraints        = critical,CA:true
subjectKeyIdentifier    = hash
keyUsage                = critical,digitalSignature,keyCertSign,cRLSign #,keyEncipherment
extendedKeyUsage        = critical,serverAuth #, clientAuth
subjectAltName          = @alt_names

[alt_names]
DNS.1 = lab.com
DNS.2 = *.lab.com
DNS.3 = *.page.lab.com

">ssl/${OUTPUT_FILENAME}.conf

openssl req -x509 -newkey rsa:2048 -keyout ssl/$OUTPUT_FILENAME.key -out ssl/$OUTPUT_FILENAME.crt -days 3600 -nodes -config ssl/${OUTPUT_FILENAME}.conf

类似的脚本，我曾在 Traefik 示例脚本中提到过： https://github.com/soulteary/traefik-example/blob/main/scripts/generate-certs.sh 。

还有更简单的方案吗？尤其是在有不断修改 DNS、希望使用脚本自动化签订证书的场景下？

快速生成证书

为此我写了一个脚本，并使用容器进行封装，以达到可以使用极其简的命令行来生成证书的目的，并借助容器简化掉了本地需要安装 OpenSSL 依赖的问题，“开箱即用”。相关代码我已经开源，项目地址：https://github.com/soulteary/certs-maker

比如你想生成一个稍微复杂一些的站点证书，只需要执行下面这行命令就足够了：

docker run --rm -it -e CERT_DNS="domain.com;*.domain.com;*.a.domain.com" -v `pwd`/certs:/ssl soulteary/certs-maker

执行完毕你将会看到类似下面的日志：

User Input: { CERT_DNS: 'domain.com;*.domain.com;*.a.domain.com' }
Generating a RSA private key
................................................................................................................................................+++++
.........................................................+++++
writing new private key to 'ssl/domain.com.key'
-----

以及能够在 ssl 目录中看到我们生成的证书文件。

至于其他的使用方式，比如生成包含多个域名的混合证书、生成单个证书，只需要调整 CERT_DNS 参数的值即可。如果想进一步定制前文提到的证书细节，比如证书签发国家、省份等信息，可以参考开源项目仓库的使用方式，添加其他的参数，这里就不过多赘述了。

使用 docker-compose 生成

如果你希望将命令保存下来，作为代码存储在仓库里，也可以考虑编写一个 compose 文件：

version: '2'

services:

  certs-maker:
    image: soulteary/certs-maker
    environment:
      - CERT_DNS=a.com;b.com;c.com;*.d.com;
    volumes:
      - ./certs:/ssl

将上面的内容保存为 docker-compose.yml，然后执行 docker-compose up ，你会在 certs 目录看到生成的证书文件。

使用证书

生成证书之后，来聊聊如何使用证书。

在各种系统上导入证书

导入证书可以参考下面的文档，过程都很简单，引导证书，然后重启需要使用证书的应用即可。

在 Java 应用中信任自签名证书

如果你使用的是 Java 应用访问自签名的网站，应用访问过程会出现因为证书错误而拒绝连接的错误。

解决这个问题并不复杂，只需要额外做一点点工作，将证书添加到 keystore 中，重启 Java 应用即可：

sudo keytool -import -alias charles -file /Path-To-Certs/key.crt -keystore $JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts -storepass changeit

这个操作对于证书过期的情况，也同样有效，早先有一篇文章有描述：《使用 Docker 和 Traefik v2 搭建 Confluence 7.3 》。

在 Debian / Ubuntu / Alpine 系统中信任证书

对于 Debian / Ubuntu 系统，信任证书相当简单，只需要将证书拷贝到“待安装目录”，然后执行证书更新命令即可：

cp *.crt /usr/local/share/ca-certificates/
update-ca-certificates

Alpine 也是一样，考虑我们经常在容器场景中使用它，所以这里直接给出一个完整的Dockerfile 示例：

FROM alpine

RUN apk update && apk add ca-certificates && rm -rf /var/cache/apk/*

ADD ./ssl/*.crt /usr/local/share/ca-certificates/

RUN update-ca-certificates --fresh

搭建配合安装证书使用的 Web 服务

上文中如果想在客户端（尤其是手机）上安装证书，一定会遇到跨系统传输文件的问题。为了方便分发和安装，这里可以使用 Nginx 启动一个用于分享证书安装的 Web 服务。

使用更“直观”的方式获取证书

搭建通用服务

我们可以使用 Nginx 的 ngx_http_sub_module 和 ngx_http_autoindex_module 模块构建一个能够自动列举证书目录的服务：

server {
    listen 80;
    server_name localhost;
    location = /favicon.ico {
        empty_gif;
    }
    location / {
        root /public;
        autoindex on;
        sub_filter '<h1>Index of /</h1>'  '<h1>Get Certs</h1>';
        sub_filter_once on;
    }
}

将上面的内容保存为 default.conf 后，再创建一个名为 docker-compose.yml 的配置文件：

version: '2'

services:

  nginx:
    image: nginx:1.19.6-alpine
    ports:
      - 8080:80
    volumes: 
      - ./default.conf:/etc/nginx/templates/default.conf.template:ro
      - ./public:/public:ro

然后使用 docker-compose up 启动服务后，使用手机访问页面，就能够看到类似下面的页面，然后使用手机访问证书文件进行安装和信任就可以啦。

更简单的配置方式

上面的模式我们将配置和服务编排文件分拆成了两个文件，考虑到这个 Nginx 配置十分简单，那么我们是否有办法将其简化呢？

答案是有的，通过对 command 命令进行调整，我们可以将 Nginx 配置的创建和服务启动同时写在 docker-compose.yml 编排文件中：

version: '2'

services:

  nginx:
    image: nginx:1.19.6-alpine
    ports:
      - 8080:80
    volumes: 
      - ./public:/public:ro
    command: >
      /bin/sh -c "
      echo \"daemon off;\" >> /etc/nginx/nginx.conf;
      echo \"server {
            listen 80;
            server_name localhost;
            location = /favicon.ico {
                empty_gif;
            }
            location / {
                root /public;
                autoindex on;
                sub_filter '<h1>Index of /</h1>'  '<h1>Get Certs</h1>';
                sub_filter_once on;
            }
        }\" > /etc/nginx/conf.d/default.conf; nginx;
      "

最后

最近入手了三根雷电数据线，快过年了，或许可以折腾一下雷电数据线组网开发。

–EOF

砥砺