47. 密码学系列之:使用openssl创建私有CA
简介
一般情况下我们使用的证书都是由第三方权威机构来颁发的，如果我们有一个新的https网站，我们需要申请一个世界范围内都获得认可的证书，这样我们的网站才能被无障碍的访问。
如果在某些情况下，我们的网站或者系统并不是公开的，但是也需要使用tls协议的话，那么就需要自己搭建一个CA服务器。这样的CA服务器就叫做private CA。
熟悉证书的朋友可能会说了，为什么不使用自签名证书呢?也可以达到安全通信的目的。
这是因为自签名证书的作用比较有限，它没有CRL和OCSP的能力，并且使用起来也不是很方便。所以我们需要一整套有效的CA签发体系，这也是我们需要搭建private CA的目的。
搭建root CA
在搭建root CA之前我们需要创建几个合适的目录来保存CA的相关信息，比如我们需要一个保存证书的目录certs，一个保存密钥的地方keys，一个CA数据库db。
其中db需要一个index文件,serial文件和crlnumber文件。
我们用下面的命令创建对应的文件和目录：
mkdir certs db keys
touch db/index
openssl rand -hex 16 > db/serial
echo 1001 > db/crlnumber
目录建好之后，我们还需要一个非常重要的root ca配置文件。后续可以根据这个配置文件来创建CA相关的信息。
一般情况下CA配置文件是不需要的，只有我们需要创建比较复杂CA的情况下才需要使用ca配置文件。
下面是一个CA配置文件的例子：
[default]
name = root-ca
domain_suffix = flydean.com
default_ca = ca_config
name_opt = utf8,esc_ctrl,multiline,lname,align
[ca_config]
database = db/index
serial = db/serial
crlnumber = db/crlnumber
certificate = root-ca.crt
private_key = keys/root-ca.key
RANDFILE = keys/random
new_certs_dir = certs
unique_subject = no
copy_extensions = none
default_days = 365
default_crl_days = 100
default_md = sha256
policy = ca_policy
[ca_policy]
countryName = match
stateOrProvinceName = optional
organizationName = match
organizationalUnitName = optional
commonName = supplied
emailAddress = optional
[req]
default_bits = 4096
encrypt_key = yes
default_md = sha256
utf8 = yes
string_mask = utf8only
prompt = no
distinguished_name = ca_dist
req_extensions = ca_req_ext
[ca_dist]
countryName = "CN"
organizationName = "flydean"
commonName = "Root CA"
[ca_req_ext]
basicConstraints = critical,CA:true
keyUsage = critical,keyCertSign,cRLSign
subjectKeyIdentifier = hash
[sub_ca_ext]
authorityInfoAccess = @issuer_info
authorityKeyIdentifier = keyid:always
basicConstraints = critical,CA:true,pathlen:0
crlDistributionPoints = @crl_info
extendedKeyUsage = clientAuth,serverAuth
keyUsage = critical,keyCertSign,cRLSign
subjectKeyIdentifier = hash
[crl_info]
URI.0 = http://crl3.digicert.com/DigiCertTLSRSASHA2562020CA1-4.crl
[issuer_info]
caIssuers;URI.0 = http://cacerts.digicert.com/DigiCertTLSRSASHA2562020CA1-1.crt
OCSP;URI.0 = http://ocsp.digicert.com
[ocsp_ext]
authorityKeyIdentifier = keyid:always
basicConstraints = critical,CA:false
extendedKeyUsage = OCSPSigning
noCheck = yes
keyUsage = critical,digitalSignature
subjectKeyIdentifier = hash
生成root CA
有了上面的配置文件和目录信息，就可以生成root CA了。
首先我们需要创建私钥和root ca的csr文件如下：
openssl req -new -config root-ca.conf -out root-ca.csr -keyout keys/root-ca.key
接下来我们创建一个自签名的证书，这里我们需要用到配置文件中的ca_req_ext部分：
openssl ca -selfsign -config root-ca.conf -in root-ca.csr -out root-ca.crt -extensions ca_req_ext
运行该命令之后，我们会在certs文件夹中创建一个自签名证书文件。
除此之外，还向db中的index文件中写入了下面的内容：
V 230501041451Z 4445DE5C0285EAEF2E58757D5CB1E949 unknown /C=CN/O=flydean/CN=Root CA
这是一个文本文件，里面保存的是生成的证书索引,证书中的字段是通过tab来进行分割的。
第一个字段V表示valid也就是有效的意思，这个字段还可以有其他几个值，比如R表示revoked,E表示expired。
第二个字段是过期时间，格式是YYMMDDHHMMSSZ。
第三个字段是Revocation日期，如果空表示没有revoked。
第四个字段是序列号，也就是生成的CA名字。
第五个字段是文件的位置，unknown表示未知。
最后一个字段是这个证书的名字,用于和其他的证书做区分。
使用CRL
有了root-ca.conf之后，我们可以使用它来创建CRL：
openssl ca -gencrl -config root-ca.conf -out root-ca.crl
现在生成的root-ca.crl文件还没有任何证书信息。
如果我们想要撤销某个颁发的CA，可以使用下面的命令：
openssl ca -config root-ca.conf -revoke certs/torevoke.pem -crl_reason unspecified
在revoke中指定要revoke的证书即可。
这里要注意的是我们需要指定crl_reason，crl_reason可以是下面几个值：
unspecified
keyCompromise
CACompromise
affiliationChanged
superseded
cessationOfOperation
certificateHold
removeFromCRL
使用OSCP
对于OSCP来说，需要一个OCSP responder来响应OCSP的请求。这个OCSP responder和CA本身并不是同一个，需要单独创建。
首先，我们创建OCSP responder的key和证书请求CSR：
openssl req -new -newkey rsa:2048 -keyout keys/root-ocsp.key -out root-ocsp.csr
当然输入必须的参数之后，key和CSR就可以生成了。
接下来我可以使用root CA和root-ocsp.csr颁发OCSP证书，这里我们需要用到配置文件中的ocsp_ext部分。
openssl ca -config root-ca.conf -in root-ocsp.csr -out root-ocsp.crt -extensions ocsp_ext -days 10
上面的命令为OCSP responder生成了一个有效期为10天的证书。
有了证书，我们可以方便的搭建一个本地的OCSP responder如下所示：
openssl ocsp -port 9000 -index db/index -rsigner root-ocsp.crt -rkey keys/root-ocsp.key -CA root-ca.crt -text
Enter pass phrase for keys/root-ocsp.key:
Waiting for OCSP client connections...
这样我们就启动了一个OCSP服务器端。
另开一个窗口，执行下面的命令来请求OCSP：
openssl ocsp -issuer root-ca.crt -CAfile root-ca.crt -cert root-ocsp.crt -url http://127.0.0.1:9000
可以得到下面的结果：
Response verify OK
root-ocsp.crt: good
This Update: May 1 08:09:31 2022 GMT
这就说明OCSP responder搭建成功了。
这里启动的是一个本地服务，在正式环境中可以考虑将其迁移到单独的服务器中。
总结
使用上面的命令，我们搭建了一个私有的CA服务，和对应的OCSP，openssl非常强大，基本上你可以用他来做任何事情。