小知识:如何优雅的用 Nginx 在公网上快速搭建一个加密数据通道

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最近在跨机房做一个部署,因为机房之间暂时没有专线,所以流量需要经过公网。对于经过公网的流量,我们一般需要做以下的安全措施:

只能允许已知的 IP 来访问; 流量需要加密

第一项很简单,一般的防火墙,或者 Iptables 都可以做到。

对于加密的部分,最近做了一些实验和学习,这篇文章总结加密的实现方案,假设读者没有 TLS 方面的背景知识,会简单介绍原理和所有的代码解释。

TLS/SSL 的原理

TLS 是加密传输数据,保证数据在传输的过程中中间的人无法解密,无法修改。(本文中将 TLS 与 SSL 作为同义词[1]。所以提到 SSL 的时候,您可以认为和 TLS 没有区别。)

传输的加密并不是很困难,比如双方用密码加密就可以。但是这样一来,问题就到了该怎么协商这个密码。显然使用固定的密码是不行的,比如每个人都要访问一个网站,如果网站使用固定的密码,那么和没有密码也没有什么区别了,每个人都可以使用这个密码去伪造网站。

TLS 要解决的问题就是,能证明你,是你。现在使用的是非对称加密的技术。非对称加密会有两个秘钥,一个是公钥,一个是私钥。公钥会放在互联网上公开,私钥不公开,只有自己知道。只有你有私钥,我才相信你是你。非对称加密的两个秘钥提供了一下功能(本文不会详细介绍这部分原理,只简单提到理解后续内容需要的知识):

公钥加密的数据,只有用私钥可以解密; 私钥可以对数据进行签名,公钥拿到数据之后可以验证数据是否由私钥的所有者签名的。

有了这两点,网站就可以和访问者构建一个加密的数据通道。首选,网站将公钥公开(即我们经常说的“证书”),访客连接到网站的服务器第一件事就是下载网站的证书。因为证书是公开的,每个人都能下载到此网站的证书,那么怎么确定对方就是此证书的所有者呢?客户端会生成一个随机数,并使用公钥进行加密,发送给服务器:请解密这段密文。这就是上文提到的 功能 1,即公钥加密的数据,只有私钥才能解密。服务器解密之后发回来(当然,并不是明文发回来的,详细的 TLS 握手过程,见这里[2],客户端就相信对方的确是这个证书的所有者。后续就可以通过非对称加密协商一个密码,然后使用此密码进行对称加密传输(性能快)。

但是这样就足够验证对方身份了吗?假设这样一种情况,我并不是 google.com 这个域名的所有者,但是我生成了一对证书,然后自己部署,将用户访问 google.com 的流量劫持到自己这里来,是不是也能使用自己的证书和用户进行加密传输呢?

所以就有了另一个问题:访客不仅要验证对方是证书的真实所有者,还要验证对方的证书的合法性。即 google.com 的证书只有 Google 公司可以拥有,我的博客的证书只有我的博客可以拥有。私自签发的证书不合法。

为了解决这个问题,就需要有一个权威的机构,做如下的保证:只有网站的所有者,才能拥有网站的证书。然后访客只要信任这个“权威的机构”就可以了。

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CA 扮演的角色

CA 的全称是 Certification Authority, 是一个第三方机构,在上述加密的流程中,扮演的角色同时被访客和网站所信任。

网站需要去 CA 申请证书,而 CA 要对自己颁发(签名)的证书负责,即确保证书颁发给了对方,颁发证书之前要验证你是你。申请证书的时候,CA 一般会要求你完成一个 Challenge 来证明身份,比如,要求你将某个 URL 返回特定内容,或者要求你将 DNS 的某个 text record 返回特定内容来证明你的确拥有此域名(详见 validation standards[3])。只有你证明了你是你,CA 才会签证书给你。

访客是怎么验证证书的呢?这就用到了上文提到的 功能 2:“私钥可以对数据进行签名,公钥拿到数据之后可以验证数据是否由私钥的所有者签名的。” CA 也有自己的一套私钥公钥,CA 使用私钥对网站的证书进行签名(担保),访客拿到网站的证书之后,使用 CA 的公钥校验签名即可验证这个“担保”的有效性。

那么 CA 的公钥是怎么来的呢?答案是直接存储在客户端的。Linux 一般存储在 /etc/ssl/certs。由此可见,CA 列表更新通常意味着要升级系统,一个新的 CA 被广泛接受是一个漫长的过程。新 CA 签发的证书可能有一些老旧的系统依然不信任。比如 letsencrypt 的 CA[4],之前就是使用交叉签名的方式工作,即已有的 CA 为我做担保,我可以给其他的网站签发证书。这也是中级证书的工作方式。每天有这么多网站要申请证书,CA 怎么签发的过来呢?于是 CA 就给很多中级证书签名,中级证书给网站签名。这就是“信任链”。访客既然信任 CA,也就信任 CA 签发的中级,也就信任中级签发的证书。

被信任很漫长,被不信任很简单。

CA (以及中级证书机构)有着非常大的权利。举例,CA 假如给图谋不轨的人签发了 Google 的证书,那么攻击者就可以冒充 Google。即使 Google 和这个 CA 并没有任何业务往来,但是自己的用户还是被这个 CA 伤害了。所以 CA 必须做好自己的义务:

保护自己的私钥不被泄漏; 做好验证证书申请者身份的义务; 如果 (2) 有了疏忽,对于错误签发的证书要及时吊销[5];

案例:赛门铁克证书占了活跃证书的 30% – 45%(当时[6]),但是被 Google 发现其错误颁发了 3 万个证书,发现后却不作为。因此逐步在后续的 Chrome 版本中吊销了赛门铁克的证书[7]。

案例 2:let’sencrypt 今年 1 月份发现自己的 TLS-ALPN-01 chanllege 有问题,于是按照规定,在 5 天后吊销了这期间通过 TLS-ALPN-01 颁发的所有证书[8]。

说道这里我想继续跑一个题。我以前给博客部署证书的时候(2017 年[9])就想:CA 给我发一个证书居然要收我的钱?这个不是零成本的东西吗?他们想发多少就发多少。看到现在读者应该明白了,这并不是一个零成本的事情:签发证书的验证服务需要花钱,而 CA Root key 的保护要花更多的钱。整个 CA 公司(组织)的核心资产就是一个 key,如果这个 key 暴露了,后果不堪设想。所以,一个无比重要却要一直使用的 key 在一个上千万人的组织里怎么被使用而不暴露给任何一个人呢?这是要花很多钱的。Root key 的生成会有一个仪式(Key ceremony[10]),全程录像,有 20 多个不同组织的代表会现场参加并监督,会有 3000 多个人观看实时录像,确保 key 的生成是标准流程。在 Root key 的保存和使用上,Root key 只会签中级 CA,以减少使用次数以及 Root key 需要被 revoke(代价太大)的风险。Root Key 保存在一个特殊的硬件中(HSM[11], Hardware security module),完全离线保存,HSM 也放在特殊的机房中,7×24 有人看守,并离线录像,机房有 Class 5 Alarm System[12],有多把锁,没有一个人可以单独进入。使用这个 Root Key 必须物理上进入这个机房,使用过程全程录像,并且记录使用过程,如果有问题可以很快地将 Root Key 签的内容 revoke。这里有一个视频介绍 Key Signing Ceremony[13],非常有趣。所以说 CA 机构并不是一个摇钱树,Let’s Encrypt 这种组织简直就是慈善机构。

以上就是 TLS,证书,CA 大致的工作原理,稍稍有些跑题,有了这些知识我们就可以利用 TLS 来建立一个加密的数据通道了。后续几乎都是实际的操作。笔者对这部分也不是精通,如果有错误,欢迎指出。

对应用透明的加密通道的方案

背景

上文是通过网站部署 HTTPS 来讲的 TLS 的工作原理。其实网站部署 HTTPS 还算是比较简单:你只需要找一个 CA,申请证书,完成 CA 的验证,部署证书,就可以了。

现在要解决的问题更加复杂一些:我们的两个组件之间是通过自己研发的协议通讯(基于 TCP),现在要分别部署在两个机房,通过公网进行通讯。

我们的方案要对通讯的两边做好安全防护:

数据要进行加密传输; 要对两边做身份验证,比如 A 向 B 发起连接,A 要验证 B 的身份,B 也要验证 A 的身份; 最好对于应用来说透明,即应用完全不修改代码,依然按照原来的方式工作,但是我们将中间的流量进行加密;

mTLS

mTLS 的全称是 Mutual TLS. 即双向的 TLS 验证。HTTPS 只是访客验证了网站的身份,网站并没有验证访客的身份。其实要验证也是可以的,网站发送证书之后可以跟访客说:“现在该轮到你出示你的证书了”。如果访客不能提供有效的证书,网站可以拒绝服务。

其实,ssh 方式就是一个双向验证的过程。我们都知道通过 ssh key 登录 server 的时候,需要让 server 信任你的 key(即将你的 pubkey 放到 server 上去)。但是还有一个过程容易被忽略掉,在第一次通过 ssh 连接服务器的时候,ssh 客户端会给你展示 server 的 pubkey,问你是否信任。如果之后这个 key 变了,说明有可能你连接到的并不是目的服务器。

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第一次连接到服务器的提示

如果之后这个 key 变了,ssh 客户端就会拒绝连接。

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Git 也是通过走 ssh 协议的,所以也是一个双向认证。你在使用 Github 的时候要互相信任对方:

Github 信任你的方式是:你将自己的 pubkey 上传到 Github (设置,profile,keys) 你信任 Github 的方式是:Github 将自己的 pubkey 公布在网上[14]。

解决方案

为了实现对应用透明的加密通讯,我们在两个机房各搭建一个 Nginx,这里两个 Nginx 之间通过 mTLS 相互认证对方。应用将请求明文发给同机房的 Nginx,然后 Nginx 负责加密发给对方。对于应用来说,对方机房的组件就如同和自己工作在相同机房一样。最终搭建起来如下图所示。

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搭建过程

因为用 HTTP 流量来搭建,相关的工具和日志会更友好一些。所以我们会先用 HTTP 将这个通道搭建起来,然后换成 tcp steam。

准备证书

我们一共需要两套证书,一套给 Client,一套给 Server. 因为我们这里主要要解决的问题内部互相信任的问题,不需要开给外面的用户,所以这里我们采用 self signed certificate. 即,我们自己做 CA,给自己签发证书。自签发证书的好处是很灵活,方便,坏处是有一些安全隐患[15](毕竟不像权威机构那样专业)。所以我把这个过程写在博客上,请大家帮忙看看流程有没有问题。

首先我们创建一个 CA 的 key,即私钥。CA 的 key 最好给一个密码保护,每次使用这个 CA 签发证书的时候,都需要输入密码。

生成 key 的命令:

$ openssl genrsa des3 out ca.key 4096

输出(其中按照提示输入密码):

Generating RSA private key, 4096 bit long modulus (2 primes) …………………………………………………….++++ ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………++++ e is 65537 (0x010001) Enter pass phrase for ca.key:<passphrase> Verifying Enter pass phrase for ca.key:<passphrase>

命令的解释:

openssl: cert 和 key 相关的操作我们都用 openssl 来完成; genrsa: 生成 RSA 私钥; -des3: 生成的 key,使用 des3 进行加密,如果不加这个参数,就不会提示让你输入密码; 4096: 生成 key 的长度;

这里我们假设所使用的密码是 hello.

然后我们来生成 CA 的公钥部分,即证书。

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

这时会询问你一些信息,比如地区,组织名字之类的。其中,Organization Name 和 Common Name 需要留意。CA 的这一步填什么都可以。Common Name 又简称 CN,就是证书签发给哪一个域名(也可以是 IP)的意思。

输出会是如下所示:

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]: State or Province Name (full name) [SomeState]: Locality Name (eg, city) []: Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:CertAuth Organizational Unit Name (eg, section) []: Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []: Email Address []:

命令的解释:

req: 创建证书请求; -new: 产生新的证书; -x509: 直接使用 x509 产生新的自签名证书,如果不加这个参数,会产生一个“证书签名请求”而不是一个证书。 -days 365: 证书 1 年之后过期,也可以省略这个参数,设置为永不过期; key: 创建公共证书的私钥,会被提示输入私钥的密码; -out: 生成的证书。

到这里,我们有了一对 CA 证书,ca.key 和 ca.crt 两个文件。接下来申请 server 端的证书。

Server 端证书依然是先生成一个 key,这里就不需要密码保护了:

$ openssl genrsa out server.key 4096

然后这里下一步不是直接生成证书,而是生成一个证书请求。但是那些问题依然是要回答一遍的。

$ openssl req new key server.key out server.csr

回答问题的时候要注意两个地方:

Organization Name: 不能和 CA 的一样; Common Name: 必须要写一个,可以写一个不存在的域名,比如 proxy.example.com。否则,会有错误:“* SSL: unable to obtain common name from peer certificate”。

否则证书无法使用。

到这里其实也可以看出,CA 的证书和其他的证书没有什么不同,也是一个普通的证书而已。

这个 .csr 文件是 Ceritifcate Signing Request,即请求签名。接下来我们使用我们的 CA 给这个 Server 证书签名(作担保!)。

$ openssl x509 req in server.csr CA ca.crt CAkey ca.key set_serial 01 out server.crt

这个命令需要输入 CA key 的密码,就是刚刚说的 hello。

命令的解释:

x509: 公有证书的标准格式; -CA: 使用 CA 对其签名; -CAkey: CA key(没有这个岂不是人人可以用 CA 证书签名了?); -set_serial 01: 签发的序列号,如果证书有过期时间的话,过期之后,可以直接用这个 .csr 修改序列号重新签一个,不需要重新生成 .csr 文件;

如此,就得到了 server.crt 文件。

我们可以使用这条命令验证生成的证书是 ok 的:

$ openssl verify verbose CAfile ca.crt server.crt server.crt: OK

重复此流程再签发一个 client 端的证书。

结束后,我们有以下内容:

ca.key ca.crt CA 的密码,需要保存 server.key server.crt server.csr: 部署不需要用到,可以只保存在安全的地方即可; Server 证书签发序列:只保存即可; client.key client.crt client.csr: 部署不需要用到,可以只保存在安全的地方即可; Client 证书签发序列:只保存即可;

然后接下来就可以部署起来了。

搭建远程 Server 端的 Nginx

为了模拟转发到后端应用的场景,这里的 Nginx 不使用静态文件,而是用一个 fastapi 写的样例程序来做后端:

from typing import Optional from fastapi import FastAPI app = FastAPI() @app.get(“/”) def read_root(): return {“Hello”: “World”}

启动的命令是:

$ uvicorn app:app

程序默认会运行在 8000 端口。

然后修改 Nginx 的配置,nginx.conf 不变,我们只修改 default 的配置,将 default rename 成 remote_server,然后修改成成如下配置:

server { listen 443 default_server ssl; listen [::]:443 default_server ssl; server_name _; ssl_certificate /home/vagrant/cert/server.crt; ssl_certificate_key /home/vagrant/cert/server.key; location / { proxy_pass http://127.0.0.1:8000; } }

这就是一个很简单的 Nginx HTTPS 配置,证书配置上了我们刚刚自己签发的证书:

ssl_certificate: 告诉 Nginx 使用哪一个公有证书; ssl_certificate_key: 此证书对用的私钥是什么,服务器需要有私钥才能工作。

证书已经配置好了。这时候我们去 cURL 443 端口会出现错误:“curl: (60) SSL: unable to obtain common name from peer certificate”,cURL 不信任这个服务器的证书。这是当然了,因为这个证书是我们自己作为 CA 签的。

要正常访问,必须使用 cURL –ca ./ca.cert 来告诉 cURL 我们信任这个 CA (所签发的所有证书)。

另外还要注意的是,记得我们之前的 Server 证书是签发给 proxy.example.com 的吗?我们这里必须要访问这个域名才行。需要这样使用:

$ curl v https://proxy.example.com –cacert ./ca.crt –connect-to proxy.example.com:443:127.0.0.1:443

–connect-to 的意思是,所有发往这个域名的请求,都直接发给这个 IP。

Client 对 Server 的验证就配置好了,接下来再配置 Server 对 Client 的验证。

我们只需要将上面的配置文件改成如下即可:

server { listen 443 default_server ssl; listen [::]:443 default_server ssl; server_name _; ssl_certificate /home/vagrant/cert/server.crt; ssl_certificate_key /home/vagrant/cert/server.key; ssl_verify_client on; ssl_client_certificate /home/vagrant/cert/ca.crt; location / { proxy_pass http://127.0.0.1:8000; } }

添加的内容的含义:

ssl_verify_client: 需要验证客户端的证书; ssl_client_certificate: 我们信任这个 CA 所签发的所有证书。

这里有一个小插曲:Nginx 的文档上说,ssl_trusted_certificate 和 ssl_client_certificate 这两个配置效果都是一样的,唯一的区别是 ssl_client_certificate 会将信任的 CA 列表发送给客户端,但是 ssl_trusted_certificate 不会发。发送是合理的[16],因为客户端如果有很多证书,让客户端一个一个去尝试哪一个能建连是没有意义并且很浪费的。ssl_trusted_certificate 的作用是验证 OCSP[17] Response。但是我尝试了 ssl_trusted_certificate,Nginx 会直接 fail 掉语法检查:

The server fails to start with error: nginx: [emerg] no ssl_client_certificate for ssl_verify_clientb

这里发现一个 ticket 询问和我一样的问题:https://trac.nginx.org/nginx/ticket/1902,不过至今没有回复。我以为是 Nginx 版本的 Bug,然后尝试了最新的版本依然是一样的结果。如果读者知道可以指点一下,谢谢。

这样配置之后 reload Nginx,就开启了对客户端的证书验证了。这时候我们继续使用上面那个 cURL,就无法得到响应。

<head><title>400 No required SSL certificate was sent
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