HTTPS（四）之使用keytool模拟CA证书颁发过程

本篇主要介绍怎么使用jdk中的keytool工具模拟HTTPS证书颁发，通过该工具我们可以模拟CA证书的申请过程，CA证书的申请步骤可以参见本系列的第一篇文章HTTPS基础。

首先，要模拟CA证书的颁发过程以及验证CA证书的有效性，需要定义三个主体对象：CA机构，服务器SERVER和客户端Client，后续我们将依次描述三个主体在该过程中所需要做的工作。

1. 模拟CA机构

作为一个CA机构，我们需要有自己的公私钥:ca.pub和ca.pri。有了公钥后，CA需要将公钥封装成证书（包含公钥和CA本身信息）并发布出去，所有信任该CA机构的客户端会将该证书安装到其信任证书列表中。
下面，我们通过A、B两步来生成CA机构的证书。

A). 生成CA公私钥文件

如果使用keytool生成证书，只会先生成一个同时包含公私钥以及CA本身信息的文件：MyCA.jks，但生成后可以导出CA机构的证书：MyCA.crt。此处的MyCA代表我们模拟的CA机构的名字。

keytool -genkeypair -keyalg RSA -keysize 2048 -keystore MyCA.jks -alias MyCA

该命令指定生成一个公私钥对，使用RAS算法，key长度为2048，生成到文件MyCA.jks中，文件中保存的公私钥对的名称为MyCA。使用该命令后会提示输入MyCA本身信息，如下：

Enter keystore password:  
Re-enter new password: 
What is your first and last name?
  [Unknown]:  myca
What is the name of your organizational unit?
  [Unknown]:  mallen's ca          
What is the name of your organization?
  [Unknown]:  mallen
What is the name of your City or Locality?
  [Unknown]:  chengdu
What is the name of your State or Province?
  [Unknown]:  sichuan
What is the two-letter country code for this unit?
  [Unknown]:  CN
Is CN=myca, OU=mallen's ca, O=mallen, L=chengdu, ST=sichuan, C=CN correct?
  [no]:  y
Enter key password for <MyCA>
    (RETURN if same as keystore password):

首先要求输入keystore文件，也就是MyCA.jks文件的访问密码。然后，输入first and last name。再之后输入单位、部门、城市、省份、国家编码，然后要求确认是否正确，最后再输入MyCA私钥的加密密钥，直接回车，使用keystore文件密钥即可。
密钥对文件生成后，可以通过如下命令查看文件内容：

keytool -list -v -keystore MyCA.jks

输入密码后，查看到的内容如下：

Keystore type: JKS
Keystore provider: SUN

Your keystore contains 1 entry

Alias name: myca
Creation date: Sep 6, 2018
Entry type: PrivateKeyEntry
Certificate chain length: 1
Certificate[1]:
Owner: CN=myca, OU=mallen's ca, O=mallen, L=chengdu, ST=sichuan, C=CN
Issuer: CN=myca, OU=mallen's ca, O=mallen, L=chengdu, ST=sichuan, C=CN
Serial number: 4385a752
Valid from: Thu Sep 06 14:59:31 CST 2018 until: Wed Dec 05 14:59:31 CST 2018
Certificate fingerprints:
     MD5:  6E:2F:7E:C0:FA:78:53:95:FD:1C:4D:5C:53:BF:92:30
     SHA1: CD:4E:FF:AA:91:7E:68:AD:24:39:2E:9F:1E:70:85:54:03:63:F6:A2
     SHA256: E8:85:FA:33:85:B7:E9:FE:96:BD:5E:80:CF:00:F6:B5:4A:EA:2D:F7:47:B7:81:3B:60:DF:79:1D:5E:9E:EA:A0
     Signature algorithm name: SHA256withRSA
     Version: 3

Extensions: 

#1: ObjectId: 2.5.29.14 Criticality=false
SubjectKeyIdentifier [
KeyIdentifier [
0000: 61 30 66 A2 7F B6 F1 B5   EA A1 D6 31 1B A5 DC 60  a0f........1...`
0010: 25 9E 04 28                                        %..(
]
]



*******************************************
*******************************************

B) 提取CA的公钥文件

拥有了CA公私钥文件之后，可以提取出CA的证书文件，该文件用户客户端校验服务器端证书时的密钥。后续会介绍怎么使用，提取命令如下：

keytool -exportcert -keystore MyCA.jks -alias MyCA -file MyCA.crt

该命令指定从MyCA.jks密钥对文件中获取名称为MyCA的密钥对的公钥，并将公钥写入到MyCA.crt中。

2. 模拟服务器SERVER

同样，每个Server也会有自己的公私钥：server.pub和server.pri。也需要首先生成公私钥对：

keytool -genkeypair -alias myserver -keyalg RSA -keysize 2048 -keystore MyServer.jks

该命令指定生成一个公私钥对，使用RAS算法，key长度为2048，生成到文件MyServer.jks中，公私钥对的名称为myserver。
后续的输入与生成MyCA.jks一致，但是需要注意的是在What is your first and last name?这一项，作为服务器应该填写服务器的域名，比如www.baidu.com或者*.baidu.com。jdk中，在验证服务器端证书时，首先会取该字段来与当前访问的地址做对比，如果一致才能进入真正的证书验证阶段。
作为测试，建议此处输入localhost，在后续访问时同样使用localhost访问。如果后续方式需要使用ip，此处请输入ip。

3. 证书申请请求

Server有了公私钥对后，便可发起证书申请。证书申请时，需要提交证书申请文件，该文件一般称为CSR文件。生成该文件的命令如下：

keytool -certreq -alias myserver -keystore MyServer.jks -file MyServer.csr

该命令根据MyServer.jks公私钥对生成证书申请文件MyServer.csr，该文件生成后，便可提交到CA机构进行证书的申请。

4. CA颁发证书

CA机构接收到MyServer的证书申请请求时，校验MyServer身份通过后，就可以使用自己的私钥对证书进行认证（签名），命令如下：

keytool -gencert  -alias MyCA -keystore MyCA.jks -infile MyServer.csr -outfile MyServer.crt

该命令使用CA的公私钥对文件MyCA.jks对证书申请文件MyServer.csr进行签名，最终生成MyServer的CA证书文件MyServer.crt。

5. 导入Server证书

CA机构为MyServer颁发认证认证书MyServer.crt后，MyServer即可将证书文件导入到自己的证书库MyServer.jks中，导入命令如下：

keytool -import -alias myserver -file MyServer.crt -keystore MyServer.jks -trustcacerts

该命令会将MyServer.crt证书文件导入到MyServer.jks证书库中，需要注意的是，此处的alias必须与服务器公私钥对名称保持一致，也就是必须为myserver。
但在导入时，会报错：

keytool error: java.lang.Exception: Failed to establish chain from reply

该错误表示证书链不能建立，其原因是由于在导入MyServer.crt证书时会对其签名做验证，以便确认是由信任机构CA颁发的。但是，由于SERVER端当前并未将MyCA的证书导入到的信任证书列表中，导致抛出该错误。因此，需要将MyCA.crt导入到受信任的证书列表中。可以直接将MyCA.crt导入到$JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts文件中。命令为：

keytool -import -alias MyCA -file MyCA.crt -keystore $JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts

导入之后，再运行导入MyServer.crt证书的命令即可成功导入。导入时需要输入cacerts的密码，默认密码为changeit。
由该错误原因可知，哪怕对于权威的CA机构，如果CA结构的公开证书没有安装到本地，同样会报该错误。

6. 配置tomcat

其实前面5步就已经完成证书颁发过程了，但是为了验证证书的颁发过程没有问题，我们还需要将MyServer.crt使用起来。此处我们服务器端使用tomcat来提供HTTPS服务，需要进行如下配置：
打开tomcat的配置文件$CATALINA_HOME/conf/server.xml，打开https的配置，填入证书文件地址、密码和证书名称，修改后的内容如下：

tomcat https配置

修改完成，保存启动tomcat即可。

TIPS：如果需要查看tomcat的SSL日志，可以通过配置项javax.net.debug来开启。只需要在bin目录下创建一个setenv.sh脚本，并写入：

JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Djavax.net.debug=ssl"

当然该配置项还可以进行更细粒度的控制，请参考：https://access.redhat.com/solutions/973783

7. 编写HTTPS客户端

有了HTTPS服务器端，我们需要验证客户端是否能正确校验通过我们颁发的MyServer.crt。首先，我们模拟HTTPS客户端的机器需要安装MyCA.crt到信任证书中：

keytool -import -alias MyCA -file MyCA.crt -keystore $JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts

证书安装成功后，编写访问代码：

java实现的HTTPS客户端

这段代码会访问tomcat的examples项目中的页面，注意访问地址使用的域名是localhost，该域名与MyServer.jks中的域名保持一致。如果访问成功，会打印如下信息：

访问结果
获取到该信息后，表示我们的HTTPS通信是正确的，服务器端的证书MyServer.crt是被信任的，因为我们本地信任了MyCA，而MyServer.crt是由MyCA颁发的。如果我们要验证MyServer.crt是不被信任的，我们可以卸载掉之前安装的MyCA.crt，再次访问就会出现如下错误：

javax.net.ssl.SSLHandshakeException: 
      sun.security.validator.ValidatorException: 
        PKIX path building failed: 
          sun.security.provider.certpath.SunCertPathBuilderException: 
            unable to find valid certification path to requested target

该错误的原因是服务器的证书不能被正确的验证，也就是通过JDK默认的信任证书不能验证MyServer的证书。
如果想校验不通过的情况，可以通过命令删除jdk中的MyCA.crt，命令如下：

keytool -delete -alias MyCA -keystore $JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts

总结

本文通过使用jdk自带的keytool工具，模拟了服务器端CA证书的颁发过程。如果在项目中暂时不能在受信任的CA机构申请到证书，但是却需要开启HTTPS功能，可以使用该文中介绍的方式来自己颁发CA证书。另外，通过这种方式，就可以在家自己进行HTTPS相关的技术研究了。

本文系转载博文，作者信息如下：
作者：雪落孤村
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