使用 OpenSSL 创建私有 CA：1 根证书

OpenSSL 创建私有 CA 三部曲：
使用 OpenSSL 创建私有 CA：1 根证书
使用 OpenSSL 创建私有 CA：2 中间证书
使用 OpenSSL 创建私有 CA：3 用户证书

OpenSSL 是一个免费开源的库，它提供了一些处理数字证书的命令行工具。其中一些工具可以用作证书颁发机构(Certificate Authority 即 CA)。
证书颁发机构(CA)是签署数字证书的实体。许多网站需要让他们的客户知道连接是安全的，所以需要从一个被广泛信任的CA(例如VeriSign, DigiCert)来为他们的域名签署证书，也就是我们常说的 HTTPS 证书。
本系列文章的目的不是让你创建像 VeriSign 那样的 CA 机构。在很多情况下，我们需要在公司局域网内的网站中启用 HTTPS，比如测试环境，或者是公司内网中的管理系统(现在主流的浏览器都把 HTTP 站点标记为不安全)。此时通过 OpenSSL 创建私有 CA 并颁发证书就是很好的选择了。
本系列分为三篇文章，即本文《使用 OpenSSL 创建私有 CA：1 根证书》后续的《使用 OpenSSL 创建私有 CA：2 中间证书》和《使用 OpenSSL 创建私有 CA：3 用户证书》。
说明：本系列文章的演示环境为 Ubuntu 18.04，OpenSSL 的版本为 1.1.0g。

基本目录结构

创建 myca 目录保存 CA 相关的所有内容，然后创建 myca/rootca 目录用来保存根证书相关的内容：

至于上图中的 myca/powerca 和 myca/usercert 则存放后面要介绍的中间证书和用户证书的内容。

准备根证书的配置文件

OpenSSL 程序提供了一个默认的配置文件：/etc/ssl/openssl.cnf，但是由于我们自定义的内容比较多，所以干脆创建一个套单独的配置文件。创建文件 rootca/rootca.cnf，编辑其内容如下：

# OpenSSL root CA configuration file.
# v1
[ ca ]
# `man ca`
default_ca = CA_default
[ CA_default ]
# Directory and file locations.
dir = /home/nick/projects/myca/rootca
certs = $dir/certs
crl_dir = $dir/crl
new_certs_dir = $dir/newcerts
database = $dir/db/index
serial = $dir/db/serial
RANDFILE = $dir/private/random
# The root key and root certificate.
private_key = $dir/private/rootca.key.pem
certificate = $dir/certs/rootca.cert.pem
# For certificate revocation lists.
crlnumber = $dir/db/crlnumber
crl = $dir/crl/rootca.crl.pem
crl_extensions = crl_ext
default_crl_days = 30
# SHA-1 is deprecated, so use SHA-2 instead.
default_md = sha256
name_opt = ca_default
cert_opt = ca_default
default_days = 3750
preserve = no
policy = policy_strict
[ policy_strict ]
# The root CA should only sign intermediate certificates that match.
# See the POLICY FORMAT section of `man ca`.
countryName = match
stateOrProvinceName = match
organizationName = match
organizationalUnitName = optional
commonName = supplied
emailAddress = optional
[ req ]
# Options for the `req` tool (`man req`).
# Optionally, specify some defaults.
prompt = no
input_password = 123456

default_bits = 2048
distinguished_name = req_distinguished_name
string_mask = utf8only
# SHA-1 is deprecated, so use SHA-2 instead.
default_md = sha256
# Extension to add when the -x509 option is used.
# make sure use x509_extensions, do not use req_extensions.
x509_extensions = v3_ca
# use the req_extensions not work.
#req_extensions = v3_ca
[ req_distinguished_name ]
# See <https://en.wikipedia.org/wiki/Certificate_signing_request>.
countryName = CN
stateOrProvinceName = ShaanXi
localityName = Xian
organizationName = NickLi Ltd
organizationalUnitName = NickLi Ltd CA
commonName = NickLi Root CA
emailAddress = ljfpower@163.com
[ v3_ca ]
# Extensions for a typical CA (`man x509v3_config`).
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical, CA:true
keyUsage = critical, digitalSignature, cRLSign, keyCertSign
[ v3_intermediate_ca ]
# Extensions for a typical intermediate CA (`man x509v3_config`).
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = critical, CA:true, pathlen:0
keyUsage = critical, digitalSignature, cRLSign, keyCertSign
[ crl_ext ]
# Extension for CRLs (`man x509v3_config`).
authorityKeyIdentifier=keyid:always
[ ocsp ]
# Extension for OCSP signing certificates (`man ocsp`).
basicConstraints = CA:FALSE
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid,issuer
keyUsage = critical, digitalSignature
extendedKeyUsage = critical, OCSPSigning

这是一个非常重要的配置文件，指定了很多配置的目录，其中最重要的一个已经被抽取成了变量 dir。我们要做的就是指定 dir 的路径，并且根据下面的步骤来创建其余的目录和文件。
为了把创建证书的过程也自动化掉，笔者在 req 段添加了下面的配置：

[ req ]
prompt = no
input_password = 123456

其中的 123456 就是后面创建的秘钥的密码，这样在创建 Certificate Signing Requests(csr) 时就不需要以交互的方式输入密码了。
下面的内容是默认的 CA 信息：

[ req_distinguished_name ]
countryName = CN
stateOrProvinceName = ShaanXi
localityName = Xian
organizationName = NickLi Ltd
organizationalUnitName = NickLi Ltd CA
commonName = NickLi Root CA
emailAddress = ljfpower@163.com

准备目录和文件

在 rootca 目录下创建下面的目录和文件：

rootca/certs/           # 存放新建的证书
rootca/db/              # spenssl 用来存放信息的目录
rootca/private/         # 存放私钥
rootca/crl/                                 
rootca/newcerts/

rootca/db/index
rootca/db/serial
rootca/db/crlnumber

其中的 rootca/private 目录需要 700 的权限，主要是为了既保证私钥的安全有能够创建私钥文件。rootca/db/serial 和 rootca/db/crlnumber 则需要被初始化为特定的值。简单起见我们可以使用下面的脚本来创建这些目录和文件：

#!/bin/bash

# create dir certs db private crl newcerts under rootca dir.
if [ ! -d rootca/certs ]; then
    mkdir -p rootca/certs
fi

if [ ! -d rootca/db ]; then
    mkdir -p rootca/db
    touch rootca/db/index
    openssl rand -hex 16 > rootca/db/serial
    echo 1001 > rootca/db/crlnumber
fi

if [ ! -d rootca/private ]; then
    mkdir -p rootca/private
    chmod 700 rootca/private
fi

if [ ! -d rootca/crl ]; then
    mkdir -p rootca/crl
fi

if [ ! -d rootca/newcerts ]; then
    mkdir -p rootca/newcerts
fi

把上面的代码保存到 myca/roothelpler.sh 文件中，然后 cd 到 myca 目录下执行：

$ ./roothelpler.sh

此时当前目录为 myca，rootca 下的子目录和文件都已经创建成功。

创建 root 秘钥

进入 rootca 目录：

$ cd rootca

执行下面的命令创建私钥：

$ openssl genrsa -aes256 -out private/rootca.key.pem 4096

这里笔者设置的密码为：123456，记住这个密码，后面还会用到。然后为了确保安全，把秘钥的访问权限设置为 400：

$ chmod 400 private/rootca.key.pem

此时当前目录为 myca/rootca。

创建 Certificate Signing Requests(csr)

执行下面的命令创建 csr：

$ openssl req -new \
    -config rootca.cnf \
    -sha256 \
    -key private/rootca.key.pem \
    -out csr/rootca.csr.pem

下面的命令可以检查生成的 csr：

$ openssl req -text -noout -in csr/rootca.csr.pem

注意，csr 中包含了 CA 的基本信息，和公钥信息。

创建 CA 的根证书

有了前一步中生成的 csr，我们就可以通过下面的命令生成 CA 的根证书了：

$ openssl ca -selfsign \
    -config rootca.cnf \
    -in csr/rootca.csr.pem \
    -extensions v3_ca \
    -days 7300 \
    -out certs/rootca.cert.pem

在交互式的提示中输入私钥的密码 123456，并同意其它的确认提示，就完成了根证书的生成操作。注意，上面命令中的 -selfsing 选项，它说明所有的根证书都是自签名的。同样，我们也可以通过命令来查看证书的详细信息：

$ openssl x509 -noout -text -in certs/rootca.cert.pem

其中的 Signature Algorithm 为签名算法；Issurer 是签发方，即签署证书的实体；Validity 指明证书的有效期为 2018-11-26 号至 2038-11-21 号；然后是公钥信息；Subject 指明证书自身的信息，这里 Issurer 和 Subject 的信息是一样的；下面还有 X509 协议相关的信息，这部分信息由配置文件 rootca.cnf 中的 [ v3_ca ] 段控制：

红框中的信息表明这个证书被用作 CA。

总结

至此我们已经为私有的 CA 创建了根证书，在接下来的《使用 OpenSSL 创建私有 CA：中间证书》一文中我们将详细的介绍如何创建 CA 的中间证书。

参考：
OpenSSL Certificate Authority
《openssl-cookbook》