理解加密算法（三）——创建CA机构，签发证书并开始TLS通信

接理解加密算法（一）——加密算法分类、理解加密算法（二）——TLS/SSL

1 不安全的TCP通信

普通的TCP通信数据是明文传输的，所以存在数据泄露和被篡改的风险，我们可以写一段测试代码试验一下。

TCP Server：

const net=require('net');
const server=net.createServer();
const serverHost='127.0.0.1';
const serverPort=8888;

server.on('connection',(clientSocket)=>{
    clientSocket.setEncoding('utf8');
    clientSocket.on('data',(data)=>{
        console.log(`client say:${data}`);
    });
    clientSocket.on('error',()=>{});
});

server.listen({host:serverHost,port:serverPort},()=>{
    console.log(`server is listening on port ${8888}`)
});

TCP Client：

const net=require('net');
const socket=new net.Socket();
const serverHost='127.0.0.1';
const serverPort=8888;

let index=0;
socket.on('error',()=>{});
socket.connect({host:serverHost,port:serverPort},()=>{
    console.log(`client has connected to host ${serverHost} , port ${serverPort}`);
    setInterval(()=>{
        socket.write(`i love u ${index++}`);
    },3000);
});

启动Server和Client后，可以在Server的控制台中看到来自Client的消息：

client say:i love u 0
client say:i love u 1
client say:i love u 2
client say:i love u 3
client say:i love u 4

1.1 数据泄露

数据在传输的过程中是可以被所有人看到的，可以用WireShark抓包测试一下。由于WireShark无法直接抓取发送给本地的TCP包，我将Server部署到了另外一台机器上，需要做如下修改：

  • serverHost都修改为另一台机器的IP。
  • 打开Server机器防火墙的8888端口。

配置好抓取IP：

抓包：

可以看到，表白信息全被别人看了去了 😦

可能有人会说：我脸皮厚，随便看~

但是要注意了，所有http协议的请求，他们的数据都是这样发送的！可以认为，在一个使用http协议而不是https协议的网站上，你的游戏账号、银行卡密码，都是这样赤果果的暴露在别人眼前的！

不仅如此，别人还可以随意篡改你的数据！

1.2 数据篡改

我们上网的过程中，数据从我们的电脑到达目标服务器的过程中，可能会经过层层代理和多次路由，最终才到达目标服务器并不是像上面我们的Demo那样是直连的！

为了模拟这种情况，我们可以在Demo的Client和Server之间加上一个耿直的Proxy：

const net=require('net');
const proxyServer=net.createServer();

const proxyHost='127.0.0.1';
const proxyPort=8889;

const serverHost='127.0.0.1';
const serverPort=8888;

//代理连接到真实目标Server
const proxySocket=new net.Socket();
proxySocket.connect({host:serverHost,port:serverPort},()=>{
    console.log(`proxy has connected to host ${serverHost} , port ${serverPort}`);
});
//启动代理Server
proxyServer.on('connection',(clientSocket)=>{
    //直接将客户端的数据发给真实目标Server
    clientSocket.pipe(proxySocket);
});
proxyServer.listen({host:proxyHost,port:proxyPort},()=>{
    console.log(`proxy server is listening on port ${8889}`)
});

修改Client的连接端口，连到proxy的8889端口而不是真实目标的8888端口，依次启动Server→Proxy→Client，可以看到Server收到了：

client say:i love u 0
client say:i love u 1
client say:i love u 2
client say:i love u 3

需要注意到这一行代码 clientSocket.pipe(proxySocket),所以说这是一个耿直的代理:)

换一个不耿直的代理，它会这样做：

clientSocket.setEncoding('utf8');
    clientSocket.on('data',(data)=>{
    data=data.replace(/love/g,'hate');
    proxySocket.write(data);
});

重新依次启动Server→Proxy→Client，可以看到Server收到了：

client say:i hate u 0
client say:i hate u 1
client say:i hate u 2
client say:i hate u 3
client say:i hate u 4

这下shabi了吧，妹子肯定是追不到了：（ 咋办呢？

2 CA机构

先梳理一下思路：按照之前了解的加密算法原理，我们可以让Server给Client下发一份非对称加密的公钥，client用公钥加密数据然后发送，这样就不存在数据泄露和篡改的风险了。

然而，这个世界是很险恶的，会有人把自己伪装成Server，给Client下发他们自己的公钥，并拦截真实Server下发给Client的真实公钥。

由于我们没办法判定Client拿到的公钥是真实Server还是恶意代理发过来的，所以我们需要一个可信赖的第三方，来告诉Client拿到的公钥到底是不是可信的，这个第三方就是CA机构，Certificate Authority，证书授权中心。

引入了CA机构后，获取证书流程如下：

在实际Client应用中，例如浏览器中，扮演可信角色——CA机构的实际上是浏览器提前内置好的，一部分浏览器厂商认为可信的CA机构的根证书，下面演示一下如何创办一家CA机构，并为一个服务器颁发CA证书。

2.1 创办CA机构

我们可以利用开源的openssl库来创办一家私人的CA机构，上面的演示Demo目录结构为：

├─client
│      client.js
├─proxy
│      proxy.js
└─server
        server.js

新建一个CA目录，创建一家CA机构，可以通俗地理解为：

  1. 生成一份非对称加密私钥
  2. 生成一份明文的证书文件，证书中记录该机构的地址、名称、email、机构公钥、有效期等信息
  3. 为自己的证书签名：即通过散列函数计算出证书文件的散列值，并通过私钥对散列值加密。将签名附加到证书中。

这样，我们就得到了一份称为“根证书”的证书文件，浏览器如果信任我们的CA机构，就可以把我们的根证书内置到浏览器中。

对应的openssl命令为：

  1. openssl genrsa -out caPrivate.key 2048 创建一个2048位的非对称加密私钥
  2. openssl req -new -key caPrivate.key -out ca.csr 通过私钥创建一个正式签名请求文件，期间会要求输入机构名称、地址、email等信息。
  3. openssl x509 -req -in ca.csr -signkey caPrivate.key -out ca.crt使用x509证书协议为刚刚创建的证书签名请求签名，得到ca.crt文件，即“根证书”。

至此，我们成功创办了一家拥有自己根证书的CA机构，文件列表：
ca.crt
ca.csr
caPrivate.key

证书的细节远不止这么简单，具体的可以参见CA证书标准X.509，https://www.ietf.org/rfc/rfc5280.txt

2.2 签发CA证书

为了安全，我们升级一下前边Demo中的Server，创建自己的证书，并请求CA机构签名颁发CA证书，来进行TLS安全通信。

  1. 新建目录 TlsServer
  2. 创建私钥 openssl genrsa -out private.key 2048
  3. 创建证书签名请求 openssl req -new -key private.key -out request.csr
  4. openssl x509 -req -CA ../CA/ca.crt -CAkey ../CA/caPrivate.key -CAcreateserial -in request.csr -out server.crt CA机构为LtsServer的证书签名，并颁发CA证书文件server.crt

这里要注意的是，本地测试的时候，Common Name属性要填写localhost，若填写线上应用地址，则使用时客户端会报错：

Error: Hostname/IP doesn't match certificate's altnames: "Host: localhost. is not cert's CN: zoucz.com"

2.3 开始安全的TLS通信

使用上面一步颁发的CA证书来进行TLS通信，需要三个步骤：

  • 使用CA机构为Tls Server颁发的CA证书创建TLS Server
  • 将CA机构的根证书内置到TLS Client中
  • 使用CA根证书创建TLS Client

① TLS Server:

const tls = require('tls');
const fs=require('fs');
const serverHost='127.0.0.1';
const serverPort=8888;
const options = {
    key: fs.readFileSync('private.key'),
    cert: fs.readFileSync('server.crt'),
};
var tlsServer = tls.createServer(options,(clientSocket) => {
    clientSocket.setEncoding('utf8');
    clientSocket.on('data',(data)=>{
        console.log(`client say:${data}`);
    });
    clientSocket.on('error',(e)=>{console.log(e)});
});

tlsServer.listen({host:serverHost,port:serverPort},()=>{
    console.log(`lts server is listening on port ${8888}`)
});

② 将CA机构根证书内置到Client中：

③ 创建 TLS Client

const tls = require('tls');
const fs = require('fs');

const serverHost='127.0.0.1';
const serverPort=8888;
const options = {
    ca: [ fs.readFileSync('ca.crt') ]
};
let index=0;
var tlsSocket = tls.connect(serverPort, options, () => {
    console.log(`tls client has connected to host ${serverHost} , port ${serverPort}`);
    setInterval(()=>{
        tlsSocket.write(`i love u ${index++}`);
    },3000);
});
tlsSocket.on('error',(e)=>{console.log(e)});

再将服务端部署到另外一台机器上，抓包：

现在看到的内容就是乱码了，没有内容泄露的风险。同理，在数据传输的过程中，第三方也无法篡改我们的数据了。

将自己的测试TLS服务部署到另外一台机器上时，有个要注意的地方，TlsClient的option中需要修改如下：

const options = {
    ca: [ fs.readFileSync('ca.crt') ],
    checkServerIdentity: function (host, cert) {
        return undefined;
    }
};

这是因为TLS通信时，对于服务端身份的检查，使用域名和使用IP的情况下，验证的策略不同，当我们在本地测试，使用IP时，需要将IP加入证书的SAN扩展(Subject Alternative Name)中，关于此扩展的内容,可以到https://www.ietf.org/rfc/rfc5280.txt查询，我没有深入研究。

3 基于TLS的HTTPS协议

前边1.1小节中说道，http协议是基于tcp传输协议的不安全协议，那么https协议为什么被认为是安全的协议呢？ 答案就是，它是基于tls传输协议的应用层协议。

3.1 创建https服务

有了前边对LTS通信原理的了解，再来看https就非常简单了，我们可以直接复用刚刚为TLS Server颁发的CA证书，来创建一个https服务器。

var https = require('https');
var fs = require('fs');
var options = {
    key: fs.readFileSync('./private.key'),
    cert: fs.readFileSync('./server.crt')
};
https.createServer(options, function(req, res) {
    res.writeHead(200);
    res.end('hello https');
}).listen(8866);


chrome会这样提示你，我们的浏览器里边找不到为这个服务器CA证书签名的CA证书，这很可能是一个骗子网站，这是因为我们的CA机构根证书没有被内置到chrome里边。点继续访问：

查看证书：

3.2 让自己的CA机构被chrome信任

可以将我们的CA机构根证书导入chrome，在chrome设置中：

重启chrome，再次访问我们的https服务

看，变成小绿锁了~

最后，本文所有Demo代码存放于：https://github.com/zouchengzhuo/nodejsLearn/tree/master/caAndTLS

原文来自我的个人站点：http://zoucz.com/blog/2017/01/05/understand-crypto-3/

posted @ 2017-01-05 16:05  桃子夭夭  阅读(1682)  评论(0)  编辑  收藏  举报