在互联网环境中，数据安全是每个开发者和用户都会关注的核心问题。HTTPS（HyperText Transfer Protocol Secure）是一种基于加密传输的网络协议，是应用层保护通信安全、防止数据被窃听和篡改的主要手段。
在很多一线企业，例如腾讯、阿里、字节等，许多应用强制要求使用 HTTPS 协议进行通信，Kubernetes 也提倡通过 HTTPS 协议进行通信。那么，为什么建议通过 HTTPS 协议而非 HTTP 协议？这源于二者的核心区别：
- HTTP 协议以明文方式传输数据，在网络中传输时可能遭受窃听、篡改或冒充攻击，安全性较低，存在数据泄露风险；
- HTTPS 协议基于 HTTP 协议增加了 SSL 安全层，通过加密通道传输数据，安全性更高。
通常，HTTPS 协议主要实现以下两类功能：
- 数据传输加密： 通过 HTTPS 传输的数据始终以加密形式存在，确保信息安全；
- 身份认证： HTTPS 支持单向认证和双向认证。单向认证用于验证服务端的真实性，双向认证则同时验证服务端和客户端的合法性。
在实际的企业应用中，HTTPS 的使用方式主要包括：
- 利用 HTTPS 的数据加密能力，启用单向认证验证服务端的合法性，客户端认证则采用其他方式，例如 Bearer 认证。miniblog 项目采用的正是这种方式；
- 利用 HTTPS 的数据加密能力，同时通过双向认证验证服务端和客户端的合法性。
由于 CA 认证和 HTTPS 认证流程经常在面试中被考察，同时 miniblog 在启用 HTTPS 服务时需要理解相关内容。接下来，本课程将对这两部分进行详细介绍。
什么是 HTTPS？
HTTPS 是 HTTP（超文本传输协议）的安全版本。它通过在 HTTP 和传输层之间加入 SSL/TLS（安全套接字层/传输层安全协议）来确保通信安全。相比 HTTP，HTTPS 增加了三项核心功能：
- **数据加密：**通过加密技术，确保通信内容不会被第三方窃听；
- **身份验证：**通过服务器证书验证服务器身份，防止中间人攻击；
- 校验数据是否在传输过程中被篡改。
使用 HTTPS 后，数据从客户端到服务器的整个过程都被加密保护，只有通信双方才能解码数据。
认识 CA 证书
CA 证书的内容较多，可以从以下四个方面掌握 CA 证书相关知识：
- CA 证书相关名词；
- CA 证书签发流程；
- CA 证书认证流程；
- CA 证书签发实战。
CA 证书相关名词
CA 证书涉及众多名词，以下整理了一些核心名词，供参考：
- CA： 数字证书认证机构（Certificate Authority，简称 CA），是负责发放和管理数字证书的权威机构，作为受信任的第三方，承担公钥体系中公钥合法性检验的职责；
- CA 证书： CA 证书是由 CA 签发的数字证书，其格式可能有所不同，目前最常使用的是 X.509 证书格式；
- 公钥和私钥： 公钥（Public Key）和私钥（Private Key）是一对密钥，通过特定算法生成。公钥是密钥对中公开的部分，通常用于加密会话密钥、验证数字签名或加密需通过相应私钥解密的数据；私钥则是非公开的部分；
- 加密算法： 可以使用多种加密算法对数据进行加密。常见的加密算法包括以下两类：
- 对称加密： 只有一个密钥进行加密和解密，密钥相同且加解密速度较快。典型的对称加密算法包括 DES 和 AES 等；
- 密钥以成对形式出现（公钥和私钥），公钥和私钥互为匹配，且无法通过公钥推导出私钥，反之亦然。公钥用于加密时需通过私钥解密，私钥用于加密时需通过公钥解密。与对称加密相比，其速度较慢。典型非对称加密算法包括 RSA 和 DSA 等。
- X.509 证书编码格式： X.509 证书可能采用不同的编码规则。目前编码格式主要包括以下两种：
- PEM（Privacy Enhanced Mail）： 文本格式，文件后缀为 .pem，以
-----BEGIN XXXXXX-----开头，-----END XXXXXX-----结尾，内容为 BASE64 编码。多用于 Apache 和 UNIX 服务器； - DER（Distinguished Encoding Rules）： 二进制格式，文件后缀为 .der，不可读。多用于 Java 和 Windows 服务器。
- PEM（Privacy Enhanced Mail）： 文本格式，文件后缀为 .pem，以
- **X.509 证书文件后缀：**X.509 证书的文件后缀不一定是 .pem 或 .der，以下是常见类型：
- CRT（.crt）： 代表 Certificate，意为证书，常见于 UNIX 系统，可能采用 PEM 或 DER 编码，大多数为 PEM 编码；
- CER（.cer）： 代表 Certificate，意为证书，常见于 Windows 系统，可能采用 PEM 或 DER 编码，大多数为 DER 编码；
- KEY（.key）： 通常存放公钥或私钥，虽非 X.509 证书，但其编码格式可能为 PEM 或 DER；
- CSR（.csr）： Certificate Signing Request，即证书签名请求。CSR 不是证书，而是向权威证书颁发机构申请签名证书的请求，其主要包含一个公钥及附加信息。在生成申请时，会同时生成一个私钥，需自行妥善保管，无需提交给 CA 机构。
需要特别注意的是，如果证书文件的后缀是.pem 或.der，在文件名中应体现文件所属类别，例如：server-key.pem 表示私钥文件，server-crt.pem 表示证书文件。
为了更好地理解 CA 相关内容，接下来将以 CA 的签发流程为主线，在介绍流程的同时，阐述相关概念，CA 的认证流程实际上也是 HTTPS 的认证流程。
CA 证书的签发流程
CA 证书认证流程如下图所示。
上图所示的流程解释如下：
- 服务端向第三方机构 CA 提交公钥、组织信息、个人信息（如域名）等内容并申请认证（无需提交私钥）；
- CA 通过线上、线下等多种手段验证申请者提供信息的真实性，例如确认组织是否存在、企业是否合法、是否拥有域名的所有权等；
- 如果信息审核通过，CA 会向申请者签发认证文件（证书）：
- 证书包含以下信息：申请者的公钥、组织信息和个人信息、签发机构 CA 的信息、证书有效期、证书序列号等明文信息，同时还包含一个签名；
- 签名的生成算法：首先，使用散列函数计算明文信息的信息摘要，然后，采用 CA 的私钥对信息摘要进行加密，生成的密文即为签名。
- 客户端向服务端发出请求后，服务端返回服务端的证书文件；
- 客户端读取服务端证书中的明文信息，并使用相同的散列函数计算信息摘要。随后，利用对应 CA 的公钥解密签名数据并对比信息摘要。如果两者一致，则可以确认证书的合法性，即公钥合法。同时，客户端还需验证证书中的域名信息、有效期等内容。客户端通常内置信任 CA 的根证书（包含公钥），如果 CA 不被信任，则无法找到对应 CA 的证书，该证书将被判定为非法；
- 客户端生成一个随机数 R，并用服务端证书中的公钥加密后发送给服务端。服务端使用其私钥解密获取随机数 R，随后双方使用对称加密算法进行数据交换。
提示：
证书由以下部分组成：公钥（服务端生成的密钥对中的公钥）+申请者与颁发者信息+签名（使用 CA 机构生成的密钥对中的私钥进行签名）。颁发证书的过程实际上是 CA 使用其私钥对证书请求文件进行签名。
CA 认证流程
CA 证书的认证分为单向认证和双向认证。在实际开发中，可根据需要自行选择：
- **单向认证：**适用于无需在通信层对用户身份进行验证的场景，一般在应用逻辑层保证用户的合法登录。单向认证也是企业应用中，使用最多的认证方式；
- **双向认证：**要求通信双方相互验证身份。例如，在企业应用服务之间存在互调关系时，可能需要对通信双方进行身份验证。
（1）单向认证流程
单向认证流程如下图所示。
上图 已经清晰的展示了单向流程的步骤，这里不再详解。需要注意的是第 3 步使用的是 CA 机构证书（根证书）的公钥来解密签名。
通过上述单向认证流程可以看出，整个流程需要以下三个证书文件：根证书、服务器端公钥证书、服务器端私钥文件。
（2）双向认证流程
单向认证仅验证了服务端的身份。如果有人冒充客户端，该如何应对？此时可以采用双向认证。
双向认证 SSL 握手过程与单向认证有所不同，其大部分步骤与单向认证过程相同。但在客户端成功验证服务器后，新增了服务器验证客户端的流程步骤。双向认证流程如下图所示。
通过上述双向认证流程可以看出，整个双向认证过程需要 5 个证书文件：根证书、服务器端公钥证书、服务器端私钥文件、客户端公钥证书、客户端私钥文件。
CA 证书签发实战
CA 证书由权威的 CA 机构签发，其签发流程较为复杂且费用较高。在后端应用开发中，通常由开发或运维人员自行生成根证书及其私钥，并扮演 CA 的角色，负责为其他服务端和客户端签发证书，此类证书也称为自签证书。
在企业应用开发中，可以使用 openssl 工具来签发根证书、服务端证书和客户端证书。使用 openssl 工具签发证书具体包括以下几步：
- 签发根证书和私钥；
- 生成服务端证书；
- 生成客户端证书；
步骤一：签发根证书和私钥
签发根证书和私钥包括以下 3 步操作：生成根证书私钥、生成请求文件、生成根证书。
（1）生成根证书****私钥
使用以下命令生成根证书私钥：
$ openssl genrsa -out ca.key 1024
genrsa 子命令主要用于生成 RSA 私钥。命令行格式：openssl genrsa [args] [numbits]。涉及参数说明如下：
-out file：将生成的私钥保存至指定的文件中；numbits：指定生成私钥的大小，默认是2048。
（2）生成请求文件
使用证书私钥生成请求文件，命令如下：
$ openssl req -new -key ca.key -out ca.csr -subj "/C=CN/ST=Guangdong/L=Shenzhen/O=devops/OU=it/CN=127.0.0.1/emailAddress=colin404@foxmail.com"
req 子命令主要用于创建证书请求文件，其命令行格式为：openssl req [options] <infile> outfile。参数说明如下：
-new：创建新的证书请求文件；-key file：指定创建证书请求所使用的私钥文件；-out arg：指定输出文件路径；-subj arg：设置或修改证书请求中的主体信息。
证书请求的主体信息选项说明如下：
- **CN(Common Name)：**指定证书中标识身份的名称，该名称必须唯一。通常填写需要申请 SSL 证书的域名（domain）或子域名（subdomain）；
- C(Country)： 国家代码；
- ST(State)： 州或省；
- L(Locality)： 城市；
- O(Organization)： 组织名称；
- OU(Organizational Unit)： 组织单位名称。
提示：
不同证书的 CSR 文件，其 CN、C、ST、L、O、OU 的组合必须不同。在创建后续证书的 CSR 文件时，CN 必须各不相同，而 C、ST、L、O 和 OU 可以相同，以实现区分证书的目的。
（3）生成根证书
执行以下命令生成根证书：
$ openssl x509 -req -in ca.csr -signkey ca.key -out ca.crt
x509 命令主要用于创建和修改 x509 证书，其命令行格式如下：openssl x509 [options] <infile> outfile。参数说明如下：
-in arg：指定输入文件，默认为标准输入；-out arg：指定输出文件，默认为标准输出；-req：指定输入文件为证书请求；-signkey arg：指定用于自签名的私钥文件；-CA arg：设置 CA 文件，必须为 PEM 格式；-CAkey arg：设置 CA 私钥文件，必须为 PEM 格式；-CAcreateserial：创建序列号文件。
步骤二：生成服务端证书
执行以下命令来生成服务端证书：
# 1. 生成服务端私钥
$ openssl genrsa -out server.key 1024
# 2. 生成服务端公钥
$ openssl rsa -in server.key -pubout -out server.pem
# 3. 生成服务端向 CA 申请签名的 CSR
$ openssl req -new -key server.key -out server.csr -subj "/C=CN/ST=Guangdong/L=Shenzhen/O=serverdevops/OU=serverit/CN=127.0.0.1/emailAddress=nosbelm@qq.com"
# 4. 生成服务端带有 CA 签名的证书
$ openssl x509 -req -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -in server.csr -out server.crt
上述命令中，rsa 子命令主要用于处理 RSA 公私钥文件。命令行格式：openssl rsa [options] <infile> outfile。涉及参数说明如下：
-in arg： 指定输入文件；-pubout：指定输出文件为公钥，默认为私钥；-out arg：指定输出文件。
步骤三：生成客户端证书
执行以下命令来生成客户端证书：
# 1. 生成客户端私钥
$ openssl genrsa -out client.key 1024
# 2. 生成客户端公钥
$ openssl rsa -in client.key -pubout -out client.pem
# 3. 生成客户端向 CA 申请签名的 CSR
$ openssl req -new -key client.key -out client.csr -subj "/C=CN/ST=Guangdong/L=Shenzhen/O=clientdevops/OU=clientit/CN=127.0.0.1/emailAddress=nosbelm@qq.com"
# 4. 生成客户端带有 CA 签名的证书
$ openssl x509 -req -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -in client.csr -out client.crt
miniblog 实现 HTTPS 通信
如果你想学习真实项目中，如何设计和实现 HTTPS 通信，可阅读 github.com/onexstack/m… 源码。
