如何使用 OpenSSL 簽發中介 CA

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通常我們在私人用途的服務需要憑證時可能會考慮自簽憑證（或如果服務公開在網際網路的話可以考慮 Let's Encrypt[1]），服務較多時則會考慮自簽 CA 之後再往下發。

而在一定規模的組織內部時，有可能在根 CA（Root CA）下面還有其他中介 CA（Intermediate CA），這篇就是來記錄一下要怎麼透過 OpenSSL 工具簽發中介 CA。

簽發 Root CA

首先我們在有中介 CA 之前，必須要有 Root CA，這邊會介紹怎麼簽發 Root CA：

建立 Root CA 用的 Key

建立 Key 應該是整個環節中最簡單的步驟了，利用簡單的 openssl genrsa 即可，這邊採用 AES256 加密 Key 並將長度設為 4096（如果你不想要加上密碼，就不要下 -aes256，但你的 Key 就少了一層保護）：

$ openssl genrsa -aes256 -out ca.key 4096
Generating RSA private key, 4096 bit long modulus
# ......
e is 65537 (0x10001)
Enter pass phrase for ca.key:
Verifying - Enter pass phrase for ca.key:
$

如此一來你就成功的建立了一個給 Root CA 用的 Key，請妥善保管它（跟它的密碼），我們接下來會用這個 Key 來簽發 Root CA。

建立 Root CA

有了 Key 之後，我們就要用這把 Key 來建立 Root CA 了，這裡利用 openssl req 直接簽發 Root CA：

$ openssl req -new -x509 -key ca.key \
              -days 7300 -sha256 \
              -extensions v3_ca \
              -out ca.pem
Enter pass phrase for ca.key:
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]:TW
State or Province Name (full name) [Some-State]:Taiwan
Locality Name (eg, city) []:
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Davy.TW
Organizational Unit Name (eg, section) []:Davy.TW Certificate Authority
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:Davy.TW Root CA
Email Address []:
$

如此一來就會用剛剛的 Key 簽發一張 x509 的 Root CA 憑證，一般來說 openssl req 會需要 -config 來帶入一個設定檔，預設會使用 /etc/pki/tls/openssl.cnf（Red Hat）/ /etc/ssl/openssl.cnf（Ubuntu/FreeBSD），其內部會預先定義好一些設定值（例如 -extension v3_ca 的設定值）。

驗證 Root CA

簽發好 Root CA 了之後，我們可以來檢查一下憑證是不是如我們預期的建立了：

$ openssl x509 -noout -text -in ca.pem
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number: 13178084018309537468 (0xb6e1f5981b979ebc)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=TW, ST=Taiwan, O=Davy.TW, OU=Davy.TW Certificate Authority, CN=Davy.TW Root CA
        Validity
            Not Before: Nov 28 17:06:10 2019 GMT
            Not After : Nov 23 17:06:10 2039 GMT
        Subject: C=TW, ST=Taiwan, O=Davy.TW, OU=Davy.TW Certificate Authority, CN=Davy.TW Root CA
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (4096 bit)
                Modulus: ...
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:
            X509v3 Subject Key Identifier:
                DC:74:06:33:97:F5:E6:58:2E:51:66:14:81:B4:4F:EF:4C:78:9B:9B
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:DC:74:06:33:97:F5:E6:58:2E:51:66:14:81:B4:4F:EF:4C:78:9B:9B

            X509v3 Basic Constraints:
                CA:TRUE
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         ...
$

我們可以看到以下資訊：

  • Signature Algorithm： 簽章演算法
  • Validity： 憑證有效期限
  • Public-Key 長度
  • Issuer： 簽發單位，這邊應該會顯示我們剛剛填寫的內容
  • Subject： 憑證主體，因為我們是自簽 Root CA，所以應該會跟 Issuer 相同

另外，因為我們有使用 v3_ca 的擴充，所以還會看到這個憑證帶有 X509v3 擴充資訊，並顯示 X509v3 Basic Constraints 中有 CA:TRUE，表示這張憑證當作 CA 使用。

簽發 Intermediate CA

在有了 Root CA 之後，我們就可以利用這個 Root CA 在底下簽發 Intermediate CA，接下來會稍稍有點複雜，因為預設的 openssl.cnf 通常都不會帶有適用的現成 extension 可以用，我們必須自訂這些東西：

建立 Intermediate CA Key

我們假設 Intermediate CA 與 Root CA 的單位不同，所以我們需要使用不同的 Key 來簽名，一樣，使用 openssl genrsa 簡單地建立 Key：

$ openssl genrsa -aes256 -out intermediate.key 4096
Generating RSA private key, 4096 bit long modulus
# ...
e is 65537 (0x10001)
Enter pass phrase for intermediate.key:
Verifying - Enter pass phrase for intermediate.key:
$

建立 Intermediate CA CSR

既然兩個 CA 的單位不同，總不可能讓 Intermediate CA 用的 Key 流出去到 Root CA 那邊吧？
所以我們要先建立 CSR（Certificate Signing Request），再將 CSR 交給 Root CA 來核發憑證：

$ openssl req -sha256 -new -key intermediate.key -out intermediate.csr
Enter pass phrase for intermediate.key:
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]:TW
State or Province Name (full name) [Some-State]:Taiwan
Locality Name (eg, city) []:
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Davy.TW
Organizational Unit Name (eg, section) []:Davy.TW Blog Certificate Authority
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:Davy.TW Blog Intermediate CA
Email Address []:

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:
$

CSR 會記錄憑證要記載的 Subject 事項，因此我們剛剛輸入的內容等下都會變成憑證的一部分。

簽發 Intermediate CA

在將 CSR 交給 Root CA 的單位之後，我們就可以準備簽發 Intermediate CA，這邊我們先定義一個給 Intermediate CA 用的 extension：

$ cat intermediate.ext
[ intermediate_ca ]
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid:always,issuer
basicConstraints = CA:true, pathlen:0
$

為什麼要自己定義呢？ 用原本的 v3_ca 不好嗎？
當然，如果你想要讓這個 CA 跟 Root CA 一樣可以繼續往下簽 Intermediate CA 的話，那你可以選擇繼續使用 v3_ca。
上面定義的 intermediate_ca 相較預設的 v3_ca 多了一個 pathlen:0，表示他往下還可以有 0 個 Intermediate CA（也就是沒有的意思）。

$ openssl x509 -req -in intermediate.csr \
               -CA ca.pem -CAkey ca.key \
               -CAserial ca.serial -CAcreateserial \
               -days 730 \
               -extensions intermediate_ca -extfile intermediate.ext \
               -out intermediate.pem
Signature ok
subject=/C=TW/ST=Taiwan/O=Davy.TW/OU=Davy.TW Blog Certificate Authority/CN=Davy.TW Blog Intermediate CA
Getting CA Private Key
Enter pass phrase for ca.key:
$

其中有幾個選項需要介紹一下：

  • -CAserial ca.serial： 每個 CA 簽發憑證時都需要一個流水號，這裡是指出流水號記錄檔檔名
  • -CAcreateserial： 只有當 CA 初次簽發時需要，他會初始化一個流水號出來，第二次之後簽發就不要帶這個參數，以免流水號被重置
  • -extensions intermediate_ca： 我們想要指定剛剛我們建立的 extension
  • -extfile intermediate.ext： 需要指定包含 extension 的設定檔

驗證 Intermediate CA

一樣，首先先看一下憑證內容是不是正確的：

$ openssl x509 -noout -text -in intermediate.pem 
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number: 15568167468282800826 (0xd80d3dd426c9eaba)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=TW, ST=Taiwan, O=Davy.TW, OU=Davy.TW Certificate Authority, CN=Davy.TW Root CA
        Validity
            Not Before: Nov 29 10:09:13 2019 GMT
            Not After : Nov 28 10:09:13 2021 GMT
        Subject: C=TW, ST=Taiwan, O=Davy.TW, OU=Davy.TW Blog Certificate Authority, CN=Davy.TW Blog Intermediate CA
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (4096 bit)
                Modulus: ...
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:
            X509v3 Subject Key Identifier:
                EA:0D:FA:82:1B:80:BA:00:5A:0D:37:7B:DB:52:71:85:E0:84:3F:13
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:DC:74:06:33:97:F5:E6:58:2E:51:66:14:81:B4:4F:EF:4C:78:9B:9B

            X509v3 Basic Constraints:
                CA:TRUE, pathlen:0
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        ...
$

可以看到 Issuer 是我們 Root CA 的名稱，而 Subject 是 CSR 中填寫的內容。
並且有將 pathlen 設為 0，表示這個 CA 只能用來簽發終端憑證。

另外，我們還可以透過 openssl verify 驗證這個憑證是不是由 Root CA 一路發下來的。

$ openssl verify -CAfile ca.pem intermediate.pem
intermediate.pem: OK

簽發終端憑證

好的，既然我們有了中介 CA，那我們就可以來試試看簽發終端憑證並驗證是不是有成功形成一個 chain：

建立終端憑證 Key/CSR

這部份就不累述，一樣的步驟：

$ openssl genrsa -aes256 -out endentity.key 4096
Generating RSA private key, 4096 bit long modulus
...
e is 65537 (0x10001)
Enter pass phrase for endentity.key:
Verifying - Enter pass phrase for endentity.key:
$ openssl req -sha256 -new -key endentity.key -out endentity.csr
Enter pass phrase for endentity.key:
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]:TW
State or Province Name (full name) [Some-State]:Taiwan
Locality Name (eg, city) []:
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Davy.TW
Organizational Unit Name (eg, section) []:Davy.TW Blog
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:blog.davy.tw
Email Address []:

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:
$

這邊要注意的是，由於我們的終端憑證會使用在服務上，所以 Common Name 的部分要記得填寫服務的 FQDN (domain name)。

簽發終端憑證

由於我們只是要簽發終端憑證而不是其他特殊用途的憑證，所以就不需要再另外定義 extension：

$ openssl x509 -req -in endentity.csr \
               -CA intermediate.pem -CAkey intermediate.key \
               -CAserial intermediate.serial -CAcreateserial \
               -days 365 \
               -out endentity.pem
Signature ok
subject=/C=TW/ST=Taiwan/O=Davy.TW/OU=Davy.TW Blog/CN=blog.davy.tw
Getting CA Private Key
Enter pass phrase for intermediate.key:
$

驗證終端憑證

$ openssl x509 -noout -text -in endentity.pem
Certificate:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Serial Number: 9266986341589110827 (0x809af2faa4d0d02b)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=TW, ST=Taiwan, O=Davy.TW, OU=Davy.TW Blog Certificate Authority, CN=Davy.TW Blog Intermediate CA
        Validity
            Not Before: Nov 30 06:29:00 2019 GMT
            Not After : Nov 29 06:29:00 2020 GMT
        Subject: C=TW, ST=Taiwan, O=Davy.TW, OU=Davy.TW Blog, CN=blog.davy.tw
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (4096 bit)
                Modulus:
                    ...
                Exponent: 65537 (0x10001)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         ...
$ openssl verify -CAfile ca.pem -untrusted intermediate.pem endentity.pem
endentity.pem: OK
$

OpenSSL 會在 verify 的時候先驗證 untrusted 憑證的正確性，然後如果會拿來驗證後面的憑證，也就是說如果結果是 OK 的話就表示這些憑證在一個有效的 chain 上了。

題外：CA bundle

大家記得在使用憑證的時候要建立 CA bundle，方法也很簡單，就是把這些 CA 憑證全部接在一起就可以了：

$ cat intermediate.pem ca.pem > ca-bundle.pem
$ openssl verify -CAfile ca-bundle.pem endentity.pem
endentity.pem: OK
$

至於為什麼不在驗證的時候就直接拿 CA bundle 來驗證，背後原因有點複雜，可以看這個 mailing list 的說明： https://mail.python.org/pipermail/cryptography-dev/2016-August/000676.html

後記

其實憑證真的有夠麻煩…… 裡面還有很多東西可以研究，光是 x509 extension 就可以啃很久……
希望大家都可以在需要簽中介憑證的時候都可以簡單做完XD

  1. Let's Encrypt 是由非營利性互聯網安全研究組（ISRG）提供給您的免費，自動化和開放的憑證頒發機構。 詳情請見： https://letsencrypt.org/zh-tw/ ↩︎

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