如何在Tomcat中做TLS客户端认证

常见的https网站做的是服务端认证(server authentication),浏览器通过证书判断你所访问的https://baidu.com是否真的是百度,而不是其他人伪造的网站。同时还对流量加密,防止别人窃听你的流量。

tls还可以做客户端认证(client authentication),即服务端判断客户端是否为其所信任的客户端。由此可见,客户端认证用于那些需要受控访问服务端。

在数据中心中,有些服务是非常敏感的,那么我们要做到:

  1. 客户端和我的流量是加密的,防止别人监听
  2. 客户端能够确认所访问的服务端的确是我们提供的服务端,而不是别人伪造的服务端
  3. 只有我信任的客户端可以访问我,防止恶意请求

所以很明显,前两个问题可以通过服务端认证解决,最后一个问题可以通过客户端认证解决。顺便一提,如果要使用客户端认证就必须使用服务端认证。

先来讲讲概念然后举个tomcat的例子讲讲怎么做。

概念

服务端认证

不论是做Server authentication还是Client authentication都需要证书。证书的来源有两种:

  • 由权威CA签发,一般都是去购买。也可以使用let's encrypt申请免费证书。
  • 自己签发

在一切可能的情况下都应该使用权威CA签发的证书,为什么这么建议?因为这里牵涉到一个信任问题,浏览器、编程语言SDK和某些工具都维护了一个信任CA证书清单,只要是由这些CA签发的证书那就信任,否则就不信任。而这个链条是可以多级的,这里就不展开了。你只需要知道由信任CA签发的所有证书都是可信的。比如JDK自带的信任CA证书可以通过下面命令看到:

keytool -list -keystore $JAVA_HOME/jre/lib/security/cacerts

verisignclass2g2ca [jdk], 2016-8-25, trustedCertEntry,
证书指纹 (SHA1): B3:EA:C4:47:76:C9:C8:1C:EA:F2:9D:95:B6:CC:A0:08:1B:67:EC:9D
digicertassuredidg3 [jdk], 2016-8-25, trustedCertEntry,
证书指纹 (SHA1): F5:17:A2:4F:9A:48:C6:C9:F8:A2:00:26:9F:DC:0F:48:2C:AB:30:89
verisignuniversalrootca [jdk], 2016-8-25, trustedCertEntry,
...

让你输密码的时候输入changeit

如果这个证书不是由信任CA签发的(比如自己签发)会发生什么?浏览器、编程语言SDK、你所使用的工具会报告以下错误:

curl:

curl: (60) SSL certificate problem: self signed certificate in certificate chain

Java:

Exception in thread "main" 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
    at sun.security.ssl.Alerts.getSSLException(Alerts.java:192)
    at sun.security.ssl.SSLSocketImpl.fatal(SSLSocketImpl.java:1964)
    at sun.security.ssl.Handshaker.fatalSE(Handshaker.java:328)
    at sun.security.ssl.Handshaker.fatalSE(Handshaker.java:322)
    at sun.security.ssl.ClientHandshaker.serverCertificate(ClientHandshaker.java:1614)
...

浏览器:

这个错误实际上就是在告诉你这个证书不可信任,可能是一个伪造站点,让你小心点儿。如果这个证书由权威CA签发,那么就没有这个问题了。但是权威CA签发的证书要求申请人拥有域名,如果你这个服务是内部使用的没有域名,那就只能自己签发了。那么如何解决上面的问题呢?你得把自己签发的证书加入到信任CA证书清单里。

下图是权威CA签发证书的示例:

可以看到客户端有一个truststore,这个就是存放信任CA证书的地方,服务端有一个keystore,存放的自己的证书及对应的私钥。

下图是自签发证书的示例:

在上面可以看到我们自己成为了一个Root CA,把它放到客户端的truststore里。

客户端认证

前面讲过客户端认证是服务端来验证客户端是否可信的机制,其实做法和服务端认证类似只不过方向相反。客户端认证大多数情况下只能是自签发的(因为没有域名),虽然不是不可以从权威CA签发但是存在一些问题。下面解释为什么,假设权威CA是let's encrypt,然后服务端信任它签发的所有证书。但是let's encrypt是阿猫阿狗都可以申请的,现在有一个黑客申请了这个证书,然后请求你的服务端,服务端就认可了。

上面这个问题可以用这个方法解决:比如你用let's encrypt申请了A证书,黑客用let's encrypt申请了B证书,你的服务端的truststore只信任A证书,那么黑客用B证书访问你的时候就会被拒绝。但是这就带来另一个问题,比如你在开发的时候客户端证书有这么几套:生产用、调试用、开发用,那么每次客户端签发一个证书都要更新到你的服务器的truststore里,这也太麻烦了。

所以结合安全性和便利性,我们把自己变成Root CA,然后服务端信任它,这样一来服务端就可以在开发的时候把Client Root CA内置进去,大大减轻了维护truststore的工作量,看下图:

用Tomcat举个例子

下面举一个Tomcat做客户端认证的例子,因为是测试用,所以服务端认证也是用的自签发证书。

我们用了cfssl这个工具来生成证书。

服务端

先弄一套目录:

# 放自签发的服务端CA根证书
server-secrets/ca
# 放自签发的服务端的证书
server-secrets/cert
# 放服务端的keystore和truststore
server-secrets/jks

生成自签名CA证书

新建文件:server-secrets/ca/server-root-ca-csr.json

内容如下:

{
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "O": "Company",
      "OU": "Datacenter",
      "L": "Shanghai",
      "ST": "Shanghai",
      "C": "CN"
    }
  ],
  "CN": "server-root-ca"
}

运行下面命令生成Server ROOT CA证书:

cfssl gencert --initca=true ./server-root-ca-csr.json | cfssljson --bare server-root-ca

会得到下面几个文件:

server-secrets/ca/
├── server-root-ca-key.pem
├── server-root-ca.csr
└── server-root-ca.pem

用下面命令验证证书:

openssl x509 -in ./server-root-ca.pem -text -noout

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            0c:8a:1a:ca:da:fa:4c:17:6c:1f:42:40:4c:f1:90:f4:fd:1d:fe:58
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=CN, ST=Shanghai, L=Shanghai, O=Company, OU=Datacenter, CN=server-root-ca
        Validity
            Not Before: Mar 27 05:14:00 2019 GMT
            Not After : Mar 25 05:14:00 2024 GMT
        Subject: C=CN, ST=Shanghai, L=Shanghai, O=Company, OU=Datacenter, CN=server-root-ca

可以看到签发人和被签发人是同一个。

生成自签发证书

新建文件 server-secrets/cert/server-gencert.json,内容如下:

{
  "signing": {
    "default": {
        "usages": [
          "signing",
          "key encipherment",
          "server auth"
        ],
        "expiry": "87600h"
    }
  }
}

可以看到我们会生成用来做server auth的证书。

新建文件 server-secrets/cert/demo-csr.json,内容如下:

{
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "O": "Company",
      "OU": "Datacenter",
      "L": "Shanghai",
      "ST": "Shanghai",
      "C": "CN"
    }
  ],
  "CN": "server-demo",
  "hosts": [
    "127.0.0.1",
    "localhost"
  ]
}

看上面的hosts,你可以根据自己的需要填写域名或IP,这里因为是本地演示所以是127.0.0.1和localhost。

运行下面命令生成证书

cfssl gencert \
  --ca ../ca/server-root-ca.pem \
  --ca-key ../ca/server-root-ca-key.pem \
  --config ./server-gencert.json \
  ./demo-csr.json | cfssljson --bare ./demo

得到文件:

server-secrets/cert/
├── demo-key.pem
├── demo.csr
└── demo.pem

验证结果:

openssl x509 -in ./demo.pem -text -noout

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            1d:d0:51:97:6c:ce:ea:29:2a:f4:3b:3c:48:a3:69:b0:ef:f3:26:7b
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=CN, ST=Shanghai, L=Shanghai, O=Company, OU=Datacenter, CN=server-root-ca
        Validity
            Not Before: Mar 27 05:17:00 2019 GMT
            Not After : Mar 24 05:17:00 2029 GMT
        Subject: C=CN, ST=Shanghai, L=Shanghai, O=Company, OU=Datacenter, CN=server-demo

可以看到签发者是server-root-ca,Subject是server-demo。

将证书导入keystore

到 server-secrets/jks,执行下面命令生成pkcs12格式的keystore(JDK识别这个格式)

openssl pkcs12 -export \
  -in ../cert/demo.pem \
  -inkey ../cert/demo-key.pem \
  -out server-demo.keystore \
  -name server-demo \
  -CAfile ../ca/server-root-ca.pem \
  -caname root -chain

过程中会让你输入密码,你就输入:server-demo-ks。

得到文件:

server-secrets/jks/
└── server-demo.keystore

用JDK提供的keytool看看里面的内容:

keytool -list -keystore server-demo.keystore

server-demo, 2019-3-27, PrivateKeyEntry,
证书指纹 (SHA1): B2:E5:46:63:BB:00:E7:82:48:A4:2F:EC:01:41:CE:B4:4B:CE:68:7A

让你输入密码的时候就输入:server-demo-ks。

客户端

先弄一套目录:

# 放自签发的客户端CA根证书
client-secrets/ca
# 放自签发的客户端的证书
client-secrets/cert
# 放客户端的keystore和truststore
client-secrets/jks

生成自签名CA证书

新建文件 client-secrets/ca/client-root-ca-csr.json:

{
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "O": "Company",
      "OU": "Datacenter",
      "L": "Shanghai",
      "ST": "Shanghai",
      "C": "CN"
    }
  ],
  "CN": "client-root-ca"
}

运行下面命令生成Client ROOT CA证书:

cfssl gencert --initca=true ./client-root-ca-csr.json | cfssljson --bare client-root-ca

会得到下面几个文件:

client-secrets/ca/
├── client-root-ca-key.pem
├── client-root-ca.csr
└── client-root-ca.pem

用下面命令验证证书:

openssl x509 -in ./client-root-ca.pem -text -noout

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            7e:fc:f3:53:07:1a:17:ae:24:34:d5:1d:00:02:d6:e4:24:09:92:12
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=CN, ST=Shanghai, L=Shanghai, O=Company, OU=Datacenter, CN=client-root-ca
        Validity
            Not Before: Mar 27 05:20:00 2019 GMT
            Not After : Mar 25 05:20:00 2024 GMT
        Subject: C=CN, ST=Shanghai, L=Shanghai, O=Company, OU=Datacenter, CN=client-root-ca

可以看到签发人和被签发人是同一个。

生成自签发证书

新建文件 client-secrets/cert/client-gencert.json,内容如下:

{
  "signing": {
    "default": {
        "usages": [
          "signing",
          "key encipherment",
          "client auth"
        ],
        "expiry": "87600h"
    }
  }
}

可以看到我们会生成用来做client auth的证书。

新建文件 client-secrets/cert/demo-csr.json,内容如下:

{
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "O": "Company",
      "OU": "Datacenter",
      "L": "Shanghai",
      "ST": "Shanghai",
      "C": "CN"
    }
  ],
  "CN": "client-demo"
}

这里没有hosts,这是因为我们不需要用这个证书来做服务端认证。

运行下面命令生成证书

cfssl gencert \
  --ca ../ca/client-root-ca.pem \
  --ca-key ../ca/client-root-ca-key.pem \
  --config ./client-gencert.json \
  ./demo-csr.json | cfssljson --bare ./demo

得到文件:

client-secrets/cert/
├── demo-key.pem
├── demo.csr
└── demo.pem

验证结果:

openssl x509 -in ./demo.pem -text -noout

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            6e:50:e2:2c:02:bb:ef:fd:03:d9:2c:0a:8f:ba:90:65:fb:c4:b5:75
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=CN, ST=Shanghai, L=Shanghai, O=Company, OU=Datacenter, CN=client-root-ca
        Validity
            Not Before: Mar 27 05:21:00 2019 GMT
            Not After : Mar 24 05:21:00 2029 GMT
        Subject: C=CN, ST=Shanghai, L=Shanghai, O=Company, OU=Datacenter, CN=client-demo

可以看到签发者是client-root-ca,Subject是client-demo。

将证书导入keystore

到 client-secrets/jks,执行下面命令生成pkcs12格式的keystore(JDK识别这个格式)

openssl pkcs12 -export \
  -in ../cert/demo.pem \
  -inkey ../cert/demo-key.pem \
  -out client-demo.keystore \
  -name client-demo \
  -CAfile ../ca/client-root-ca.pem \
  -caname root -chain

过程中会让你输入密码,你就输入:client-demo-ks。

得到文件:

client-secrets/jks/
└── client-demo.keystore

用JDK提供的keytool看看里面的内容:

keytool -list -keystore client-demo.keystore

client-demo, 2019-3-27, PrivateKeyEntry,
证书指纹 (SHA1): 83:AE:0E:5E:0C:CE:86:C9:D1:84:D7:6F:87:F3:76:1F:B4:3E:46:31

让你输入密码的时候就输入:client-demo-ks。

两端互信

好了,到此为止server和client的证书都已经生成了,接下来只需要将各自的root-ca添加到彼此都truststore中。

把server-root-ca导入到client的truststore中

cd client-secrets/jks

keytool -importcert \
  -alias server-root-ca \
  -storetype pkcs12 \
  -keystore client.truststore \
  -storepass client-ts \
  -file ../../server-secrets/ca/server-root-ca.pem -noprompt

注意上面的-storepass参数,这个是trustore的密码:client-ts。

得到文件:

client-secrets/jks/
└── client.truststore

用JDK提供的keytool看看里面的内容:

keytool -list -keystore client.truststore

server-root-ca, 2019-3-27, trustedCertEntry,
证书指纹 (SHA1): 75:E3:78:97:85:B2:29:38:25:3C:FD:EC:68:97:9B:78:A0:5F:BB:9D

让你输入密码的时候就输入:client-ts。

把client-root-ca导入到server的truststore中

cd server-secrets/jks

keytool -importcert \
  -alias client-root-ca \
  -storetype pkcs12 \
  -keystore server.truststore \
  -storepass server-ts \
  -file ../../client-secrets/ca/client-root-ca.pem -noprompt

注意上面的-storepass参数,这个是trustore的密码:server-ts。

得到文件:

server-secrets/jks/
└── server.truststore

用JDK提供的keytool看看里面的内容:

keytool -list -keystore server.truststore

client-root-ca, 2019-3-27, trustedCertEntry,
证书指纹 (SHA1): 1E:95:2C:12:AA:7E:6D:E7:74:F1:83:C2:B8:73:6F:EE:57:FB:CA:46

让你输入密码的时候就输入:server-ts。

配置Tomcat

好了,我们现在client和server都有了自己证书放在了自己的keystore中,而且把彼此的root-ca证书放到了自己的truststore里。现在我们弄一个tomcat作为server,然后为他配置SSL。

修改tomcat/conf/server.xml,添加如下Connector:

<Connector port="8443" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"
           maxThreads="150" SSLEnabled="true">
    <SSLHostConfig
      certificateVerification="required"
      truststoreFile="/path/to/server-secrets/jks/server.truststore"
      truststorePassword="server-ts" 
      truststoreType="PKCS12">
        <Certificate
          certificateKeyAlias="server-demo"
          certificateKeystoreFile="/path/to/server-secrets/demo-jks/server-demo.keystore"
          certificateKeystoreType="PKCS12"
          certificateKeystorePassword="server-demo-ks"
          type="RSA" />
    </SSLHostConfig>
</Connector>

可以看到我们开启了客户端认证certificateVerification="required",也开启了服务端认证<Certificate>。记得修改上面的keystore和truststore的路径。

修改tomcat/conf/web.xml,添加如下元素:

<security-constraint>
  <web-resource-collection>
    <web-resource-name>Automatic Forward to HTTPS/SSL</web-resource-name>
    <url-pattern>/*</url-pattern>
  </web-resource-collection>
  <user-data-constraint>
    <transport-guarantee>CONFIDENTIAL</transport-guarantee>
  </user-data-constraint>
</security-constraint>

这个作用是当访问8080端口时,都跳转到8443端口,强制走HTTPS。

启动tomcat:

tomcat/bin/catalina.sh run

用curl测试

好了,我们现在用curl来测试访问一下:

curl https://localhost:8443/

curl: (60) SSL certificate problem: self signed certificate in certificate chain
...

看到curl说服务端用的是一个自签发的证书,不可信,也就是说服务端认证失败。添加--insecure试试:

curl --insecure https://localhost:8443/

curl: (35) error:1401E412:SSL routines:CONNECT_CR_FINISHED:sslv3 alert bad certificate

这里就说明客户端认证失败。

所以如果要正确访问得像下面这样,指定server-root-ca证书,以及客户端自己签发的证书及private key:

curl --cacert server-secrets/ca/server-root-ca.pem \
  --key client-secrets/cert/demo-key.pem \
  --cert client-secrets/cert/demo.pem \
  https://localhost:8443/

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
...

Httpclient测试

我们现在用Httpclient来访问看看。pom.xml中添加依赖:

<dependency>
  <groupId>org.apache.httpcomponents</groupId>
  <artifactId>httpclient</artifactId>
  <version>4.5.7</version>
</dependency>

Java代码,记得把文件路径改掉:

import org.apache.http.HttpEntity;
import org.apache.http.HttpException;
import org.apache.http.client.methods.CloseableHttpResponse;
import org.apache.http.client.methods.HttpGet;
import org.apache.http.conn.ssl.SSLConnectionSocketFactory;
import org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient;
import org.apache.http.impl.client.HttpClients;
import org.apache.http.ssl.SSLContexts;
import org.apache.http.util.EntityUtils;

import javax.net.ssl.SSLContext;
import java.io.File;
import java.io.IOException;

public class Client {

  public static void main(String[] args) throws Exception {

    SSLContext sslcontext = SSLContexts.custom()
        .loadTrustMaterial(
            new File("/path/to/client-secrets/demo-jks/client.truststore"),
            "client-ts".toCharArray()
        )
        .loadKeyMaterial(
            new File("/path/to/client-secrets/demo-jks/client-demo.keystore"),
            "client-demo-ks".toCharArray(),
            "client-demo-ks".toCharArray())
        .build();

    SSLConnectionSocketFactory sslsf = new SSLConnectionSocketFactory(
        sslcontext,
        SSLConnectionSocketFactory.getDefaultHostnameVerifier());

    CloseableHttpClient httpclient = HttpClients.custom()
        .setSSLSocketFactory(sslsf)
        .build();

    HttpGet httpGet = new HttpGet("https://localhost:8443");
    CloseableHttpResponse response = httpclient.execute(httpGet);
    try {
      System.out.println(response.getStatusLine());
      HttpEntity entity = response.getEntity();
      System.out.println(EntityUtils.toString(entity));
    } finally {
      response.close();
    }

  }
}

安全性考虑

  • 所有private key都很重要!如果它被泄漏了,就要回收它所对应都证书。如果CA的private key泄漏了,那么用它签发的所有证书都要被回收。
  • keystore和truststore的密码设置的要复杂一些。

关于反向代理

因为服务端认证所需要的证书直接配置在Tomcat上的,因此在做反向代理的时候不能使用SSL Termination模式,而是得使用SSL Passthrough模式。

其他语言、SDK、工具

上面讲的方法不是只适用于Tomcat和Httpclient的,TLS的服务端认证与客户端认证应该在绝大部分的语言、SDK、类库都有支持,请自行参阅文档实践。文中的keystore和truststore是Java特有的,不过不必迷惑,因为它们仅仅起到一个存放证书和private key的保险箱,有些语言或工具则是直接使用证书和private key,比如前面提到的curl。

参考资料

一些基础概念:

其他运用客户端认证的软件的相关文档,很有启发:

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