详解Nginx SSL快速双向认证配置(脚本)

目前遇到一个项目有安全性要求，要求只有个别用户有权限访问。本着能用配置解决就绝不用代码解决的原则，在Nginx上做一下限制和修改即可。

这种需求其实实现方式很多，经过综合评估考虑，觉得SSL双向认证方案对用户使用最简单，遂决定用此方案。

注: 本方案在Ubuntu Server 16.04 LTS实施，其他操作系统请酌情修改

SSL双向认证

绝大多数SSL应用都以单向认证为主，即客户端只要信任服务端，就可以使用服务端的公钥加密后向服务端发起请求，由服务端的私钥解密之后获得请求数据。

如果这个过程反过来，让服务端信任客户端，服务端使用客户端的公钥加密之后将数据返回给客户端，其实也是可以做到的，原理和实现跟单向认证都差不多。

服务端信任客户端的操作往往也会伴随着客户端认证服务端的过程，所以让服务端信任客户端的SSL认证方式往往也被称为SSL双向认证，并且要配置SSL双向认证必须先开启服务端SSL，先配置客户端信任服务端。

Nginx的SSL双向认证配置

第一步 开启https访问

根据理论知识，我们必须先开启Nginx的SSL配置，即启用https。这个过程较为简单，目前有let's encrypt这种免费的证书方案，再也不用发愁自己搭建CA自签了。申请免费证书的过程略过，直接贴启用https的配置:

server {
 listen 80;
 listen 443 ssl http2;
 server_name example.com;

 ssl_certificate /etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem;
 ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem;
 # 只有Nginx >= 1.13.0 版本才支持TLSv1.3协议
 # ssl_protocols TLSv1.3;
 # Nginx低于1.13.0版本用这个配置
 ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
 ssl_prefer_server_ciphers on;
 ssl_dhparam dhparam.pem; # openssl dhparam -out /etc/nginx/dhparam.pem 4096
 ssl_ciphers 'EECDH+AESGCM:EDH+AESGCM:AES256+EECDH:AES256+EDH';
 ssl_ecdh_curve secp384r1; # Requires nginx >= 1.1.0
 ssl_session_timeout 10m;
 ssl_session_cache shared:SSL:10m;
 ssl_session_tickets off; # Requires nginx >= 1.5.9
 ssl_stapling on; # Requires nginx >= 1.3.7
 ssl_stapling_verify on; # Requires nginx => 1.3.7
 resolver 223.5.5.5 114.114.114.114 valid=300s;
 resolver_timeout 5s;
 # 启用HSTS的配置，如果你的域名下还有非标准端口访问的http应用，请勿启用HSTS
 # add_header Strict-Transport-Security "max-age=63072000; includeSubDomains; preload";
 # 下面这个配置会拒绝Frame标签内容，请确认你的网站没有frame / iframe
 add_header X-Frame-Options DENY;
 add_header X-Content-Type-Options nosniff;
 add_header X-XSS-Protection "1; mode=block";

 # 为了let's encrypt续期用，不用let's encrypt不需要这个location
 location /.well-known {
  root /usr/share/nginx/html;
 }

  ... SNIP ...

 # 强制http跳转为https
 if ($scheme != "https") {
  return 301 https://$http_host$request_uri;
 }
}

以上那一大堆ssl的配置参考来自于: https://cipherli.st/ 加强SSL的安全性配置

特别注意最后的强制https跳转，我们的目的是SSL双向认证，不走https无任何意义，所以必须强制跳转https。

第二步 生成客户端证书并签证(脚本)

这个过程详细描述的文章太多了，这里就不啰嗦介绍openssl和签证过程了，本篇内容是快速生成双向认证配置的证书，所以直接贴脚本就行了，命令都是参考互联网上各种openssl双向配置文档，在此基础之上进行了命令上的简化与非交互式的支持。

整个目录结构如图:

# tree /etc/nginx/ssl_certs/
/etc/nginx/ssl_certs/
├── create_ca_cert.sh
├── create_client_cert.sh
├── revoke_cert.sh

0 directories, 3 files

自行创建/etc/nginx/ssl_certs/，放入三个脚本，分别用于生成CA证书以及CA目录(create_ca_cert.sh脚本的作用，只有第一次需要运行)，创建客户端证书，并用CA证书签证(create_client_cert.sh脚本的作用，必须先生成CA证书)，revoke_cert.sh脚本用于吊销证书，需要收回权限的时候可以使用。

每个脚本内容如下:

create_ca_cert.sh

#!/bin/bash -e

# 创建CA根证书
# 非交互式方式创建以下内容:
# 国家名(2个字母的代号)
C=CN
# 省
ST=Shannxi
# 市
L=Xian
# 公司名
O=My Company
# 组织或部门名
OU=技术部
# 服务器FQDN或颁发者名
CN=www.example.com
# 邮箱地址
emailAddress=admin@example.com

mkdir -p ./demoCA/{private,newcerts}
touch ./demoCA/index.txt
[ ! -f ./demoCA/seria ] && echo 01 > ./demoCA/serial
[ ! -f ./demoCA/crlnumber ] && echo 01 > ./demoCA/crlnumber
[ ! -f ./demoCA/cacert.pem ] && openssl req -utf8 -new -x509 -days 36500 -newkey rsa:2048 -nodes -keyout ./demoCA/private/cakey.pem -out ./demoCA/cacert.pem -subj "/C=${C}/ST=${ST}/L=${L}/O=${O}/OU=${OU}/CN=${CN}/emailAddress=${emailAddress}"
[ ! -f ./demoCA/private/ca.crl ] && openssl ca -crldays 36500 -gencrl -out "./demoCA/private/ca.crl"

create_client_cert.sh

#!/bin/bash -e

show_help() {
  echo "$0 [-h|-?|--help] [--ou ou] [--cn cn] [--email email]"
  echo "-h|-?|--help  显示帮助"
  echo "--ou      设置组织或部门名，如: 技术部"
  echo "--cn      设置FQDN或所有者名，如: 冯宇"
  echo "--email     设置FQDN或所有者邮件，如: fengyu@example.com"
}

while [[ $# -gt 0 ]]
do
  case $1 in
    -h|-\?|--help)
      show_help
      exit 0
      ;;
    --ou)
      OU="${2}"
      shift
      ;;
    --cn)
      CN="${2}"
      shift
      ;;
    --email)
      emailAddress="${2}"
      shift
      ;;
    --)
      shift
      break
    ;;
    *)
      echo -e "Error: $0 invalid option '$1'\nTry '$0 --help' for more information.\n" >&2
      exit 1
    ;;
  esac
shift
done

# 创建客户端证书
# 非交互式方式创建以下内容:
# 国家名(2个字母的代号)
C=CN
# 省
ST=Shannxi
# 市
L=Xian
# 公司名
O=My Company
# 组织或部门名
OU=${OU:-测试部门}
# 服务器FQDN或授予者名
CN=${CN:-demo}
# 邮箱地址
emailAddress=${emailAddress:-demo@example.com}

mkdir -p "${CN}"

[ ! -f "${CN}/${CN}.key" ] && openssl req -utf8 -nodes -newkey rsa:2048 -keyout "${CN}/${CN}.key" -new -days 36500 -out "${CN}/${CN}.csr" -subj "/C=${C}/ST=${ST}/L=${L}/O=${O}/OU=${OU}/CN=${CN}/emailAddress=${emailAddress}"
[ ! -f "${CN}/${CN}.crt" ] && openssl ca -utf8 -batch -days 36500 -in "${CN}/${CN}.csr" -out "${CN}/${CN}.crt"
[ ! -f "${CN}/${CN}.p12" ] && openssl pkcs12 -export -clcerts -CApath ./demoCA/ -inkey "${CN}/${CN}.key" -in "${CN}/${CN}.crt" -certfile "./demoCA/cacert.pem" -passout pass: -out "${CN}/${CN}.p12"

revoke_cert.sh

#!/bin/bash -e

# 吊销一个签证过的证书

openssl ca -revoke "${1}/${1}.crt"
openssl ca -gencrl -out "./demoCA/private/ca.crl"

简单分析一波脚本，首先是创建CA，对于Ubuntu系统来说，/etc/ssl/openssl.cnf配置中默认的CA路径就是./demoCA，为了不改动默认配置，直接按照默认配置的内容创建这些目录和文件即可。还有就是openssl子命令非常多，但是也和git一样，可以合并命令，比如用一条命令同时生成私钥和签证请求openssl req -nodes -newkey rsa:2048 -keyout client.key -new -out client.csr，在req的同时就做了genrsa。由于创建CA脚本只是第一次运行需要，因此把证书配置直接写死在脚本中就完事了。

接下来是创建客户端证书，为了简化用户的使用，在服务端帮助用户生成证书并签证，把签证过的证书下发给用户就可以了。由于用户可能是不同部门，不同姓名，不同邮件地址，因此将这三个参数外部化，做一下参数解析，加上友好的命令行提示防止遗忘。这个脚本特别注意最后一行，会生成一个PKCS12格式的证书。openssl默认产生的证书格式都是PEM的，会将公钥和私钥分开，但是浏览器导入的时候需要将这些内容合并起来形成证书链，所以需要将签证过的证书和私钥文件合并成一个PKCS12格式的证书，直接将这个.p12格式的证书交给用户就可以了。

最后是吊销证书了，当希望收回某个用户的访问权限时，直接运行这个脚本跟上目录名就可以了。

接下来运行创建CA的脚本:

./create_ca_cert.sh

Generating a 2048 bit RSA private key
.......................+++
........................................................................................................+++
writing new private key to './demoCA/private/cakey.pem'
-----
Using configuration from /usr/ssl/openssl.cnf

此时产生的./demoCA目录结构如下:

demoCA/
├── cacert.pem
├── crlnumber
├── crlnumber.old
├── index.txt
├── newcerts
├── private
│  ├── ca.crl
│  └── cakey.pem
└── serial

2 directories, 7 files

此时就可以配置nginx了，在上面单向ssl的配置中，追加以下配置:

 ssl_client_certificate ssl_certs/demoCA/cacert.pem;
 ssl_crl ssl_certs/demoCA/private/ca.crl;
 ssl_verify_client on;

ssl_client_certificate就是客户端证书的CA证书了，代表此CA签发的证书都是可信的，ssl_verify_client on;代表强制启用客户端认证，非法客户端(无证书，证书不可信)都会返回400错。

特别注意ssl_crl这个配置，代表Nginx会读取一个CRL(Certificate Revoke List)文件，之前说过，可能会有收回用户权限的需求，因此我们必须有吊销证书的功能，产生一个CRL文件让Nginx知道哪些证书被吊销了即可。

注意: Nginx配置都是静态的，读取配置文件之后都会加载到内存中，即使文件内容变化也不会重新读取。因此当CRL文件发生变更之后，Nginx并不能意识到有新的证书被吊销了，所以必须使用reload指令让Nginx重新读取配置文件: service nginx reload或nginx -s reload

此时重启Nginx服务，就可以完成SSL双向认证配置了。

我们签发一个证书看看:

 ./create_client_cert.sh --ou 财务部 --cn 财务经理 --email cy@example.com
Generating a 2048 bit RSA private key
................................+++
.............................................................................+++
writing new private key to '财务经理/财务经理.key'
-----
Using configuration from /usr/ssl/openssl.cnf
Check that the request matches the signature
Signature ok
Certificate Details:
    Serial Number: 1 (0x1)
    Validity
      Not Before: Jun 14 16:03:46 2018 GMT
      Not After : May 21 16:03:46 2118 GMT
    Subject:
      countryName        = CN
      stateOrProvinceName    = Shannxi
      organizationName     = My Company
      organizationalUnitName  = \U8D22\U52A1\U90E8
      commonName        = \U8D22\U52A1\U7ECF\U7406
      emailAddress       = cy@example.com
    X509v3 extensions:
      X509v3 Basic Constraints:
        CA:FALSE
      Netscape Comment:
        OpenSSL Generated Certificate
      X509v3 Subject Key Identifier:
        B5:91:0B:1F:FC:25:3B:2A:F9:EF:39:39:51:E3:1F:64:78:8A:C3:75
      X509v3 Authority Key Identifier:
        keyid:86:55:76:15:A3:F5:58:CB:8F:39:A3:56:8E:FF:18:97:AE:27:60:0F

Certificate is to be certified until May 21 16:03:46 2118 GMT (36500 days)

Write out database with 1 new entries
Data Base Updated

tree 财务经理/
财务经理/
├── 财务经理.crt
├── 财务经理.csr
├── 财务经理.key
└── 财务经理.p12

0 directories, 4 files

这个脚本生成了私钥文件key，签证请求文件csr，经过CA签证后的证书文件crt(里面没有私钥)，以及将crt文件和key进行bundle之后的PKCS12格式的证书文件p12，将p12文件下载到本地，双击一路Next导入证书即可。

注: 由于CA的证书文件不会发生变化，因此签证新的客户端证书不需要restart或reload nginx

这次打开我们的网站https://www.example.com，浏览器就会提示我们选择一个已有的客户端证书进行认证了，没问题就可以看到网站内容了

注: 每次导入新的证书之后，必须重启浏览器才能提示使用新的证书文件

按照这种方式，有多少人需要授权，就可以用这个脚本签发多少个这样的证书，用户将p12证书导入本地就可以正常访问网站了。

当我们需要收回某人的权限的时候(比如离职了)，我们需要吊销他的证书:

./revoke_cert.sh 财务经理

Using configuration from /usr/ssl/openssl.cnf
Revoking Certificate 01.
Data Base Updated
Using configuration from /usr/ssl/openssl.cnf

service nginx reload

这个脚本会自动吊销他的签证文件crt，并且自动更新CRL文件。特别注意需要reload或restart nginx才能让nginx重新加载CRL。这样被吊销的证书将无法访问网站了。

小结

本文我们通过Nginx配置SSL双向认证实现对客户端的加密认证，我们使用了简易的脚本帮助我们快速生成各种证书与签证，免除记忆繁琐openssl命令行，简化使用。

当然这只是一个最小可用集，当规模比较大的时候可能需要做很多改进，比如加入CA的web ui，直接可以操作签证和吊销证书，并且可以自动重启nginx。

再比如CRL这种静态配置文件不适合你的场景，希望的动态更新吊销证书列表，那么可以考虑OCSP方案，这个Nginx也是支持的，通过ssl_stapling_responder配置指定一个OCSP地址，这样将不需要每次吊销证书的时候都去重启nginx了，openssl也提供了ocsp服务端的功能，这里就不赘述了，可以自行查找相关资料。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持我们。