聊一聊HTTPS雙向認證的簡單應用

背景

在三方接口對接中，偶爾會遇到需要傳遞證書的情況，這種方式其實是在SSL握手過程中會同時驗證客戶端和服務器的身份，這就是我們常說的 雙向認證。

雙向認證需要服務器和客戶端提供身份認證，只能是服務器允許的客戶方能訪問，安全性相對於要高一些。

下面老黃用幾個小例子來演示一下雙向認證的簡單應用。

準備工作

由於離不開證書，所以我們需要提前生成好幾個證書，這裏用 OpenSSL 來生成一個自簽名的。

2 個根證書，1 個服務端證書，2個不是同一個根證書下面的客戶端證書

# 根證書
openssl genrsa -out ca.key 4096
openssl req -new -key ca.key -out ca.csr -days 365
openssl x509 -req -in ca.csr -signkey ca.key -out ca.crt -days 365

# 服務端證書
openssl genrsa -out server.key 4096
openssl req -new -key server.key -out server.csr -days 365
openssl x509 -req -in server.csr -out server.crt -CA ca.crt  -CAkey ca.key  -CAcreateserial -days 365
openssl pkcs12 -export -in server.crt -inkey server.key -out server.p12

# 客戶端證書
openssl genrsa -out client.key 4096
openssl req -new -key client.key -out client.csr -days 365
openssl x509 -req -in client.csr -out client.crt -CA ca.crt  -CAkey ca.key  -CAcreateserial -days 365
openssl pkcs12 -export -in client.crt -inkey client.key -out client.p12

最後會有下面幾個文件要在後面的演示中用到： ca.crt、server.p12、server.crt、server.key、client.p12和 client2.p12 。

下面先來看看 ASP.NET Core 直接對外的情況，也就是不依賴 nginx 或 IIS 的情況。

ASP.NET Core

基於 minimal api 來演示，主要是在 ConfigureKestrel 做處理。

var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);

builder.WebHost.ConfigureKestrel(x => 
{
    x.Listen(IPAddress.Any, 443, listenOptions =>
    {
        var serverCertificate = new X509Certificate2("server.p12", "abc123");
        var httpsConnectionAdapterOptions = new HttpsConnectionAdapterOptions()
        {
            // must provide a valid certificate for authentication
            ClientCertificateMode = ClientCertificateMode.RequireCertificate,
            SslProtocols = System.Security.Authentication.SslProtocols.Tls12,
            
            ClientCertificateValidation = (cer, chain, error) =>
            {
                // valid the client certificate by you way.
                return CusSSLLib.CaHelper.Valid(cer, chain, error);
            },
            ServerCertificate = serverCertificate
        };
        listenOptions.UseHttps(httpsConnectionAdapterOptions);
    });
});

這裏最核心的是 HttpsConnectionAdapterOptions。

ServerCertificate 設置成我們上面生成的服務端證書。

ClientCertificateMode 設置成 RequireCertificate，表示客戶端在調用的時候必須要傳遞證書。

ClientCertificateValidation 就是驗證客戶端證書的邏輯，這裏可以自定義，示例裏面的驗證邏輯主要針對不被信任的根證書做了驗證。

首先是從資源文件讀取了根證書，然後再去判斷客戶端證書是否匹配。

internal static string CA_DATA = System.Text.Encoding.UTF8.GetString(CAResource.ca).Replace("-----BEGIN CERTIFICATE-----", "")
             .Replace("-----END CERTIFICATE-----", "")
             .Replace("\r", "")
             .Replace("\n", "");

public static bool Valid(X509Certificate2 certificate, X509Chain chain, SslPolicyErrors policy)
{
    // the root certificate
    var validRootCertificates = new[]
    {
         Convert.FromBase64String(CA_DATA),
    };

    foreach (var element in chain.ChainElements)
    {
        foreach (var status in element.ChainElementStatus)
        {
            // untrusted root certificate
            if (status.Status == X509ChainStatusFlags.UntrustedRoot)
            {
                if (validRootCertificates.Any(x => x.SequenceEqual(element.Certificate.RawData)))
                {
                    continue;
                }
            }

            return false;
        }
    }

    return true;
}

到這裏的話，服務端已經可以了。

這個時候從瀏覽器訪問，大概會看到這個提示。

下面寫個控制檯用 HttpClient 來訪問看看。

void DoOk()
{
    var handler = new HttpClientHandler();
    handler.ClientCertificateOptions = ClientCertificateOption.Manual;
    handler.SslProtocols = SslProtocols.Tls12 | SslProtocols.Tls | SslProtocols.None | SslProtocols.Tls11;
    try
    {
        // add client certificate
        var crt = new X509Certificate2(Path.Combine(Directory.GetCurrentDirectory(), "client.p12"), "123456");
        handler.ClientCertificates.Add(crt);
    }
    catch (Exception e)
    {
        Console.WriteLine(e.Message);
    }

    handler.ServerCertificateCustomValidationCallback = (message, cer, chain, errors) =>
    {
        // valid server certificate
        return CusSSLLib.CaHelper.Valid(cer, chain, errors);
    };

    var client = new HttpClient(handler);
    var url = "https://localhost/WeatherForecast";
    var response = client.GetAsync(url).Result;
    Console.WriteLine(response.IsSuccessStatusCode);
    var result = response.Content.ReadAsStringAsync().Result;
    Console.WriteLine(result);
}

這裏要注意，由於服務端用的證書也是自己簽名的，所以這裏的驗證也要放開，想省事的話，可以直接 return true;，不過並不建議這樣操作。

下面是運行的結果，是可以正常訪問並返回結果的。

我們再換一張不是同一個根證書的客戶端證書。

不出意外的不能正常訪問。

不過上面這種情況在實際應用的時候會偏少一點，大部分還是會掛在反向代理或雲負載均衡上面的。

下面先來看看 nginx 的吧。

nginx 反向代理

webapi 這一塊，創建一個項目，有一個可以訪問的接口即可，不用添加其他東西，因爲證書這一塊的內容都是在 nginx 那一層做了，webapi做原來該做的事情即可。

下面是 nginx 的配置文件

server {
        listen       443 ssl;
        server_name  localhost;

        # server certificate
        ssl_certificate  /etc/nginx/ssl/server.crt;
        ssl_certificate_key /etc/nginx/ssl/server.key;

        # root certificate
        ssl_client_certificate /etc/nginx/ssl/ca.crt;
        # open client certificate verify
        ssl_verify_client on;
        ssl_session_timeout  5m;            

        location / {
            proxy_pass http://webapi;
            index  index.html;
        }
    }

重點關注 ssl_verify_client 和 ssl_client_certificate ！

一個是配置開啓客戶端證書的認證，一個是驗證的客戶端證書的關鍵。

這裏的 ssl_client_certificate 用了根證書，爲的是可以驗證多個客戶端證書，當然這裏也可以用客戶端證書。

把 webapi 和 nginx 都運行起來。

這個時候訪問，就會提示， No required SSL certificate was sent。