Akka-CQRS（13）- SSL/TLS for gRPC and HTTPS：自簽名證書產生和使用

  到現在，我們已經完成了POS平臺和前端的網路集成。不過，還是那句話：平臺系統的網路安全是至關重要的。前一篇博客里我們嘗試實現了gRPC ssl/tls網路連接，但測試時用的證書如何產生始終沒有搞清楚。現在akka-http開發的ws同樣面臨HTTPS的設置和使用問題。所以，特別抽出這篇博文討論一下數字證書的問題。

在正式的生產環境里數字證書應該是由第三方公證機構CA簽發的，我們需要向CA提出申請。數字證書的申請、簽發和驗證流程如下：

1) 服務⽅ S 向第三⽅方機構CA提交公鑰、組織信息、個⼈信息(功能變數名稱)等資料提出認證申請 (不需要提供私鑰）

2) CA 通過各種手段驗證申請者所提供信息的真實性，如組織是否存在、 企業是否合法，是否擁有功能變數名稱的所有權等

3) 如信息審核通過，CA 會向申請者簽發認證文件-證書。 證書包含以下信息:申請者公鑰、申請者的組織信息和個⼈信息、簽發機構 CA 信息、有效時間、證書序列號等信息的明⽂，同時包含一個簽名的產⽣生演算法:首先，使用散列函數計算出證書中公開明文信息的信息摘要，然後， 採用 CA 的私鑰對信息摘要進⾏加密，這個密⽂就是簽名了

4) 客戶端 C 向伺服器 S 發出請求時，S 返回證書文件

5) 客戶端 C 讀取證書中的相關的明⽂信息，採⽤相同的散列函數計算得到信息摘要， 然後，利用對應 CA 的公鑰解密簽名數據，對比證書的信息摘要，如果一致，則可以確認證書的合法性，即公鑰合法

6) 客戶端 C 然後檢驗證書相關的功能變數名稱信息、有效時間等信息

7) 客戶端 C 應內置信任 CA 的證書信息(包含公鑰)，如果 CA 不被信任，則找不到對應 CA 的證書，證書也會被判定非法

8) 內置 CA 對應的證書稱為根證書，頒發者和使⽤者相同，用 CA ⾃⼰的私鑰簽名，即⾃簽名證書(此證書中的公鑰即為 CA 的公鑰，可以使用這個公鑰對證書的簽名進行校驗，⽆需另外⼀份證書)

伺服器端在通信中建立SSL加密渠道過程如下：

1）客戶端 C 發送請求到伺服器端 S

2) 伺服器端 S 返回證書和公開密鑰到 C，公開密鑰作為證書的一部分傳送

3）客戶端 C 檢驗證書和公開密鑰的有效性，如果有效，則⽣成共用密鑰並使⽤公開密鑰加密發送到伺服器端 S

4) 伺服器端 S 使⽤私有密鑰解密數據，並用收到的共用密鑰加密數據，發送到客戶端 C 

5) 客戶端 C 使⽤用共用密鑰解密數據

6) SSL 加密通信渠道建立 ...

應該說，需要在客戶端進行認證的應用場景不多。這種情況需要在客戶端存放數字證書。像支付寶和一些銀行客戶端一般都需要安裝證書。

好了，還是回到如何產生自簽名證書示範吧。下麵是一個標準的用openssl命令產生自簽名證書流程：

在產生證書和密鑰的過程中所有系統提問回答要一致。我們先假設密碼統一為：123456

1、生成根證書私鑰: rootCA.key：  openssl genrsa -des3 -out rootCA.key 2048 

2、根證書申請 rootCA.csr：openssl req -new -key rootCA.key -out rootCA.csr

3、用申請rootCA.csr生成根證書 rootCA.crt：openssl x509 -req -days 365 -sha256 -extensions v3_ca -signkey rootCA.key -in rootCA.csr -out rootCA.crt

4、pem根證書 rootCA.pem：openssl req -x509 -new -nodes -key rootCA.key -sha256 -days 1024 -out rootCA.pem

5、創建⼀個v3.ext⽂件，目的是產生X509 v3證書，主要目的是指定subjectAltName選項：

  authorityKeyIdentifier=keyid,issuer
  basicConstraints=CA:FALSE
  keyUsage = digitalSignature, nonRepudiation, keyEncipherment, dataEncipherment
  subjectAltName = @alt_names
  [alt_names]
  DNS.1 = localhost
  IP.1 = "192.168.11.189"  
  IP.5 = "192.168.0.189"
  IP.2 = "132.232.229.60"
  IP.3 = "118.24.165.225"
  IP.4 = "129.28.108.238"

註意subjectAltName，這些都是可以信任的功能變數名稱或地址。

6、構建證書密鑰 server.key：openssl req -new -sha256 -nodes -out server.csr -newkey rsa:2048 -keyout server.key

7、用根證書rootCA產生自簽證書 server.crt：openssl x509 -req -in server.csr -CA rootCA.pem -CAkey rootCA.key -CAcreateserial -out server.crt -days 500 -sha256 -extfile v3.ext

上面這個過程需要不斷重覆回答同樣的問題，很煩。可以用配置文件來一次性產生：

先構建一個ssl.cnf文件：

  [req]
  prompt = no
  default_bits = 4096
  default_md = sha256
  distinguished_name = dn
  x509_extensions = v3_req
  [dn]
  C=CN
  ST=GuangDong
  L=ShenZhen
  O=Bayakala
  OU=POS
  CN=www.bayakala.com
  emailAddress=admin@localhost
  [v3_req]
  keyUsage=keyEncipherment, dataEncipherment
  extendedKeyUsage=serverAuth
  subjectAltName=@alt_names
  [alt_names]
  DNS.1 = localhost
  IP.1 = "192.168.11.189"  
  IP.5 = "192.168.0.189"
  IP.2 = "132.232.229.60"
  IP.3 = "118.24.165.225"
  IP.4 = "129.28.108.238"

然後：openssl req -new -newkey rsa:2048 -sha1 -days 3650 -nodes -x509 -keyout server.key -out server.crt -config ssl.cnf

一個指令同時產生需要的server.crt,server.key。

除aubjectAltName外還要關註CN這個欄位，它就是我們經常會遇到系統提問：你確定信任“功能變數名稱”嗎？中這個功能變數名稱，也就是對外界開放的一個使用了數字證書的功能變數名稱。

把crt,key抄寫到main/resources目錄下，然後在gRPC伺服器配置證書：

trait gRPCServer {
  
  val serverCrtFile = new File(getClass.getClassLoader.getResource("server.crt").getPath)
  val serverKeyFile = new File(getClass.getClassLoader.getResource("server.key").getPath)

  def runServer(service: ServerServiceDefinition): Unit = {
    val server = NettyServerBuilder
      .forPort(50051)
      .addService(service)
      .useTransportSecurity(serverCrtFile,serverKeyFile)
      .build
      .start
    // make sure our server is stopped when jvm is shut down
    Runtime.getRuntime.addShutdownHook(new Thread() {
      override def run(): Unit = {
        server.shutdown()
        server.awaitTermination()
      }
    })
  }

}

啟動gRPC服務，運作正常。在看看客戶端代碼：

    val clientCrtFile = new File(getClass.getClassLoader.getResource("server.crt").getPath)
 //或者   val clientCrtFile = new File(getClass.getClassLoader.getResource("rootCA.pem").getPath)

//這樣也行 val clientCrtFile: InputStream = getClass.getClassLoader.getResourceAsStream("rootCA.pem")

    val sslContextBuilder = GrpcSslContexts.forClient().trustManager(clientCrtFile)

    //build connection channel
    val channel = NettyChannelBuilder
      .forAddress("192.168.11.189",50051)
      .negotiationType(NegotiationType.TLS)
      .sslContext(sslContextBuilder.build())
//      .overrideAuthority("192.168.1.3")
      .build()

測試連接，gRPC SSL/TLS成功！

現在開始瞭解一下https證書的配置使用方法吧。看了一下akka-http關於server端HTTPS設置的例子，證書是嵌在HttpsConnectionContext類型裡面的。還有就是akka-http使用的https證書格式只支持pkcs12，所以需要把上面用openssl產生的自簽名證書server.crt轉成server.p12。這個轉換又需要先產生證書鏈certificate-chain chain.pem：

1）產生certificate-chain:  cat server.crt rootCA.crt > chain.pem

2) server.crt轉換成server.p12: openssl pkcs12 -export -name servercrt -in chain.pem -inkey server.key -out server.p12

https server 測試代碼：

//#imports
import java.io.InputStream
import java.security.{ SecureRandom, KeyStore }
import javax.net.ssl.{ SSLContext, TrustManagerFactory, KeyManagerFactory }

import akka.actor.ActorSystem
import akka.http.scaladsl.server.{ Route, Directives }
import akka.http.scaladsl.{ ConnectionContext, HttpsConnectionContext, Http }
import akka.stream.ActorMaterializer
import akka.http.scaladsl.Http
import akka.http.scaladsl.server.Directives._

//#imports


object HttpsDemo extends App {

  implicit val httpSys = ActorSystem("httpSystem")
  implicit val httpMat = ActorMaterializer()
  implicit val httpEC = httpSys.dispatcher
  

    val password: Array[Char] = "123456".toCharArray // do not store passwords in code, read them from somewhere safe!

    val ks: KeyStore = KeyStore.getInstance("PKCS12")
    val keystore: InputStream = getClass.getClassLoader.getResourceAsStream("server.p12")
    ks.load(keystore, password)

    val keyManagerFactory: KeyManagerFactory = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509")
    keyManagerFactory.init(ks, password)

    val tmf: TrustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance("SunX509")
    tmf.init(ks)

    val sslContext: SSLContext = SSLContext.getInstance("TLS")
    sslContext.init(keyManagerFactory.getKeyManagers, tmf.getTrustManagers, new SecureRandom)
    val https: HttpsConnectionContext = ConnectionContext.https(sslContext)


  val route = get { complete("Hello world!") }

  val (port, host) = (50081,"192.168.11.189")

  val bindingFuture = Http().bindAndHandle(route,host,port,connectionContext = https)

  println(s"Https Server running at $host $port. Press any key to exit ...")

  scala.io.StdIn.readLine()


  bindingFuture.flatMap(_.unbind())
    .onComplete(_ => httpSys.terminate())

}

用safari連接https://192.168.11.189:50081/, 彈出視窗一堆廢話後還是成功連接上了。