开始使用 ECC 证书

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我之前的文章多次提到 ECC 证书，但一直没有专门介绍 ECC 证书的文章，今天补上。本文包含三部分内容：1）简单介绍 ECC 证书是什么；2）介绍如何申请 ECC 证书；3）以 Nginx 为例介绍如何使用 ECC 证书。顺便说下，本站已经用上了 ECC 证书。要查看本站主要支持哪些技术特性，可以点这里。

简单介绍

HTTPS 通过 TLS 层和证书机制提供了内容加密、身份认证和数据完整性三大功能，可以有效防止数据被监听或篡改，还能抵御 MITM（中间人）攻击。TLS 在实施加密过程中，需要用到非对称密钥交换和对称内容加密两大算法。

对称内容加密强度非常高，加解密速度也很快，只是无法安全地生成和保管密钥。在 TLS 协议中，应用数据都是经过对称加密后传输的，传输中所使用的对称密钥，则是在握手阶段通过非对称密钥交换而来。常见的 AES- GCM、ChaCha20-Poly1305，都是对称加密算法。

非对称密钥交换能在不安全的数据通道中，产生只有通信双方才知道的对称加密密钥。目前最常用的密钥交换算法有 RSA 和 ECDHE：RSA 历史悠久，支持度好，但不支持 PFS（Perfect Forward Secrecy）；而 ECDHE 是使用了 ECC（椭圆曲线）的 DH（Diffie- Hellman）算法，计算速度快，支持 PFS。要了解更多 RSA 和 ECDHE 密钥交换的细节，可以阅读 Cloudflare 的这篇文章。

只有非对称密钥交换，依然无法抵御 MITM 攻击，还得引入身份认证机制。对于大部分 HTTPS 网站来说，服务端一般通过 HTTP 应用层的帐号体系就能完成客户端身份认证；而浏览器想要验证服务端身份，需要用到服务端提供的证书。

浏览器会在两个步骤中用到证书：1）证书合法性校验。确保证书由合法 CA 签署，且适用于当前网站；2）使用证书提供的非对称加密公钥，完成密钥交换和服务端认证。

证书合法性校验的原理，简单总结如下：

可以看到校验证书需要同时用到签名和非对称加密算法：目前必须使用 SHA-2 做为证书签名函数（没有打 XP SP3 补丁的 IE6 不支持）；目前一般使用 RSA 算法对 TBSCertificate 进行非对称加密。可以通过 openssl 工具来查看证书签名算法：


$ openssl x509 -in chained.pem -noout -text | grep 'Signature Algorithm'


    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption

大部分 CA 都有证书链，浏览器对于收到的多级证书，需要从站点证书开始逐级验证，直至出现操作系统或浏览器内置的受信任 CA 根证书。

浏览器还需要校验当前访问的域名是否存在于证书 TBSCertificate 的 Common Name 或 Subject Alternative Name 字段之中。

在 RSA 密钥交换中，浏览器使用证书提供的 RSA 公钥加密相关信息，如果服务端能解密，意味着服务端拥有证书对应的私钥，同时也能算出对称加密所需密钥。密钥交换和服务端认证合并在一起。

在 ECDHE 密钥交换中，服务端使用证书私钥对相关信息进行签名，如果浏览器能用证书公钥验证签名，就说明服务端确实拥有对应私钥，从而完成了服务端认证。密钥交 换和服务端认证是完全分开的。

可用于 ECDHE 数字签名的算法主要有 RSA 和 ECDSA，也就是目前密钥交换 + 签名有三种主流选择：

以下是 Chrome 中这三种密钥交换方式的截图（截图来自于早期 Chrome，新版 Chrome 查看位置有了变化）：

key exchange

内置 ECDSA 公钥的证书一般被称之为 ECC 证书，内置 RSA 公钥的证书就是 RSA 证书。由于 256 位 ECC Key 在安全性上等同于 3072 位 RSA Key，加上 ECC 运算速度更快，ECDHE 密钥交换 + ECDSA 数字签名无疑是最好的选择。由于同等安全条件下，ECC 算法所需的 Key 更短，所以 ECC 证书文件体积比 RSA 证书要小一些。以下是本站的对比，可以看到左侧的 ECC 证书要小 1/3：

ecc certificate vs rsa certificate

RSA 证书可以用于 RSA 密钥交换（RSA 非对称加密）或 ECDHE 密钥交换（RSA 非对称签名）；而 ECC 证书只能用于 ECDHE 密钥交换（ECDSA 非对称签名）。

并不是所有浏览器都支持 ECDHE 密钥交换，也就是说 ECC 证书的兼容性要差一些。例如在 Windows XP 中，使用 ECC 证书的网站只有 Firefox 能访问（Firefox 的 TLS 自己实现，不依赖操作系统）；Android 平台中，也需要 Android 4+ 才支持 ECC 证书。

好消息是，Nginx 1.11.0 开始提供了对 RSA/ECC 双证书的支持。它的实现原理是：分析在 TLS 握手中双方协商得到的 Cipher Suite，如果支持 ECDSA 就返回 ECC 证书，否则返回 RSA 证书。

也就是说，配合最新的 Nginx，我们可以使用 ECC 证书为现代浏览器提供更好的体验，同时老旧浏览器依然会得到 RSA 证书，从而保证了兼容性。这一次，鱼与熊掌可以兼得。

如何申请

如果你的 CA 支持签发 ECC 证书，使用以下命令生成 CSR（Certificate Signing Request，证书签名请求）文件并提交给提供商，就可以获得 ECC 证书：


openssl ecparam -genkey -name secp256r1 | openssl ec -out ecc.key

    openssl req -new -key ecc.key -out ecc.csr

以上命令中可供选择的算法有 secp256r1 和 secp384r1，secp521r1 已被 Chrome 和 Firefox 废弃。

我目前在用的 Let's Encrypt，也支持签发 ECC 证书。我使用了 acme.sh 这个小巧的工具来签发证书，指定 -k ec-256 就可以将证书类型改为 ECC：


"/root/.acme.sh"/acme.sh --issue --dns dns_cx -d imququ.com -d www.imququ.com
-k ec-256

目前 Let's Encrypt 只提供 RSA 中间证书，官方预计会在 2017 年 3 月底提供 ECC 中间证书（via）。

如何使用

有了 RSA/ECC 双证书之后，还需要安装 Nginx 1.11.x。这部分内容我之前详细写过，请点击查看。

一切准备妥当后，将证书配置改为双份即可：


ssl_certificate     example.com.rsa.crt;

    ssl_certificate_key example.com.rsa.key;

    ssl_certificate     example.com.ecdsa.crt;
    ssl_certificate_key example.com.ecdsa.key;

问题来了！本站使用 Cloudflare 提供的 Cipher Suites 配置，在 Nginx 中配置了双证书并重启，用 Chrome 测试发现仍然没有采用 ECC 证书。这是为什么呢？


# https://github.com/cloudflare/sslconfig/blob/master/conf

    ssl_ciphers                 EECDH+CHACHA20:EECDH+CHACHA20-draft:EECDH+AES128:RSA+AES128:EECDH+AES256:RSA+AES256:EECDH+3DES:RSA+3DES:!MD5;
    ssl_prefer_server_ciphers   on;

研究发现，Chrome 与服务端协商到的 Cipher Suites 是 ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256，来自于 ssl_ciphers 配置中的 EECDH+AES128 这部分。我们通过 openssl 工具看一下 EECDH+AES128 具体包含哪些 Cipher Suites：


openssl ciphers -V 'EECDH+AES128' | column -t


    0xC0,0x2F  -  ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256    TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=RSA    Enc=AESGCM(128)  Mac=AEAD
    0xC0,0x2B  -  ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256  TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=ECDSA  Enc=AESGCM(128)  Mac=AEAD
    0xC0,0x27  -  ECDHE-RSA-AES128-SHA256        TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=RSA    Enc=AES(128)     Mac=SHA256
    0xC0,0x23  -  ECDHE-ECDSA-AES128-SHA256      TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=ECDSA  Enc=AES(128)     Mac=SHA256
    0xC0,0x13  -  ECDHE-RSA-AES128-SHA           SSLv3    Kx=ECDH  Au=RSA    Enc=AES(128)     Mac=SHA1
    0xC0,0x09  -  ECDHE-ECDSA-AES128-SHA         SSLv3    Kx=ECDH  Au=ECDSA  Enc=AES(128)     Mac=SHA1

可以看到，使用 RSA 做为签名认证算法（Au=RSA）的加密套件排到了前面，导致 Nginx 作出了错误判断。

知道原因就好办了，将这段配置改为 EECDH+ECDSA+AES128:EECDH+aRSA+AES128，再看一下：


openssl ciphers -V 'EECDH+ECDSA+AES128:EECDH+aRSA+AES128' | column -t


    0xC0,0x2B  -  ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256  TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=ECDSA  Enc=AESGCM(128)  Mac=AEAD
    0xC0,0x23  -  ECDHE-ECDSA-AES128-SHA256      TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=ECDSA  Enc=AES(128)     Mac=SHA256
    0xC0,0x09  -  ECDHE-ECDSA-AES128-SHA         SSLv3    Kx=ECDH  Au=ECDSA  Enc=AES(128)     Mac=SHA1
    0xC0,0x2F  -  ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256    TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=RSA    Enc=AESGCM(128)  Mac=AEAD
    0xC0,0x27  -  ECDHE-RSA-AES128-SHA256        TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=RSA    Enc=AES(128)     Mac=SHA256
    0xC0,0x13  -  ECDHE-RSA-AES128-SHA           SSLv3    Kx=ECDH  Au=RSA    Enc=AES(128)     Mac=SHA1

这下就没问题了。

并不是所有加密套件都需要把 ECDSA 和 aRSA 分开写，例如 EECDH+CHACHA20 就不需要，ECDSA 默认就在前面：


openssl ciphers -V 'EECDH+CHACHA20' | column -t


    0xCC,0xA9  -  ECDHE-ECDSA-CHACHA20-POLY1305  TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=ECDSA  Enc=ChaCha20-Poly1305  Mac=AEAD
    0xCC,0xA8  -  ECDHE-RSA-CHACHA20-POLY1305    TLSv1.2  Kx=ECDH  Au=RSA    Enc=ChaCha20-Poly1305  Mac=AEAD

最终，我的 Cipher Suites 配置如下，供参考：


ssl_ciphers                EECDH+CHACHA20:EECDH+CHACHA20-draft:EECDH+ECDSA+AES
128:EECDH+aRSA+AES128:RSA+AES128:EECDH+ECDSA+AES256:EECDH+aRSA+AES256:RSA+AES2
56:EECDH+ECDSA+3DES:EECDH+aRSA+3DES:RSA+3DES:!MD5;

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