使用Go实现TLS 服务器和客户端

传输层安全协议(Transport Layer Security,缩写:TLS),及其前身安全套接层(Secure Sockets Layer,缩写:SSL)是一种安全协议,目的是为互联网通信提供安全及数据完整性保障。

SSL包含记录层(Record Layer)和传输层,记录层协议确定了传输层数据的封装格式。传输层安全协议使用X.509认证,之后利用非对称加密演算来对通信方做身份认证,之后交换对称密钥作为会谈密钥(Session key)。这个会谈密钥是用来将通信两方交换的数据做加密,保证两个应用间通信的保密性和可靠性,使客户与服务器应用之间的通信不被攻击者窃听。

本文并没有提供一个TLS的深度教程,而是提供了两个Go应用TLS的简单例子,用来演示使用Go语言快速开发安全网络传输的程序。

TLS历史

1994年早期,NetScape公司设计了SSL协议(Secure Sockets Layer)的1.0版,但是未发布。
1994年11月,NetScape公司发布SSL 2.0版,很快发现有严重漏洞。
1996年11月,SSL 3.0版问世,得到大规模应用。
1999年1月,互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司,发布了SSL的升级版TLS 1.0版
2006年4月和2008年8月,TLS进行了两次升级,分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。
现在正在制定 tls 1.3

证书生成

首先我们创建私钥和证书。

服务器端的证书生成

使用了"服务端证书"可以确保服务器不是假冒的。

1、 生成服务器端的私钥

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openssl genrsa -out server.key 2048

2、 生成服务器端证书

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openssl req -new -x509 -key server.key -out server.pem -days 3650

客户端的证书生成

除了"服务端证书",在某些场合中还会涉及到"客户端证书"。所谓的"客户端证书"就是用来证明客户端访问者的身份。
比如在某些金融公司的内网,你的电脑上必须部署"客户端证书",才能打开重要服务器的页面。
我会在后面的例子中演示"客户端证书"的使用。

3、 生成客户端的私钥

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openssl genrsa -out client.key 2048

4、 生成客户端的证书

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openssl req -new -x509 -key client.key -out client.pem -days 3650

或者使用下面的脚本:

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#!/bin/bash
# call this script with an email address (valid or not).
# like:
# ./makecert.sh demo@random.com
mkdir certs
rm certs/*
echo "make server cert"
openssl req -new -nodes -x509 -out certs/server.pem -keyout certs/server.key -days 3650 -subj "/C=DE/ST=NRW/L=Earth/O=Random Company/OU=IT/CN=www.random.com/emailAddress=$1"
echo "make client cert"
openssl req -new -nodes -x509 -out certs/client.pem -keyout certs/client.key -days 3650 -subj "/C=DE/ST=NRW/L=Earth/O=Random Company/OU=IT/CN=www.random.com/emailAddress=$1"

Golang 例子

Go Package tls部分实现了 tls 1.2的功能,可以满足我们日常的应用。Package crypto/x509提供了证书管理的相关操作。

服务器证书的使用

本节代码提供了服务器使用证书的例子。

下面的代码是服务器的例子:

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package main
import (
"bufio"
"crypto/tls"
"log"
"net"
)
func main() {
cert, err := tls.LoadX509KeyPair("server.pem", "server.key")
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
config := &tls.Config{Certificates: []tls.Certificate{cert}}
ln, err := tls.Listen("tcp", ":443", config)
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
defer ln.Close()
for {
conn, err := ln.Accept()
if err != nil {
log.Println(err)
continue
}
go handleConn(conn)
}
}
func handleConn(conn net.Conn) {
defer conn.Close()
r := bufio.NewReader(conn)
for {
msg, err := r.ReadString('\n')
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
println(msg)
n, err := conn.Write([]byte("world\n"))
if err != nil {
log.Println(n, err)
return
}
}
}

首先从上面我们创建的服务器私钥和pem文件中得到证书cert,并且生成一个tls.Config对象。这个对象有多个字段可以设置,本例中我们使用它的默认值。
然后用tls.Listen开始监听客户端的连接,accept后得到一个net.Conn,后续处理和普通的TCP程序一样。

然后,我们看看客户端是如何实现的:

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package main
import (
"crypto/tls"
"log"
)
func main() {
conf := &tls.Config{
InsecureSkipVerify: true,
}
conn, err := tls.Dial("tcp", "127.0.0.1:443", conf)
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
defer conn.Close()
n, err := conn.Write([]byte("hello\n"))
if err != nil {
log.Println(n, err)
return
}
buf := make([]byte, 100)
n, err = conn.Read(buf)
if err != nil {
log.Println(n, err)
return
}
println(string(buf[:n]))
}

InsecureSkipVerify用来控制客户端是否证书和服务器主机名。如果设置为true,则不会校验证书以及证书中的主机名和服务器主机名是否一致。
因为在我们的例子中使用自签名的证书,所以设置它为true,仅仅用于测试目的。

可以看到,整个的程序编写和普通的TCP程序的编写差不太多,只不过初始需要做一些TLS的配置。

你可以go run server.gogo run client.go测试这个例子。

客户端证书的使用

在有的情况下,需要双向认证,服务器也需要验证客户端的真实性。在这种情况下,我们需要服务器和客户端进行一点额外的配置。

服务器端:

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package main
import (
"bufio"
"crypto/tls"
"crypto/x509"
"io/ioutil"
"log"
"net"
)
func main() {
cert, err := tls.LoadX509KeyPair("server.pem", "server.key")
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
certBytes, err := ioutil.ReadFile("client.pem")
if err != nil {
panic("Unable to read cert.pem")
}
clientCertPool := x509.NewCertPool()
ok := clientCertPool.AppendCertsFromPEM(certBytes)
if !ok {
panic("failed to parse root certificate")
}
config := &tls.Config{
Certificates: []tls.Certificate{cert},
ClientAuth: tls.RequireAndVerifyClientCert,
ClientCAs: clientCertPool,
}
ln, err := tls.Listen("tcp", ":443", config)
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
defer ln.Close()
for {
conn, err := ln.Accept()
if err != nil {
log.Println(err)
continue
}
go handleConn(conn)
}
}
func handleConn(conn net.Conn) {
defer conn.Close()
r := bufio.NewReader(conn)
for {
msg, err := r.ReadString('\n')
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
println(msg)
n, err := conn.Write([]byte("world\n"))
if err != nil {
log.Println(n, err)
return
}
}
}

因为需要验证客户端,我们需要额外配置下面两个字段:

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ClientAuth: tls.RequireAndVerifyClientCert,
ClientCAs: clientCertPool,

然后客户端也配置这个clientCertPool:

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package main
import (
"crypto/tls"
"crypto/x509"
"io/ioutil"
"log"
)
func main() {
cert, err := tls.LoadX509KeyPair("client.pem", "client.key")
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
certBytes, err := ioutil.ReadFile("client.pem")
if err != nil {
panic("Unable to read cert.pem")
}
clientCertPool := x509.NewCertPool()
ok := clientCertPool.AppendCertsFromPEM(certBytes)
if !ok {
panic("failed to parse root certificate")
}
conf := &tls.Config{
RootCAs: clientCertPool,
Certificates: []tls.Certificate{cert},
InsecureSkipVerify: true,
}
conn, err := tls.Dial("tcp", "127.0.0.1:443", conf)
if err != nil {
log.Println(err)
return
}
defer conn.Close()
n, err := conn.Write([]byte("hello\n"))
if err != nil {
log.Println(n, err)
return
}
buf := make([]byte, 100)
n, err = conn.Read(buf)
if err != nil {
log.Println(n, err)
return
}
println(string(buf[:n]))
}

运行这两个代码go run server2.gogo run client2.go,可以看到两者可以正常的通讯,如果用前面的客户端go run client.go,不能正常通讯,因为前面的客户端并没有提供客户端证书。

参考文档和代码

  1. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%82%B3%E8%BC%B8%E5%B1%A4%E5%AE%89%E5%85%A8%E5%8D%94%E8%AD%B0
  2. http://drops.wooyun.org/tips/6002
  3. http://www.levigross.com/2015/11/21/mutual-tls-authentication-in-go/
  4. https://github.com/nareix/blog/blob/master/posts/golang-tls-guide.md
  5. http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html
  6. https://gist.github.com/spikebike/2232102
  7. https://github.com/nareix/tls-example
  8. http://seanlook.com/2015/01/07/tls-ssl/
  9. https://golang.org/pkg/crypto/tls/