使用 Go 实现 TLS 服务器和客户端

【导读】TLS 安全协议是什么，用 TLS 能达到什么效果？本文结合实战案例说明了 TLS 服务端客户端实现方案。

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

openssl genrsa -out server.key 2048

2、 生成服务器端证书

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

或者

go run $GOROOT/src/crypto/tls/generate_cert.go --host localhost

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

openssl genrsa -out client.key 2048

4、 生成客户端的证书

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

• 或者使用下面的脚本：

#!/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：

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。

我们再看看客户端是如何实现的：

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.go 和 go 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：

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：

ClientAuth:   tls.RequireAndVerifyClientCert,

ClientCAs:    clientCertPool,

然后客户端也配置这个 clientCertPool:

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.go 和 go 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。

更正 使用自定义的 CA 的例子可以参考 https://github.com/golang/net/tree/master/http2/h2demo

Make CA:
$ openssl genrsa -out rootCA.key 2048
$ openssl req -x509 -new -nodes -key rootCA.key -days 1024 -out rootCA.pem
... install that to Firefox
Make cert:
$ openssl genrsa -out server.key 2048
$ openssl req -new -key server.key -out server.csr
$ openssl x509 -req -in server.csr -CA rootCA.pem -CAkey rootCA.key -CAcreateserial -out server.crt -days 500