为什么我强烈建议你使用ECC 证书

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作者：Jerry Qu
原文：https://imququ.com/post/ecc-certificate.html

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。

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：https://blog.cloudflare.com/keyless-ssl-the-nitty-gritty-technical-details/。

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：

根据版本号、序列号、签名算法标识、发行者名称、有效期、证书主体名、证书主体公钥信息、发行商唯一标识、主体唯一标识、扩展等信息，生成 TBSCertificate（To Be Signed Certificate）信息；
签发数字签名：使用 HASH 函数对 TBSCertificate 计算得到消息摘要，再用 CA 的私钥进行加密，得到签名；
校验数字签名：使用相同的 HASH 函数对 TBSCertificate 计算得到消息摘要，与使用 CA 公钥解密签名得到内容相比较；

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：

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$ 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：

RSA 密钥交换（无需签名）；
ECDHE 密钥交换、RSA 签名；
ECDHE 密钥交换、ECDSA 签名；

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）：

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：

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：

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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：

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"/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：

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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？

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

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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：

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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：

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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：

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ssl_ciphers                EECDH CHACHA20:EECDH CHACHA20-draft:EECDH ECDSA AES128:EECDH aRSA AES128:RSA AES128:EECDH ECDSA AES256:EECDH aRSA AES256:RSA AES256:EECDH ECDSA 3DES:EECDH aRSA 3DES:RSA 3DES:!MD5;

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