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从无法开启 OCSP Stapling 说起

浏览:1221次  出处信息

   最近收到的几封读者邮件，都是询问为什么在 Nginx 中无法开启 OCSP Stapling。具体现象是在 Nginx 中明明配置了 ssl_stapling on，但通过 SSL Labs 等工具查看，OCSP stapling 这一项并没有生效。本文就这个问题详细探讨下，如果你只关心结论，直接跳到最后一节即可。

   我之前在《TLS 握手优化详解》这篇文章中介绍了 OCSP 是什么，为什么要开启 OCSP Stapling，这里再简单介绍下：

   OCSP（Online Certificate Status Protocol，在线证书状态协议）是用来检验证书合法性的在线查询服务，一般由证书所属 CA 提供。某些客户端会在 TLS 握手阶段进一步协商时，实时查询 OCSP 接口，并在获得结果前阻塞后续流程。OCSP 查询本质是一次完整的 HTTP 请求 - 响应，这中间 DNS 查询、建立 TCP、服务端处理等环节都可能耗费很长时间，导致最终建立 TLS 连接时间变得更长。

   而 OCSP Stapling（OCSP 封套），是指服务端主动获取 OCSP 查询结果并随着证书一起发送给客户端，从而让客户端跳过自己去验证的过程，提高 TLS 握手效率。

验证 OCSP Stapling 状态

   通过前面提到的 SSL Labs 这个强大的在线服务，可以轻松验证指定网站是否开启 OCSP Stapling。但这个网站功能太多，国内网站很可能要花十分钟才能完成全部检测项看到结果。

   使用 Wireshark 这个神器，设置好抓包条件和过滤器后，也可以很方便地验证某个网站是否开启 OCSP Stapling，有兴趣的同学可以自己试一下。

   本文介绍如何使用 openssl 这个命令行工具来完成同样的任务。

   多说一句，Mac 系统自带的 openssl 版本太低了，建议通过 brew 装上新版：

$ brew install openssl
$ brew link openssl --force

   如果使用其它系统，也请通过 openssl version 检查一下 openssl 的版本，不要太旧了。

   服务端启用 OCSP Stapling 之后，客户端还需要在建立 TLS 时，在 Client Hello 中启用 status_request 这个 TLS 扩展，告诉服务端自己希望得到 OCSP Response。目前主流浏览器都会带上 status_request，而在 openssl 中需要指定 -status 参数。完整命令如下：

$ openssl s_client -connect imququ.com:443 -status -tlsextdebug < /dev/null 2>&1 | grep -i "OCSP response"
    如果结果是下面这样，说明 OCSP Stapling 已开启：
OCSP response:
OCSP Response Data:
    OCSP Response Status: successful (0x0)
    Response Type: Basic OCSP Response

   而这样显然是未开启：

OCSP response: no response sent

获取证书 OCSP Response

   了解如何通过 openssl 验证 OCSP Stapling 状态后，我们再来看看 OCSP Response 的完整内容，去掉前面命令中的 grep 就可以看到。例如这是本站的：

$ openssl s_client -connect imququ.com:443 -status -tlsextdebug < /dev/null 2>&1
 
OCSP response:
======================================
OCSP Response Data:
    OCSP Response Status: successful (0x0)
    Response Type: Basic OCSP Response
    Version: 1 (0x0)
    Responder Id: 87BAEBE8F7B12700EC9CD1A04EE0E123E57D809E
    Produced At: Mar 11 07:56:56 2016 GMT
    Responses:
    Certificate ID:
      Hash Algorithm: sha1
      Issuer Name Hash: 7C8E4E54532DB74C235073AAF1CDCF2C2423F86B
      Issuer Key Hash: F3B5560CC409B0B4CF1FAAF9DD2356F077E8A1F9
      Serial Number: 5A26
    Cert Status: good
    This Update: Mar 11 07:56:56 2016 GMT
    Next Update: Mar 18 07:56:56 2016 GMT
 
    Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption
         8a:81:d6:a5:aa:8a:92:05:6f:39:97:f5:da:d0:bc:06:86:f2:
         ... ...
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number: 8 (0x8)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=US, O=GeoTrust Inc., CN=RapidSSL SHA256 CA - G4
        Validity
            Not Before: Jul 10 18:18:29 2015 GMT
            Not After : May 22 18:18:29 2016 GMT
        Subject: CN=RapidSSL SHA256 CA - G4 OCSP Responder
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:9d:e9:7b:75:81:1e:00:ab:b3:b4:cc:3f:a3:2d:
                    ... ...
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:F3:B5:56:0C:C4:09:B0:B4:CF:1F:AA:F9:DD:23:56:F0:77:E8:A1:F9
 
            OCSP No Check:
 
            X509v3 Subject Key Identifier:
                87:BA:EB:E8:F7:B1:27:00:EC:9C:D1:A0:4E:E0:E1:23:E5:7D:80:9E
            X509v3 Extended Key Usage:
                OCSP Signing
            X509v3 Basic Constraints: critical
                CA:FALSE
            X509v3 Key Usage: critical
                Digital Signature
            X509v3 Subject Alternative Name:
                DirName:/CN=TGV-C-26
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         bb:ac:c3:3e:8b:20:be:a0:a7:4d:bb:e1:d1:c3:98:17:8e:58:
         ... ...
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIDnTCCAoWgAwIBAgIBCDANBgkqhkiG9w0BAQsFADBHMQswCQYDVQQGEwJVUzEW
... ...
bmgyvaosG4GykSUnasMqfbA=
-----END CERTIFICATE-----
======================================

   可以看到 OCSP Response 由两部分组成：OCSP Response Data 和 Certificate。OCSP Response Data 是本站证书的验证信息；而 Certificate 则是用来验证 OCSP Response Data。本例中的  Certificate 的 Common Name 是 RapidSSL SHA256 CA - G4 OCSP Responder，可以看出它专属于 RapidSSL 的 OCSP 服务。后面我们会发现，并不是每一家 CA 的 OCSP Response 都会提供 Certificate 信息。

   上面这段 OCSP Response 信息是通过服务端 OCSP Stapling 获取的。下面介绍如何通过 openssl 在本地获取证书 OCSP Response。

   首先需要准备好待验证网站证书链上的所有证书。证书链一般由根证书、一个或多个中间证书、站点证书组成。根证书内置在操作系统或浏览器内（Firefox），可以直接导出，或者去各大 CA 官方下载；中间证书、站点证书在建立 TLS 连接时由服务端发送，可以这样获取：

$ openssl s_client -connect imququ.com:443 -showcerts < /dev/null 2>&1
 
CONNECTED(00000003)
depth=2 C = US, O = GeoTrust Inc., OU = (c) 2008 GeoTrust Inc. - For authorized use only, CN = GeoTrust Primary Certification Authority - G3
verify return:1
depth=1 C = US, O = GeoTrust Inc., CN = RapidSSL SHA256 CA - G4
verify return:1
depth=0 CN = www.imququ.com
verify return:1
---
Certificate chain
 0 s:/CN=www.imququ.com
   i:/C=US/O=GeoTrust Inc./CN=RapidSSL SHA256 CA - G4
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIFMDCCBBigAwIBAgICWiYwDQYJKoZIhvcNAQELBQAwRzELMAkGA1UEBhMCVVMx
... ...
fBv5YysJ/pgFe75P9RVALMiPUPHvH2FGI47pxlvzs5+7Gt2p
-----END CERTIFICATE-----
 1 s:/C=US/O=GeoTrust Inc./CN=RapidSSL SHA256 CA - G4
   i:/C=US/O=GeoTrust Inc./OU=(c) 2008 GeoTrust Inc. - For authorized use only/CN=GeoTrust Primary Certification Authority - G3
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIEpjCCA46gAwIBAgIQKByJKWYUQ4BCY1U6MkCuszANBgkqhkiG9w0BAQsFADCB
... ...
nPvdJAq9WZFKQgM4EnEyiHagjny7Mu+IKhvUam9QuVJni6sw+h/94ySa
-----END CERTIFICATE-----
---
Server certificate
subject=/CN=www.imququ.com
issuer=/C=US/O=GeoTrust Inc./CN=RapidSSL SHA256 CA - G4
---
No client certificate CA names sent
Peer signing digest: SHA512
Server Temp Key: ECDH, P-256, 256 bits
---
SSL handshake has read 3460 bytes and written 434 bytes
---
New, TLSv1/SSLv3, Cipher is ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256
Server public key is 4096 bit
Secure Renegotiation IS supported
Compression: NONE
Expansion: NONE
No ALPN negotiated
SSL-Session:
    Protocol  : TLSv1.2
    Cipher    : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256
    Session-ID: B6A0F49F6DAD0BD8AFB63F87D134FFCBC2B1487CD81440C26D165B5738A5C3EC
    Session-ID-ctx:
    Master-Key: 72871B14BC37B08F51F818285264169C512B865D13839C9B824175115F008801781FBAC64D01FC76376BCAB85E6B8F84
    Key-Arg   : None
    PSK identity: None
    PSK identity hint: None
    SRP username: None
    TLS session ticket lifetime hint: 86400 (seconds)
    TLS session ticket:
    0000 - 56 f8 0d dd 0e ea 7d 0b-09 70 0b dd 52 da b7 a8   V.....}..p..R...
    ... ...                                                  ... ...
    00a0 - c2 25 af a9 46 69 64 73-69 16 ea 64 94 c7 f4 a4   .%..Fidsi..d....
 
    Start Time: 1457861201
    Timeout   : 300 (sec)
    Verify return code: 0 (ok)
---
DONE

   以上内容中 Certificate Chain 这一节，编号为 0 的证书是站点证书；编号为 1 的证书是中间证书。我的证书链一共是三级，服务端只需要发送两个证书，对于四级证书链，服务端就需要发送三个证书了。总之，只有根证书无需发送。

   将站点证书保存为 site.pem；中间证书保存为 intermediate.pem（如果有多个中间证书，按照子证书在上的顺序保存）；再从系统中导出对应的根证书存为 root.pem。这样，证书链上的所有证书都搞定了。为了确保无误，建议再验证一下每个证书的 Common Name：

$ openssl x509 -in site.pem -noout -subject
subject= /CN=www.imququ.com
 
$ openssl x509 -in intermediate.pem -noout -subject
subject= /C=US/O=GeoTrust Inc./CN=RapidSSL SHA256 CA - G4
 
$ openssl x509 -in root.pem -noout -subject
subject= /C=US/O=GeoTrust Inc./OU=(c) 2008 GeoTrust Inc. - For authorized use only/CN=GeoTrust Primary Certification Authority - G3

   接着，获取站点证书的 OCSP 服务地址：

$ openssl x509 -in site.pem -noout -ocsp_uri
http://gz.symcd.com

   现在万事具备，使用以下命令即可获得站点证书的 OCSP Response：

$ openssl ocsp -issuer intermediate.pem -cert site.pem -no_nonce -text -url http://gz.symcd.com
 
OCSP Request Data:
    Version: 1 (0x0)
    Requestor List:
        Certificate ID:
          Hash Algorithm: sha1
          Issuer Name Hash: 7C8E4E54532DB74C235073AAF1CDCF2C2423F86B
          Issuer Key Hash: F3B5560CC409B0B4CF1FAAF9DD2356F077E8A1F9
          Serial Number: 5A26
OCSP Response Data:
    OCSP Response Status: successful (0x0)
    Response Type: Basic OCSP Response
    Version: 1 (0x0)
    Responder Id: 87BAEBE8F7B12700EC9CD1A04EE0E123E57D809E
    Produced At: Mar 11 07:56:56 2016 GMT
    Responses:
    Certificate ID:
      Hash Algorithm: sha1
      Issuer Name Hash: 7C8E4E54532DB74C235073AAF1CDCF2C2423F86B
      Issuer Key Hash: F3B5560CC409B0B4CF1FAAF9DD2356F077E8A1F9
      Serial Number: 5A26
    Cert Status: good
    This Update: Mar 11 07:56:56 2016 GMT
    Next Update: Mar 18 07:56:56 2016 GMT
 
    Signature Algorithm: sha1WithRSAEncryption
         8a:81:d6:a5:aa:8a:92:05:6f:39:97:f5:da:d0:bc:06:86:f2:
         ... ...
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number: 8 (0x8)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=US, O=GeoTrust Inc., CN=RapidSSL SHA256 CA - G4
        Validity
            Not Before: Jul 10 18:18:29 2015 GMT
            Not After : May 22 18:18:29 2016 GMT
        Subject: CN=RapidSSL SHA256 CA - G4 OCSP Responder
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:9d:e9:7b:75:81:1e:00:ab:b3:b4:cc:3f:a3:2d:
                    ... ...
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:F3:B5:56:0C:C4:09:B0:B4:CF:1F:AA:F9:DD:23:56:F0:77:E8:A1:F9
 
            OCSP No Check:
 
            X509v3 Subject Key Identifier:
                87:BA:EB:E8:F7:B1:27:00:EC:9C:D1:A0:4E:E0:E1:23:E5:7D:80:9E
            X509v3 Extended Key Usage:
                OCSP Signing
            X509v3 Basic Constraints: critical
                CA:FALSE
            X509v3 Key Usage: critical
                Digital Signature
            X509v3 Subject Alternative Name:
                DirName:/CN=TGV-C-26
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         ... ...
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIDnTCCAoWgAwIBAgIBCDANBgkqhkiG9w0BAQsFADBHMQswCQYDVQQGEwJVUzEW
... ...
bmgyvaosG4GykSUnasMqfbA=
-----END CERTIFICATE-----
Response Verify Failure
140735166222416:error:27069065:OCSP routines:OCSP_basic_verify:certificate verify error:ocsp_vfy.c:138:Verify error:unable to get local issuer certificate
site.pem: good
    This Update: Mar 11 07:56:56 2016 GMT
    Next Update: Mar 18 07:56:56 2016 GMT

   可以看到，自己获取的 OCSP Response 和服务端发送的 OCSP Stapling 完全一致，响应中的 Cert Status: good 表示证书合法。

   但是，这段内容最后，多了这样的奇怪信息：

Response Verify Failure
140735166222416:error:27069065:OCSP routines:OCSP_basic_verify:certificate verify error:ocsp_vfy.c:138:Verify error:unable to get local issuer certificate

   实际上，这是因为我们没有告诉 openssl 应该信任哪些证书，openssl 无法验证 OCSP Response 内容而报的错。这个错误可以通过加上 -noverify 参数屏蔽，但更好的做法是通过 -CAfile 指定信任证书。

   将根证书、全部中间证书按照子证书在上的顺序，保存为 chain.pem。再次执行：

$ openssl ocsp -CAfile chain.pem -issuer intermediate.pem -cert site.pem -no_nonce -text -url http://gz.symcd.com

   这下，最终的结果就是 Response verify OK 了。

   Nginx 在实现 OCSP Stapling 这部分逻辑时，直接使用了 OpenSSL 库（这也解释了为什么 Nginx + BoringSSL 不支持 OCSP Stapling）。我们再来看看 Nginx 中与 OCSP Stapling 有关的三个重要配置项：

ssl_stapling               on;
ssl_stapling_verify        on;
ssl_trusted_certificate    /your/path/to/chained.pem;

   ssl_stapling 的作用自然不用说，ssl_trusted_certificate 相当于前面命令中的 -CAfile。还记得前面说过「如果不指定 -CAfile 就得加上 -noverify」么，换句话说，如果开启了 Nginx 的 ssl_stapling_verify，但没有正确配置 ssl_trusted_certificate，就会导致 OCSP Response 验证失败，OCSP Stapling 自然不会生效。

   昨天给我写信的那位同学就是栽在这里。实际上，检查 Nginx 的 error_log，应该有类似这样的错误：

[error] 5594#0: OCSP_basic_verify() failed (SSL: error:27069065:OCSP routines:OCSP_basic_verify:certificate verify error:Verify error:unable to get local issuer certificate) while requesting certificate status, responder: gz.symcd.com

   可以看到，这个错误确实是 OpenSSL 库报的。

   看到这里，有些同学可能会说：不对，我明明开启了 ssl_stapling_verify，也没有指定 ssl_trusted_certificate，为什么我的 OCSP Stapling 功能也是正常的呢？

   昨天那位同学的邮件中也问到这个奇怪的问题：

我 Nginx 目前的 OCSP stapling 配置为：

ssl_stapling on;
ssl_stapling_verify on;
resolver 8.8.8.8 8.8.4.4 223.5.5.5 valid=300s;
resolver_timeout 5s;

有个奇怪的问题 ：
我在使用 AlphaSSL 证书的域名测试 OCSP stapling 显示 NO，但是用配置了 COMODO ECC 证书的域名 OCSP stapling 就为 Yes。两个域名的 Nginx 配置完全相同。


   看来这个问题远远没这么简单，难道还跟证书有关？我找了一个同样使用 COMODO 证书的站点，使用前面讲过的方法获得了它的 OCSP Response：

$ openssl ocsp -CAfile root.pem -issuer intermediate.pem -cert site.pem -no_nonce -text -url http://ocsp.comodoca.com
 
OCSP Request Data:
    Version: 1 (0x0)
    Requestor List:
        Certificate ID:
          Hash Algorithm: sha1
          Issuer Name Hash: 7AE13EE8A0C42A2CB428CBE7A605461940E2A1E9
          Issuer Key Hash: 90AF6A3A945A0BD890EA125673DF43B43A28DAE7
          Serial Number: 15F3C026B44BEEF870A7A496640BC484
OCSP Response Data:
    OCSP Response Status: successful (0x0)
    Response Type: Basic OCSP Response
    Version: 1 (0x0)
    Responder Id: 90AF6A3A945A0BD890EA125673DF43B43A28DAE7
    Produced At: Mar 12 23:59:22 2016 GMT
    Responses:
    Certificate ID:
      Hash Algorithm: sha1
      Issuer Name Hash: 7AE13EE8A0C42A2CB428CBE7A605461940E2A1E9
      Issuer Key Hash: 90AF6A3A945A0BD890EA125673DF43B43A28DAE7
      Serial Number: 15F3C026B44BEEF870A7A496640BC484
    Cert Status: good
    This Update: Mar 12 23:59:22 2016 GMT
    Next Update: Mar 16 23:59:22 2016 GMT
 
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         29:a8:b4:a3:60:98:d9:c3:4f:56:4b:72:6c:9a:9e:7f:51:2d:
         ... ...
Response Verify Failure
140735166222416:error:27069076:OCSP routines:OCSP_basic_verify:signer certificate not found:ocsp_vfy.c:92:
site.pem: good
    This Update: Mar 12 23:59:22 2016 GMT
    Next Update: Mar 16 23:59:22 2016 GMT



   这次测试所有步骤跟之前一样，证书状态正常，也指定了 -CAfile，但 OCSP Response 验证还是失败：

Response Verify Failure
140735166222416:error:27069076:OCSP routines:OCSP_basic_verify:signer certificate not found:ocsp_vfy.c:92:

   从错误信息中可以得知，COMODO 的 OCSP Response 没有提供 Certificate 信息，导致无法验证其内容。进一步测试发现，对于这种情况，Nginx 直接忽略了 ssl_stapling_verify 参数，无论是否配置，都不执行 verify 操作。

   经过测试，Let's Encrypt 的 OCSP 服务也没有返回 Certificate，所以使用 Let's Encrypt 证书，开启 OCSP Stapling 也无需配置 ssl_trusted_certificate。

   顺便说一下，获取 Let's Encrypt 证书的 OCSP Response 一定要指定 Host，就像这样：

openssl ocsp -CAfile chain.pem -issuer intermediate.pem -cert site.pem -no_nonce -text -url http://ocsp.int-x1.letsencrypt.org/ -header "HOST" "ocsp.int-x1.letsencrypt.org"

启用 OCSP Stapling 的条件

   在 Nginx 中配置 ssl_stapling on 并 reload 后，Nginx 并不会马上获取 OCSP Response，它要等第一个请求过来，再发起异步 OCSP 请求，所以刚开始几个响应，很可能不带 OCSP Stapling。另外，有时候由于 OCSP 域名无法解析，或者服务器无法访问造成 OCSP Response 获取失败，也会导致 OCSP Stapling 无法生效。这是首先需要排查的地方，一般在 Nginx 的 error_log 中会有这样的错误：

[error] 5225#0: xxx.com could not be resolved (110: Operation timed out) while requesting certificate status, responder: xxx.com

   如果 OCSP Response 包含了 Certificate 信息，并且 Nginx 配置了 ssl_stapling_verify on，那么需要确保正确配置了 ssl_trusted_certificate 参数，这个参数应该指向一个包含根证书、中间证书的文件（顺序是子证书在上、父证书在下），否则 OCSP Stapling 无法生效。这时候 Nginx 的 error_log 中会出现类似这样的错误：

[error] 4832#0: OCSP_basic_verify() failed (SSL: error:27069065:OCSP routines:OCSP_basic_verify:certificate verify error:Verify error:unable to get local issuer certificate) while requesting certificate status, responder: xxx.com

   如果证书 OCSP Response 没有包含 Certificate 信息，例如 COMODO、Let's Encrypt 家的部分证书，那么 ssl_stapling_verify 和 ssl_trusted_certificate 两个配置可以忽略，完全不影响开启 OCSP Stapling。


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