3.11 SSL/TLS 证书的获取、配置与续期

预计阅读时间：16 分钟

学习目标

学完本章后，你将能够：

• 理解 SSL/TLS 证书的作用和 HTTPS 的工作原理
• 使用 Certbot 申请和自动续期 Let's Encrypt 证书
• 在 Nginx 中正确配置 HTTPS
• 使用 openssl 生成自签名证书和查看证书信息
• 配置安全的 TLS 协议和加密套件

核心知识

• SSL/TLS——传输层安全协议，加密客户端和服务器之间的通信，防止窃听和篡改
• HTTPS——HTTP over TLS，即经过 TLS 加密的 HTTP 通信
• 证书（Certificate）——证明网站身份的数字文档，由 CA 签名
• CA（证书颁发机构）——签发和管理数字证书的受信任第三方
• Let's Encrypt——提供免费 DV 类型证书的 CA，证书有效期 90 天
• Certbot——EFF 开发的 Let's Encrypt 客户端，自动申请、部署和续期证书
• ACME 协议——自动证书管理环境协议，Certbot 通过它向 Let's Encrypt 申请证书
• 自签名证书（Self-Signed Certificate）——自己签名的证书，适合测试环境，浏览器不信任

知识关联

• 前置知识：3.4：Nginx Web服务器 Nginx Web 服务器、3.3：实战：搭建个人网站 搭建个人网站
• 后续影响：HTTPS 是 5.1：Linux 安全加固 Linux 安全加固和 5.7：HAProxy 负载均衡 HAProxy 负载均衡的基础
• 配套技术：Nginx、Apache、HAProxy 等 Web 服务器/反向代理

原理讲解

HTTPS 握手过程

当浏览器访问 HTTPS 网站时，发生 TLS 握手：① 客户端发送支持的 TLS 版本和加密套件列表 → ② 服务器返回证书（含公钥）和选择的加密套件 → ③ 客户端验证证书合法性（是否由受信任 CA 签发、是否过期、域名是否匹配）→ ④ 客户端生成对称密钥，用服务器公钥加密后发送 → ⑤ 服务器用私钥解密获得对称密钥 → ⑥ 后续通信用对称密钥加密。

证书类型

TLS 1.2 与 TLS 1.3 握手对比

握手的核心目标始终是两件事：身份认证（确认服务器持有证书对应的私钥）+ 密钥协商（安全地商定对称密钥）。TLS 1.3 把完整握手从 2 个往返压缩到 1 个往返，速度提升明显：

0-RTT 恢复虽然快，但存在重放攻击风险——支付、登录等敏感请求不应使用 0-RTT。运维视角的结论：只开启 TLSv1.2 + TLSv1.3。TLS 1.0/1.1 已在 2020 年被主流浏览器废弃，不要为了极少数老设备牺牲所有用户的安全。

证书信任链：根证书、中间证书与叶子证书

浏览器不会直接信任你的证书，而是沿着"叶子证书 → 中间证书 → 根证书"的链条逐级验证，最终在系统内置的根证书库（信任锚）中找到签发者。三层结构的意义在于根证书离线路由——如果根证书私钥泄露，只需吊销中间证书，不必更换全球设备里的根证书库。

# 查看线上证书链：每段 s: 是一级证书，i: 是它的签发者
echo | openssl s_client -connect example.com:443 -showcerts 2>/dev/null | grep -E "s:|i:"
# 输出示例:
#   s:C = US, O = Let's Encrypt, CN = R10                 ← 中间证书
#   i:C = US, O = Internet Security Research Group, CN = ISRG Root X1  ← 根证书
#   s:CN = example.com                                    ← 叶子证书
#   i:C = US, O = Let's Encrypt, CN = R10

# 本地验证证书链完整性
openssl verify -CAfile /etc/ssl/certs/ca-certificates.crt \
    -untrusted /etc/letsencrypt/live/example.com/chain.pem \
    /etc/letsencrypt/live/example.com/cert.pem
# 输出: cert.pem: OK

部署时务必使用 fullchain.pem（叶子 + 中间证书合并）。如果只配置 cert.pem，服务器不会自动补发中间证书，部分严格校验的客户端（如移动 App）会验证失败。

为什么 TLS 需要证书链而不是单一证书？

证书链的设计是出于安全隔离的考虑。根 CA 的私钥是最敏感的资产——如果它泄露，攻击者可以签发任何域名的证书，全球的信任体系崩溃。因此根证书的私钥被离线保存（放在物理隔离的保险柜里），日常签发工作由中间 CA 完成。如果中间 CA 被攻破，只需吊销该中间证书，根证书和全球设备上的信任库不受影响。

这种分层信任模型也支持灵活的交叉签名——Let's Encrypt 的根证书 ISRG Root X1 在 2015 年才被主流浏览器内置，早期它通过交叉签名借助 DST Root CA X3 获得信任。证书链让新 CA 可以平滑过渡，而不需要等待所有设备更新根证书库。

为什么推荐 Let's Encrypt 而不是自签名证书？

自签名证书适合开发和测试环境，但生产环境必须使用受信任 CA 签发的证书。Let's Encrypt 的免费 + 自动化彻底改变了 HTTPS 的普及率——2015 年全球 HTTPS 网站不到 30%，现在已超过 90%。

示例代码

1. 使用 Certbot 获取 Let's Encrypt 证书

# 安装 Certbot
sudo apt update
sudo apt install certbot python3-certbot-nginx -y

# 方式一：自动配置 Nginx（推荐）
sudo certbot --nginx -d example.com -d www.example.com
# 该命令自动：创建证书 → 修改 Nginx 配置（添加 HTTPS、HTTP→HTTPS 跳转）

# 方式二：只获取证书，手动配置
sudo certbot certonly --nginx -d example.com

# 方式三：standalone 模式（临时占用 80 端口验证）
sudo systemctl stop nginx
sudo certbot certonly --standalone -d example.com
sudo systemctl start nginx

# 方式四：通配符证书（需 DNS 验证）
sudo certbot certonly --manual --preferred-challenges dns -d "*.example.com"

# 查看证书信息
sudo certbot certificates
# 输出:
# Found the following certs:
#   Certificate Name: example.com
#     Domains: example.com www.example.com
#     Expiry Date: 2026-10-28 11:07:00+00:00 (VALID: 90 days)
#     Certificate Path: /etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem

2. 证书文件结构

/etc/letsencrypt/live/example.com/
├── fullchain.pem      # 完整证书链（推荐用于 Nginx ssl_certificate）
├── privkey.pem        # 私钥（Nginx ssl_certificate_key，权限 600）
├── cert.pem           # 仅服务器证书（不含中间证书）
└── chain.pem          # 中间证书链

3. Nginx HTTPS 配置（安全标准）

server {
    listen 443 ssl;
    http2 on;                  # nginx 1.25.1+ 推荐写法（listen 443 ssl http2 已弃用）
    server_name example.com;

    ssl_certificate     /etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem;
    ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem;

    # 仅允许安全协议
    ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;

    # 优先使用现代加密套件
    ssl_ciphers ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256;
    ssl_prefer_server_ciphers on;

    # 会话缓存（提高性能）
    ssl_session_cache shared:SSL:10m;
    ssl_session_timeout 10m;

    root /var/www/example;
    index index.html;
}

# HTTP → HTTPS 301 跳转
server {
    listen 80;
    server_name example.com www.example.com;
    return 301 https://$host$request_uri;
}

4. 证书续期与管理

# Certbot 自动续期定时器
systemctl status certbot.timer
# 输出: ● certbot.timer - Run certbot twice daily
#        Trigger: 2026-07-31 06:07:28 (11h left)

# 手动测试续期
sudo certbot renew --dry-run

# 续期后执行自定义操作（如重载 Nginx）
sudo certbot renew --deploy-hook "systemctl reload nginx"

# 吊销证书
sudo certbot revoke --cert-path /etc/letsencrypt/live/example.com/cert.pem

5. 自签名证书（测试环境）

# 生成自签名证书（有效期 365 天）
openssl req -x509 -nodes -days 365 -newkey rsa:2048 \
    -keyout key.pem -out cert.pem \
    -subj "/C=CN/ST=Beijing/L=Beijing/O=Dev/CN=localhost"

# 查看证书详情
openssl x509 -in cert.pem -text -noout | head -20

# 查看远程服务器的证书
echo | openssl s_client -connect example.com:443 -servername example.com 2>/dev/null | \
    openssl x509 -noout -subject -dates

# 转换证书格式（PEM → PFX）
openssl pkcs12 -export -out cert.pfx -inkey key.pem -in cert.pem

6. HTTP-01 与 DNS-01 验证方式对比

Let's Encrypt 用"证明你控制域名"来签发证书，ACME 协议支持两种验证方式：

# HTTP-01（自动、最常用）：要求 80 端口通
sudo certbot certonly --nginx -d example.com -d www.example.com

# DNS-01 手动流程（通配符证书必须用 DNS-01）
sudo certbot certonly --manual --preferred-challenges dns \
    -d "*.example.com" -d example.com
# 按提示去 DNS 面板添加 TXT 记录（验证值 30 秒内有效，注意复制）：
# 输出: Please deploy a DNS TXT record under the name:
#        _acme-challenge.example.com with the following value:
#        abcdefghijklmnopqrstuvwxyz123456
# 添加完成并生效后按回车，等待验证通过

# DNS-01 全自动（以 Cloudflare 为例，需先安装 certbot-dns-cloudflare）
# /etc/letsencrypt/cloudflare.ini（chmod 600）
# dns_cloudflare_api_token = 你的_API_Token
sudo certbot certonly --dns-cloudflare --dns-cloudflare-credentials \
    /etc/letsencrypt/cloudflare.ini -d "*.example.com" -d example.com

7. 证书续期自动化：systemd timer 详解

Let's Encrypt 证书只有 90 天，手动续期不现实。Debian/Ubuntu 安装 certbot 后自带 certbot.timer：每天检查两次，证书剩余不足 30 天才真正续期（避免频繁请求触发 CA 限流）。

# 确认定时器已启用
sudo systemctl list-timers | grep certbot
# 输出: NEXT                         LEFT     LAST                        UNIT
#       Fri 2026-07-31 06:07:28 CST  11h      Thu 2026-07-30 18:07:26 CST  certbot.timer

# 自定义续期钩子：续期成功后自动重载 Nginx
# /etc/systemd/system/certbot.service.d/override.conf：
#   [Service]
#   ExecStart=
#   ExecStart=/usr/bin/certbot -q renew --deploy-hook "systemctl reload nginx"
sudo systemctl daemon-reload

# 手动测试续期（不会真正替换证书，只走完整流程）
sudo certbot renew --dry-run
# 输出: Congratulations, all simulated renewals succeeded

# 查看最近一次续期日志
sudo journalctl -u certbot.service -n 20
# 输出: Certificate not yet due for renewal; no action taken.

8. 多域名 SAN 证书与 OCSP Stapling

一张证书可以同时保护多个域名（SAN 扩展）。证书签发后无法追加域名，只能重新签发。OCSP Stapling 让 Nginx 主动从 CA 拉取证书吊销状态并缓存，随握手一起发给客户端——省去客户端逐个查询 OCSP 服务器的往返，既提速又提升隐私。

# 一张 SAN 证书覆盖多个域名 + 子域
sudo certbot --nginx -d example.com -d www.example.com -d api.example.com

# 查看证书包含的域名
openssl x509 -in /etc/letsencrypt/live/example.com/cert.pem \
    -noout -text | grep -A1 "Subject Alternative Name"
# 输出: X509v3 Subject Alternative Name:
#       DNS:example.com, DNS:www.example.com, DNS:api.example.com

# Nginx 完整配置：多域名 + OCSP Stapling + HSTS
server {
    listen 443 ssl;
    http2 on;                  # nginx 1.25.1+ 推荐写法（listen 443 ssl http2 已弃用）
    server_name example.com www.example.com api.example.com;

    ssl_certificate     /etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem;
    ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem;

    ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;
    ssl_stapling on;                       # 开启 OCSP Stapling
    ssl_stapling_verify on;
    resolver 1.1.1.1 8.8.8.8 valid=300s;   # 用于解析 OCSP 响应者域名
    ssl_trusted_certificate /etc/letsencrypt/live/example.com/chain.pem;

    add_header Strict-Transport-Security "max-age=63072000; includeSubDomains; preload" always;
}

# 验证 OCSP Stapling 是否生效
echo | openssl s_client -connect example.com:443 -status 2>/dev/null | grep "OCSP Response Status"
# 输出: OCSP Response Status: successful

9. 证书过期监控与告警

自动续期不是 100% 可靠：DNS 服务商 API 失效、服务器宕机错过续期窗口、端口被防火墙挡掉都会导致续期失败。必须有独立的过期监控兜底，不能只依赖 certbot 自己。

#!/bin/bash
# /usr/local/bin/check_cert.sh — 证书过期检查（配合 cron 每天执行）
CERT="/etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem"
WARN_DAYS=14

# 提取到期时间并换算为剩余天数
EXPIRY=$(openssl x509 -in "$CERT" -noout -enddate | cut -d= -f2)
REMAIN=$(( ($(date -d "$EXPIRY" +%s) - $(date +%s)) / 86400 ))

if [ "$REMAIN" -le 0 ]; then
    echo "ALERT: 证书已过期 $(( -REMAIN )) 天！"
elif [ "$REMAIN" -le "$WARN_DAYS" ]; then
    echo "WARN: 证书剩余 $REMAIN 天，请检查自动续期"
    # 告警通知（以 Slack Webhook 为例）
    # curl -fsS -X POST -H "Content-Type: application/json" \
    #   -d '{"text":"证书 '$CERT' 剩余 '$REMAIN' 天"}' \
    #   https://hooks.slack.com/services/你的_Webhook
else
    echo "OK: 证书剩余 $REMAIN 天"
fi

# crontab 每天 9 点检查，异常时发送邮件（与 ch26 监控方案联动）
0 9 * * * /usr/local/bin/check_cert.sh | grep -E "ALERT|WARN" | mail -s "证书告警" ops@example.com

监控其他服务器上的域名同理：echo | openssl s_client -connect www.example.com:443 2>/dev/null | openssl x509 -noout -enddate，把各服务器结果汇总到一个监控平台统一告警。

常见错误

最佳实践

练习题

1. （概念）TLS 握手过程中，客户端为什么需要用服务器公钥加密对称密钥？为什么要用对称密钥而非公钥加密后续通信？
2. （概念）DV、OV、EV 三种证书等级有什么不同？Let's Encrypt 提供的是哪种？它免费的原因是什么？
3. （实操）生成本地自签名证书，在 Nginx 中配置 HTTPS 站点。用 curl -k 验证可访问后，尝试不指定 -k 参数观察报错。然后用浏览器访问观察安全提示。
4. （实操）如果有域名和云服务器，使用 Certbot 获取真实 Let's Encrypt 证书，配置完整的 Nginx HTTPS 站点（含 HTTP→HTTPS 跳转、HSTS、TLSv1.2/1.3 限制），用 https://www.ssllabs.com/ssltest/ 或 openssl s_client 验证配置。
5. （🔍 挑战）搭建一个 HTTP 网站，使用 Man-in-the-Middle 思路理解为什么 HTTPS 必要：在同一个网络中用 Wireshark 或 tcpdump 抓取 HTTP 和 HTTPS 请求的包，对比能否看到明文内容。

学习检查点

学完本章后，请检验自己是否掌握以下内容：

本章总结

HTTPS 已从"加分项"变成"必需品"。Let's Encrypt + Certbot 的组合让免费自动化证书成为现实：一条 certbot --nginx 命令即可完成证书申请和 Nginx 配置。理解证书文件结构（fullchain.pem + privkey.pem）、安全协议配置（TLSv1.2+、HSTS）和自动续期机制是运维 HTTPS 网站的基本功。自签名证书在测试环境够用，但生产必须使用受信任 CA 签发的证书。

速查表

学习路径建议

• 学完本章后阅读 3.4：Nginx Web服务器 Nginx Web 服务器获取更完整的配置知识
• 进阶可看 5.1：Linux 安全加固 Linux 安全加固了解更多安全配置

延伸阅读