背景

Let's Encrypt是由互联网安全研究小组（ISRG）在2015年推出一个HTTPS证书的免费解决方案，旨在提供一个免费开放的CA。配合电子前哨基金会（EFF）提供的自动化脚本certbot，只需一条命令就能够申请/更新HTTPS证书。

Let's Encrypt签发的证书有效期三个月，需要频繁地更新。虽然certbot提供了一键更新证书的功能，但其工作方式决定了它很难应用在容器集群中。

1. HTTP验证方式在更新证书时会在本地生成一个验证文件，Let's Encrypt服务器通过HTTP路径访问该验证文件。容器集群中服务都是多点部署，而certbot只能在其中一个节点运行，无法保证验证请求总是被导入certbot运行的节点
2. 使用DNS验证没有上述问题，其缺点在于难以自动化，在更新过程中需要人为创建对应的DNS记录

以下是我们针对这两点问题探索的一些解决方案。

单域名证书

certbot支持HTTP和DNS两种方式来验证域名所有者。

• HTTP

Let's Encrypt服务端以HTTP方式访问域名下指定的验证文件

• DNS

Let's Encrypt服务端查看域名下是否有创建指定的TXT记录

certbot对HTTP验证的支持度更好，几乎是开箱机用。但使用HTTP就会遇到上面提到的问题1，如何将流量导入我们指定的节点呢？ 我们最终使用SLB的转发策略加虚拟服务器组来解决这个问题。

第一步，在SLB的80端口监听中，添加一条特殊的转发策略，匹配该规则的URL转发至一个特殊的虚拟服务器组，这个组只有一个节点，指向运行certbot的容器。

• 假设域名为abc.example.com
• URL设置为/.well-known/acme-challenge/，Let's Encrypt的验证请求总是以这个地址开头
• 虚拟服务器组cert-refresh-group指向节点ecs-refresh的30080端口

第二步，在ecs-refresh运行容器：

  docker run -it --rm -p 30080:80 -v ~/letsencrypt:/etc/letsencrypt certbot-image bash -c "\
         service nginx start && \
         sleep 30 && \
         source /root/certbot/venv/bin/activate && \
         certbot renew -a webroot --webroot-path=/var/www/html -d abc.example.com"

• ~/letsencrypt是节点上存放证书的目录
• imagecertbot-image是一个安装了certbot和nginx的docker image，Dockerfile如下：

  From ubuntu:16.04
  ## install certbot
  RUN apt-get install -y git && \
      cd /root && \
      git clone https://github.com/certbot/certbot.git && \
      cd /root/certbot && \
      ./certbot-auto --os-packages-only --non-interactive && \
      ./tools/venv.sh

  ## install nginx
  RUN apt-get update && \
      add-apt-repository -y ppa:nginx/stable && \
      apt-get update && \
      apt-get install -y nginx && \
      chown -R www-data:www-data /var/lib/nginx && \
      mkdir -p /var/www/html
  ADD nginx.conf /etc/nginx/nginx.conf

• nginx需要监听80端口，并且设置root为/var/www/html。nginx.conf如下：

    server {
        listen 80;
        root /var/www/html;
        location ~ /.well-known/acme-challenge {
            allow all;
        }
    }

• 启动nginx后等待30秒是为了等待SLB的健康检查生效，从而能够导入流量
• 由于Dockerfile中使用virtualenv安装certbot，所以运行certbot前需要先设初始化环境：source /root/certbot/venv/bin/activate

这条命令开始更新证书：

  certbot renew -a webroot --webroot-path=/var/www/html -d abc.example.com

1. certbot将验证文件<authorization_file>放入目录/var/www/html
2. Let's Encrypt访问http://abc.example.com/.well-known/acme-challenge/<authorization_file>
3. 如果<authorization_file>内容通过验证，则签发新的证书

第三步，删除第一步配置的转发策略和虚拟服务器组

我们将这三步动作集成起来，放到chronos中每月运行一次。certbot会判断证书的到期时间，如果当证书有效期小于30天时才会执行更新操作。

通配型域名证书

Let's Encrypt对通配型的支持已于半月前（2018年3月13日）上线，申请通配型证书有以下几点需要注意：

1. 由于通配型证书刚上线不久，certbot的stable版本还不支持，需要安装0.22或以上版本的certbot
2. 默认情况下，certbot会请求Let's Encrypt的ACME v1接口，而v1接口不支持通配证书，需要使用参数--server https://acme-v02.api.letsencrypt.org/directory指定使用v2接口
3. 申请通配型证书只能使用DNS验证方式，之前基于HTTP的验证方案不再有效

  certbot certonly --manual -d '*.example.com' --server https://acme-v02.api.letsencrypt.org/directory

运行这条命令即可申请通配证书，中途会提示添加DNS TXT记录，添加之后回车继续。

  Please deploy a DNS TXT record under the name
  _acme-challenge.example.com with the following value:

  v3YCTNw96mfgqMuQA80-McBf1MLvg3G4vXUDnLmlbz

  Before continuing, verify the record is deployed.

整个流程还是非常简单的，相比HTTP验证方式不用配置SLB来转发验证请求，其缺点在于不容易自动化。certbot中虽然集成了一些DNS验证的插件，但只支持国外几个DNS服务商：

• certbot-dns-cloudflare
• certbot-dns-cloudxns
• certbot-dns-digitalocean
• certbot-dns-dnsimple
• certbot-dns-dnsmadeeasy
• certbot-dns-google
• certbot-dns-luadns
• certbot-dns-nsone
• certbot-dns-rfc2136
• certbot-dns-route53

如果使用的DNS服务商恰好名列其中，那就省事不少，也算是开箱即用。小博无线使用DNSPod管理DNS，要将这套流程自动化起来还需要额外的工作。我们参照已有的插件，写了一个DNSPod的验证插件certbot-dns-dnspod。

    class Authenticator(dns_common.DNSAuthenticator):
        def __init__(self, *args, **kwargs):
            super(Authenticator, self).__init__(*args, **kwargs)
            self.credentials = None

        def _perform(self, domain, validation_name, validation):
            self._get_dnspod_client().add_txt_record(domain, validation_name, validation, self.ttl)

        def _cleanup(self, domain, validation_name, validation):
            self._get_dnspod_client().del_txt_record(domain, validation_name, validation, self.ttl)

        def _get_dnspod_client(self):
            return _DnspodClient(self.conf('credentials'))

插件开发不算麻烦，只需要实现对应的_perform()和_cleanup()方法。只是目前certbot对DNS插件的引用都是hard code在代码中，需要修改certbot的代码才能使新插件正常工作。有四个文件包含了对插件的引用代码：

• certbot/cli.py
• certbot/constants.py
• certbot/plugins/disco.py
• certbot/plugins/selection.py

安装插件

certbot目前的stable版本还不支持通配证书，所以我们使用v0.22.0分支安装certbot，插件certbot-dns-dnspod也在virtualenv环境中安装。

  ## install certbot
  RUN apt-get install -y git && \
      cd /root && \
      git clone https://github.com/certbot/certbot.git && \
      cd /root/certbot && \
      git checkout v0.22.0
  ADD modified_code/certbot/cli.py certbot/cli.py
  ADD modified_code/certbot/constants.py certbot/constants.py
  ADD modified_code/certbot/plugins/disco.py certbot/plugins/disco.py
  ADD modified_code/certbot/plugins/selection.py certbot/plugins/selection.py
  RUN ./certbot-auto --os-packages-only --non-interactive && \
      ./tools/venv.sh

  ## install certbot-dns-dnspod
  RUN bash -c 'source /root/certbot/venv/bin/activate && \
      cd /root/certbot-dns-dnspod && \
      python setup.py install'

申请证书

在申请证书时，我们将域名指定为*.example.com，证书支持所有子域名，但不包含根域名（example.com）。如果希望也支持根域名，将根域名也一同放入参数-d：

  docker run -it --rm -v ~/letsencrypt:/etc/letsencrypt certbot-image bash -c "\
      certbot certonly \
              --dns-dnspod \
              --dns-dnspod-credentials ~/access_token.json \
              --dns-dnspod-propagation-seconds 30 \
              -d 'example.com,*.example.com'"

更新证书

  docker run -it --rm -v ~/letsencrypt:/etc/letsencrypt certbot-image bash -c "\
      certbot renew \
              --dns-dnspod \
              --dns-dnspod-credentials ~/access_token.json \
              --dns-dnspod-propagation-seconds 30 \
              -d 'example.com,*.example.com'"

Rate Limits

Let's Encrypt严格限制了签发证书的次数，一个注册域名（*.example.com）每周最多签发20个证书，一个子域名（abc.example.com）每周最多签发5个证书。

我们实践发现，即使是验证错误也会计算一次。所以在正式运行以前，一定加上--staging参数使用Let's Encrypt的测试接口。测试接口只用于测试证书的签发流程，其签发的证书为无效证书。

如果是申请通配证书，使用了--server参数，便不能再使用--staging参数，将--server地址指定为https://acme-staging-v02.api.letsencrypt.org/directory即可。