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自动证书管理环境（ACME）详解
自动证书管理环境（ACME）协议可实现公钥基础设施（PKI）证书生命周期管理的自动化，减少人工操作与相关风险。ACME 通过 HTTPS 传输 JSON 格式消息，简化证书的签发、续期和吊销流程，为管理大规模证书体系的 IT 团队保障安全高效的运维。
什么是 ACME 协议？
自动证书管理环境协议（ACME）是一类用于实现证书生命周期管理通信自动化的协议，通信双方为证书颁发机构（CA）与企业的 Web 服务器、邮件系统、用户设备，以及其他所有使用公钥基础设施（PKI）证书的场景。ACME 协议无许可费用，IT 团队仅需极少时间即可完成证书管理自动化的配置与执行，因此正逐步成为企业安全体系中被广泛采用的组件。
互联网安全研究组（ISRG）最初为自身的证书服务设计了 ACME 协议，后续该协议由其专属的 IETF 工作组正式制定为完整的互联网标准，发布于RFC 8555。当前协议版本为 ACME v2 API，发布于 2018 年 3 月。（此前版本 ACME v1 发布于 2016 年 4 月，目前已被弃用。）
PKI 证书签发的核心基础是：Sectigo 等证书颁发机构（CA）作为受信方，负责验证证书申请者确实合法拥有与 PKI 证书关联的身份及域名。以往需要人工交互传递 CA 完成身份验证、签发证书所需信息，以及用户部署已签发证书的全流程，现在均可通过 ACME 协议实现自动化。除证书签发流程外，该协议还可通过加密 HTTPS 通信传输简单的 JSON 格式消息，支撑证书吊销、续期等其他证书生命周期管理场景。
自动化协议——优势与适用场景
尽管公钥基础设施（PKI）提供的数字身份是目前安全性最强、最易用的身份认证与加密解决方案，但对于工作繁忙的 IT 团队而言，手动部署和管理证书耗时较长，还可能产生不必要的风险，这一问题始终存在。无论企业是为单台 Web 服务器部署一张 SSL 证书，还是管理组织内所有联网设备、用户身份对应的数百万张证书，证书签发、配置、部署的端到端流程最长可能需要数小时。手动管理证书还会让企业面临极高风险：证书因被遗忘而过期、所有权归属出现断层的问题，进而引发突发服务中断或关键业务系统故障，同时带来数据泄露与中间人攻击（MITM）.
由于手动管理 PKI 证书存在诸多潜在隐患，企业需要 ACME 这类自动化标准，无需逐张人工确认证书有效性，即可保障证书配置与部署的正确性。这种自动化能力不仅有助于降低风险，还能帮助 IT 部门控制运维成本。
为什么选择 ACME 而非其他方案？
目前也存在其他证书自动化标准，例如基于安全传输的注册（Enrollment over Secure Transport，EST）以及简单证书注册协议（SCEP）以及与 Microsoft Active Directory 等企业架构相关的解决方案。那么，为什么 ACME 会成为越来越多企业青睐的自动化标准？
核心原因在于大多数企业的证书需求具备高复杂度与大规模特性。企业依赖公钥基础设施（PKI）证书完成各类场景的身份认证与加密，覆盖云端及本地的 Web 服务器、联网设备、移动设备、用户身份、邮件系统、网络设备、IoT 设备、DevOps 环境等众多对象。让这个庞大生态的管理难度进一步提升的是，企业通常运行在多套 IT 基础设施之上，而非单一的集中式架构。
IT 团队越来越多地借助 ACME 来应对规模化与复杂度带来的挑战，因为它具备以下优势：
- 作为开放标准，提供完整的命令集与可靠的错误处理机制，便于企业和证书颁发机构（CA）双方采用
- 面向负责部署、管理有效公钥基础设施（PKI）证书的 IT 团队，以及遵循严格认证流程的受信任证书颁发机构（CA），提供业界领先的 TLS 及其他公钥基础设施（PKI）安全实践
- 由社区持续迭代优化并提供支持，不受任何单一厂商或组织控制
- 具备添加和支持备用证书颁发机构（CA）的灵活性
- 可免费使用，成本低廉
ACME 协议的工作原理是什么？
ACME 协议包含两个通信实体：ACME 客户端与 ACME 服务器。ACME 客户端通过该协议发起证书颁发、吊销等证书管理操作请求。客户端运行在需要公钥基础设施（PKI）证书保护的用户服务器或设备上。ACME 服务器运行在证书颁发机构（CA）侧，例如 Sectigo，负责响应客户端请求，并在客户端完成授权后执行对应的请求操作。二者之间的通信基于安全 HTTPS 连接上传输的 JSON 消息实现。
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该流程的另一个核心环节是认证步骤，即 ACME 挑战。只有通过挑战，证书颁发机构（CA）才会颁发证书或完成请求。这套验证流程的认证要求可确保证书仅颁发给受信任的用户。目前 ACME 挑战分为两类：
HTTP 挑战
当 ACME 服务器收到 ACME 客户端的请求后，证书颁发机构（CA）会向客户端返回一个令牌，要求客户端将其安装在服务器上。随后客户端会创建一个包含该令牌的文件，并在文件内容后追加设置阶段生成的授权密钥指纹。文件结构为（令牌）|| '.' ||（授权密钥指纹）。文件安装完成后，客户端会通知证书颁发机构（CA），由 CA 获取并验证该文件，验证通过后即可完成请求。
DNS 挑战
这类挑战增加了一重验证因素，要求 ACME 代理在对应域名 DNS 空间的 TXT 记录中填入指定值。其认证流程与 HTTP 挑战类似：证书颁发机构（CA）向客户端发送令牌，客户端追加授权密钥指纹后生成并安装挑战文件。当代理通知 CA 已完成挑战准备后，CA 会发起 DNS 查询以获取对应的 TXT 记录。
整个挑战流程速度很快，两种类型的挑战通常都能在15秒内完成。但根据 RFC 8555 的要求，管理员应当在 ACME 客户端发送任何请求前完成服务器配置，因为当用户侧系统的资源仍在部署过程中时，ACME 服务器的查询失败是很常见的情况。例如，DNS 或 HTTP 配置、防火墙规则需要一定时间才能在全网服务器中同步生效，如果 CA 在同步完成前就发起查询，就可能返回错误。只要客户端持续尝试，CA 侧的 ACME 服务器会将挑战状态标记为“进行中”，并每隔5到10秒重试一次查询。因此建议用户在配置过程中，确认服务器侧查询能够成功后再让客户端响应挑战，因为在上传文件或 DNS 记录后，到 CA 能够成功获取这些内容之间，可能存在短暂延迟。
如何配置客户端
配置 ACME 客户端时，用户首先需要选定要使用的客户端，再将其安装到对应的域名/服务器上以使用 ACME 协议。灵活性是 ACME 的一大优势，几乎所有企业可能用到的编程语言和环境都有对应的客户端实现：
- Bash
- C/C++
- Clojure
- Docker
- Go
- HAProxy
- Java
- Microsoft Azure
- nginx
- Node.js
- OpenShift
- Perl
- PHP
- Python
- Ruby
- Rust
- Windows/IIS
与开源标准的情况一致，所有证书颁发机构（CA）均不提供专有客户端。因此各组织可以自由选择想要使用的证书颁发机构（CA），前提是该CA支持ACME。以下是主流ACME v2客户端列表，可在GitHub上查看：
- 由电子前哨基金会（EFF）开发、Sectigo赞助的Certbot
- ACMESharp
- acme-client
- GetSSL
- Posh-ACME
- Caddy
- Sewer
- nginx ACME
- node-acme-lambda
下一步是配置ACME客户端，随后将其安装到需要部署公钥基础设施（PKI）证书的服务器上。配置流程共包含简单的6个步骤，仅需数分钟即可完成：
- 客户端提示用户输入需要管理的一个或多个域名。
- 从客户端提供的支持ACME的证书颁发机构（CA）列表中，选择目标CA。
- 选定CA后，客户端会与该CA建立连接并生成私钥对。
- CA会下发HTTP或DNS类型的ACME挑战，用于验证用户身份。
- 除挑战内容外，CA还会发送一个随机生成的数值，称为nonce。客户端使用刚生成的私钥对该数值进行签名，以证明自身持有该密钥对。
- 设置客户端联系CA进行证书续期的频率。
证书颁发机构（CA）验证挑战通过且签名真实有效后，ACME 客户端将被正式授权，代表已验证的域名执行相关操作。
ACME 如何支持证书生命周期管理（CLM）？
借助常规证书管理流程，使用 ACME 协议完成公钥基础设施（PKI）证书的签发、续期和吊销操作十分简便。客户端仅需发送标准 PKI 证书管理消息，并使用授权密钥对为相关证书签名即可。
若要签发或续期证书：
- 客户端会创建一个Certificate Signing Request (CSR)，向证书颁发机构（CA）请求为已授权域名签发包含指定公钥的证书
- CSR 中包含由其携带公钥对应私钥生成的签名
- 客户端使用该域名的授权密钥对整个 CSR 签名，以便证书颁发机构（CA）验证其授权状态
- 证书颁发机构（CA）验证两处签名，若均有效，则为已授权域名签发票据 CSR 中公钥的证书
- 证书颁发机构（CA）将证书下发给客户端
通过 ACME 进行证书吊销的通信流程与签发、续期类似。客户端使用该域名的授权密钥对吊销请求签名，证书颁发机构（CA）验证请求具备授权后，会将吊销信息发布至标准吊销渠道，这样浏览器便不会接受已吊销的证书。
ACME 支持哪些类型的 TLS/SSL 证书及其他 PKI 证书？
如前所述，只要证书颁发机构（CA）为对应类型的 PKI 证书支持 ACME，ACME 标准就可支持企业 Web 服务器、邮件系统、用户设备及其他所有使用 PKI 场景下的 PKI 证书。例如，它支持采用不同验证模式的 SSL 证书——域名验证（DV）、组织验证（OV）和扩展验证（EV）证书——但需注意，在 ACME 提供的流程之外，可能还需要完成额外的验证步骤。
由于 Sectigo 提供SSL/TLS 证书以及Code Signing, S/MIME和其他X.509 certificates均支持 ACME，企业还需要一种可大规模实现端到端生命周期自动化管理的方案。Sectigo Certificate Manager支持 ACME 协议，可实现全自动化的证书生命周期管理（CLM）。