在 Linux下使用 Python 3.11 和 FastAPI 搭建带免费证书的 HTTPS 服务器

在当今数字化时代，保障网站数据传输的安全性至关重要。HTTPS 协议通过使用 SSL/TLS 加密技术，能够有效防止数据在传输过程中被窃取或篡改。本教程将详细介绍如何在 Ubuntu 22.04 系统上，使用 Python 3.11 和 FastAPI 框架搭建一个带有免费 SSL 证书的 HTTPS 服务器。

准备工作

在开始之前，你需要确保满足以下条件：

  • 拥有一台运行 Ubuntu 22.04 的服务器。
  • 具备一个有效的域名，并将其 DNS 解析指向你的服务器 IP 地址。因为 Let's Encrypt 不支持为 IP 地址颁发证书，所以域名是必需的。
  • 服务器已经连接到互联网，并且能够正常访问外部网络。

步骤 1：安装必要的软件包 

首先，我们需要更新系统的软件包列表，并安装 Python 3.11、pip（Python 包管理工具）、Certbot（用于获取免费 SSL 证书）和 Nginx（作为反向代理服务器）。 

# 更新系统软件包列表
sudo apt update
# 安装 Python 3.11 和 pip
sudo apt install python3.11 python3.11-venv python3-pip
# 安装 Certbot 和 Nginx
sudo apt install certbot python3-certbot-nginx nginx

 解释

  • sudo apt update：该命令用于更新系统软件包列表，确保我们能够获取到最新的软件包信息。
  • sudo apt install python3.11 python3.11-venv python3-pip：安装 Python 3.11 及其虚拟环境创建工具 venv 和包管理工具 pip。虚拟环境可以帮助我们隔离不同项目的依赖，避免版本冲突。
  • sudo apt install certbot python3-certbot-nginx nginx：安装 Certbot 及其 Nginx 插件，用于获取和管理 Let's Encrypt 免费 SSL 证书，同时安装 Nginx 服务器。

步骤 2：创建 Python 虚拟环境并安装 FastAPI

为了避免全局 Python 环境的污染，我们将创建一个虚拟环境，并在其中安装 FastAPI 和 Uvicorn（一个用于运行 FastAPI 应用的 ASGI 服务器）。

 注意：也可以用conda来创建pyhton的虚拟环境。以下代码用的python3的source来创建的建议虚拟环境，也够用。

# 创建虚拟环境
python3.11 -m venv fastapi_env
# 激活虚拟环境
source fastapi_env/bin/activate
# 安装 FastAPI 和 Uvicorn
pip install fastapi uvicorn

解释

  • python3.11 -m venv fastapi_env：使用 Python 3.11 的 venv 模块创建一个名为 fastapi_env 的虚拟环境。
  • source fastapi_env/bin/activate：激活虚拟环境，激活后，我们在该终端中执行的所有 Python 命令都将使用该虚拟环境中的 Python 和相关包。
  • pip install fastapi uvicorn：在虚拟环境中安装 FastAPI 和 Uvicorn。

步骤 3：编写 FastAPI 应用

创建一个名为 main.py 的 Python 文件，并编写一个简单的 FastAPI 应用。

from fastapi import FastAPIapp = FastAPI()@app.get("/")
def read_root():return {"..."}

 解释

  • from fastapi import FastAPI：导入 FastAPI 类。
  • app = FastAPI()：创建一个 FastAPI 应用实例。
  • @app.get("/")：定义一个 HTTP GET 请求处理函数，当用户访问根路径 / 时，将返回一个包含 {"..."} 的 JSON 响应。

 步骤 4：配置 Nginx 作为反向代理

Nginx 可以作为反向代理服务器，将客户端的请求转发到我们的 FastAPI 应用。

 4.1 创建 Nginx 配置文件

创建一个新的 Nginx 配置文件 /etc/nginx/sites-available/fastapi_app。

sudo nano /etc/nginx/sites-available/fastapi_app

在文件中添加以下内容： 

server {listen 80;server_name your_domain;  # 替换为你的实际域名location / {proxy_pass http://127.0.0.1:8000;proxy_set_header Host $host;proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;}
}

解释

  • listen 80;：指定 Nginx 监听 HTTP 端口 80。
  • server_name your_domain;：指定服务器的域名，需要将 your_domain 替换为你自己的域名。
  • proxy_pass http://127.0.0.1:8000;：将客户端的请求转发到本地的 8000 端口，即我们的 FastAPI 应用运行的端口。
  • proxy_set_header：设置一些代理请求头，确保 FastAPI 应用能够获取到客户端的真实信息。

4.2 创建符号链接并测试配置

将配置文件链接到 sites-enabled 目录，并测试 Nginx 配置是否正确。

# 创建符号链接到 sites-enabled 目录
sudo ln -s /etc/nginx/sites-available/fastapi_app /etc/nginx/sites-enabled/
# 测试 Nginx 配置
sudo nginx -t
# 重启 Nginx 服务
sudo systemctl restart nginx

 步骤 5：获取免费 SSL 证书

使用 Certbot 工具获取 Let's Encrypt 免费 SSL 证书。

sudo certbot --nginx -d your_domain  # 替换为你的实际域名

多个域名时，申请方法如下： 

sudo certbot --nginx -d your_domain.com -d www.your_domain.com

详细提示和输入说明

5.1 邮箱地址输入

Saving debug log to /var/log/letsencrypt/letsencrypt.log
Plugins selected: Authenticator nginx, Installer nginx
Enter email address (used for urgent renewal and security notices) (Enter 'c' to
cancel):

Let's Encrypt 需要一个有效的邮箱地址，用于在证书即将到期或有安全通知时联系你。输入你的常用邮箱地址，然后按回车键。

5.2 协议条款确认

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Please read the Terms of Service at
https://letsencrypt.org/documents/LE-SA-v1.2-November-15-2017.pdf. You must
agree in order to register with the ACME server. Do you agree?
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
(Y)es/(N)o:

你需要同意 Let's Encrypt 的服务条款才能继续注册并获取证书。输入 Y 然后按回车键表示同意。

5.3 订阅邮件选项

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Would you be willing to share your email address with the Electronic Frontier
Foundation, a founding partner of the Let's Encrypt project and the non-profit
organization that develops Certbot? We'd like to send you email about our work
encrypting the web, EFF news, campaigns, and ways to support digital freedom.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
(Y)es/(N)o:

 这是一个可选的订阅选项，询问你是否愿意与电子前沿基金会（EFF）共享你的邮箱地址，以便接收他们的相关新闻和活动信息。如果你愿意接收相关邮件，输入 Y 并回车；如果不愿意，输入 N 并回车。

5.4 域名验证与证书安装确认

Obtaining a new certificate
Performing the following challenges:
http-01 challenge for your_domain
Waiting for verification...
Cleaning up challenges
Deploying Certificate to VirtualHost /etc/nginx/sites-enabled/fastapi_appPlease choose whether or not to redirect HTTP traffic to HTTPS, removing HTTP access.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
1: No redirect - Make no further changes to the webserver configuration.
2: Redirect - Make all requests redirect to secure HTTPS access. Choose this for
new sites, or if you're confident your site works on HTTPS. You can undo this
change by editing your web server's configuration.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Select the appropriate number [1-2] then [enter] (press 'c' to cancel):

 Certbot 会验证你的域名所有权，并在验证通过后部署证书。这里会询问你是否要将所有 HTTP 请求重定向到 HTTPS。

  • 如果你希望将所有 HTTP 请求重定向到 HTTPS，输入 2 并回车。
  • 如果你暂时不想进行重定向，输入 1 并回车。

5.5 完成提示

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Please read the Terms of Service at
https://letsencrypt.org/documents/LE-SA-v1.5-February-24-2025.pdf. You must
agree in order to register with the ACME server. Do you agree?
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
(Y)es/(N)o: Y- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Would you be willing, once your first certificate is successfully issued, to
share your email address with the Electronic Frontier Foundation, a founding
partner of the Let's Encrypt project and the non-profit organization that
develops Certbot? We'd like to send you email about our work encrypting the web,
EFF news, campaigns, and ways to support digital freedom.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
(Y)es/(N)o: Y
Account registered.
Requesting a certificate for ftpeak.comSuccessfully received certificate.
Certificate is saved at: /etc/letsencrypt/live/ftpeak.com/fullchain.pem
Key is saved at:         /etc/letsencrypt/live/ftpeak.com/privkey.pem
This certificate expires on 2025-06-15.
These files will be updated when the certificate renews.
Certbot has set up a scheduled task to automatically renew this certificate in the background.Deploying certificate
Successfully deployed certificate for ftpeak.com to /etc/nginx/sites-enabled/fastapi_app
Congratulations! You have successfully enabled HTTPS on https://ftpeak.com- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
If you like Certbot, please consider supporting our work by:* Donating to ISRG / Let's Encrypt:   https://letsencrypt.org/donate* Donating to EFF:                    https://eff.org/donate-le
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

这表示证书已经成功获取并安装，同时会显示证书和私钥的保存路径以及证书的到期日期等重要信息。

步骤 6：在配置中增加SSL

6.1 编辑配置文件

打开配置文件进入编辑状态：

sudo nano /etc/nginx/sites-available/fastapi_app

 代码修改如下：

# HTTP 服务器块，用于将所有 HTTP 请求重定向到 HTTPS
server {listen 80;server_name ftpeak.com;# 永久重定向 HTTP 请求到 HTTPSreturn 301 https://$host$request_uri;
}# HTTPS 服务器块，处理实际的 HTTPS 请求
server {listen 443 ssl;server_name ftpeak.com;# SSL 证书和私钥配置ssl_certificate /etc/letsencrypt/live/ftpeak.com/fullchain.pem;ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/ftpeak.com/privkey.pem;# 包含 Certbot 提供的 SSL 配置选项include /etc/letsencrypt/options-ssl-nginx.conf;# SSL  Diffie-Hellman 参数配置ssl_dhparam /etc/letsencrypt/ssl-dhparams.pem;# 反向代理配置，将请求转发到本地的 FastAPI 应用location / {proxy_pass http://127.0.0.1:8000;proxy_set_header Host $host;proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;}
}

6.1 启动 FastAPI 应用

在激活的虚拟环境中启动 FastAPI 应用。

uvicorn main:app --host 127.0.0.1 --port 8000

解释

  • uvicorn main:app：指定要运行的 FastAPI 应用，main 是 Python 文件名，app 是 FastAPI 应用实例的名称。
  • --host 127.0.0.1：指定应用监听的 IP 地址为本地回环地址。
  • --port 8000：指定应用监听的端口为 8000。

步骤 7：验证 HTTPS 访问

现在，你可以通过浏览器访问 https://your_domain（替换为你的实际域名）来验证 HTTPS 服务器是否正常工作。如果一切正常，你应该能看到 {"..."} 的响应。

注意事项

  • 确保服务器的防火墙允许 HTTP（端口 80）和 HTTPS（端口 443）流量。可以使用以下命令开放端口： 
sudo ufw allow 80
sudo ufw allow 443
sudo ufw allow 443

步骤8：自动更新证书

自动更新测试

Let's Encrypt 证书的有效期为 90 天，为了避免证书过期导致服务中断，建议设置定期自动更新证书。可以使用以下命令测试自动更新：

sudo certbot renew --dry-run

测试结果如果通过如下：

Saving debug log to /var/log/letsencrypt/letsencrypt.log- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Processing /etc/letsencrypt/renewal/ftpeak.com.conf
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Account registered.
Simulating renewal of an existing certificate for ftpeak.com- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Congratulations, all simulated renewals succeeded: /etc/letsencrypt/live/ftpeak.com/fullchain.pem (success)
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

可以使用系统的定时任务（如 crontab -e）来定期执行 certbot renew 命令。

crontab -e

 如果你是第一次使用该命令，系统可能会提示你选择一个文本编辑器，你可以根据自己的喜好选择，例如选择 nano 编辑器，输入对应的数字并回车即可。

添加定时任务

在打开的 crontab 文件中，添加如下一行内容：

0 2 * * 1 /usr/bin/certbot renew --quiet --deploy-hook "systemctl reload nginx"

代码解释

  • 时间设置部分（0 2 * * 1）：

    • 0 表示分钟，即每小时的第 0 分钟（整点）。
    • 2 表示小时，即凌晨 2 点。
    • * 表示任意值，这里前两个 * 分别表示每月的任意天和每年的任意月。
    • 1 表示星期，即星期一。

    综合起来，0 2 * * 1 表示每周一凌晨 2 点执行该任务。你可以根据自己的需求调整时间，例如你也可以设置为每月执行一次，将时间设置为 0 2 1 * * ，表示每月 1 号凌晨 2 点执行。

  • 命令部分（/usr/bin/certbot renew --quiet --deploy-hook "systemctl reload nginx"）：

    • /usr/bin/certbot renew：这是执行 Certbot 证书更新的命令。
    • --quiet：表示以安静模式运行，避免在更新过程中输出过多的信息，减少不必要的干扰。
    • --deploy-hook "systemctl reload nginx"：这是一个部署钩子选项，当 Certbot 成功更新证书后，会执行双引号内的命令。这里的 systemctl reload nginx 表示重新加载 Nginx 服务，使新的证书配置生效。

保存并退出

在 nano 编辑器中，按下 Ctrl + X 组合键，然后输入 Y 确认保存修改，最后按下回车键退出编辑器。 

列出你设置的定时任务

你可以使用以下命令查看当前用户的 crontab 任务列表，确认刚才添加的任务是否已经正确保存：

crontab -l

如果输出中包含你添加的定时任务，说明配置成功。之后，系统会按照你设置的时间定期执行证书更新操作。

注意事项

  • 确保 certbot 命令的路径 /usr/bin/certbot 是正确的。你可以使用 which certbot 命令来确认其实际路径。
  • 在使用 systemctl reload nginx 之前，要确保当前用户有足够的权限来执行该命令。如果遇到权限问题，可能需要调整 sudo 配置或使用其他方式来重新加载 Nginx 服务。

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