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openssl密码库
本文是使用的两种加密基础知识的第一篇， 是Linux和其他系统上流行的生产级库和工具包。 （要安装OpenSSL的最新版本，请参见 。）命令行中提供了OpenSSL实用程序，程序可以从OpenSSL库中调用函数。 本文的示例程序使用C语言，即OpenSSL库的源语言。
本系列的两篇文章共同介绍了加密哈希，数字签名，加密和解密以及数字证书。 您可以从的ZIP文件中找到代码和命令行示例。
让我们首先回顾一下OpenSSL名称中的SSL。
是在1995年发布的一种加密协议。该协议层可以位于HTTP之上，从而为HTTPS中的安全提供S。 SSL协议提供了各种安全服务，其中包括两项在HTTPS中居中的服务：
反过来，这两个关键SSL服务与其他引起较少关注的服务相关。 例如，SSL支持消息完整性，从而确保接收到的消息与发送的消息相同。 此功能是通过散列函数实现的，散列函数也随OpenSSL工具包一起提供。
SSL已版本化（例如SSLv2和SSLv3），并且在1999年，传输层安全性（TLS）成为基于SSLv3的类似协议。 TLSv1和SSLv3相似，但不足以相互配合。 但是，通常将SSL / TLS称为同一协议。 例如，即使正在使用TLS（而不是SSL），OpenSSL函数也经常在名称中包含SSL。 此外，调用OpenSSL命令行实用程序以术语openssl开头。
除了手册页之外，OpenSSL的文档也参差不齐，考虑到OpenSSL工具包的规模，它们变得笨拙。 命令行和代码示例是将主要主题集中在一起的一种方法。 让我们从一个熟悉的示例开始-使用HTTPS访问网站-并使用该示例来挑选感兴趣的加密片段。
此处显示的客户端程序通过HTTPS连接到Google：
/* compilation: gcc -o client client.c -lssl -lcrypto */ #include#include #include /* BasicInput/Output streams */ #include /* errors */ #include /* core library */ #define BuffSize 1024 void report_and_exit ( const char * msg ) { ( msg ) ; ERR_print_errors_fp ( stderr ) ; ( - 1 ) ; } void init_ssl ( ) { SSL_load_error_strings ( ) ; SSL_library_init ( ) ; } void cleanup ( SSL_CTX * ctx , BIO * bio ) { SSL_CTX_free ( ctx ) ; BIO_free_all ( bio ) ; } void secure_connect ( const char * hostname ) { char name [ BuffSize ] ; char request [ BuffSize ] ; char response [ BuffSize ] ; const SSL_METHOD * method = TLSv1_2_client_method ( ) ; if ( NULL == method ) report_and_exit ( "TLSv1_2_client_method..." ) ; SSL_CTX * ctx = SSL_CTX_new ( method ) ; if ( NULL == ctx ) report_and_exit ( "SSL_CTX_new..." ) ; BIO * bio = BIO_new_ssl_connect ( ctx ) ; if ( NULL == bio ) report_and_exit ( "BIO_new_ssl_connect..." ) ; SSL * ssl = NULL ; /* link bio channel, SSL session, and server endpoint */ ( name , "%s:%s" , hostname , "https" ) ; BIO_get_ssl ( bio , & ssl ) ; /* session */ SSL_set_mode ( ssl , SSL_MODE_AUTO_RETRY ) ; /* robustness */ BIO_set_conn_hostname ( bio , name ) ; /* prepare to connect */ /* try to connect */ if ( BIO_do_connect ( bio ) <= 0 ) { cleanup ( ctx , bio ) ; report_and_exit ( "BIO_do_connect..." ) ; } /* verify truststore, check cert */ if ( ! SSL_CTX_load_verify_locations ( ctx , "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt" , /* truststore */ "/etc/ssl/certs/" ) ) /* more truststore */ report_and_exit ( "SSL_CTX_load_verify_locations..." ) ; long verify_flag = SSL_get_verify_result ( ssl ) ; if ( verify_flag != X509_V_OK ) ( stderr , "##### Certificate verification error (%i) but continuing... \n " , ( int ) verify_flag ) ; /* now fetch the homepage as sample data */ ( request , "GET / HTTP/1.1 \x0D \x0A Host: %s \x0D \x0A \x43 onnection: Close \x0D \x0A \x0D \x0A " , hostname ) ; BIO_puts ( bio , request ) ; /* read HTTP response from server and print to stdout */ while ( 1 ) { ( response , ' \0 ' , sizeof ( response ) ) ; int n = BIO_read ( bio , response , BuffSize ) ; if ( n <= 0 ) break ; /* 0 is end-of-stream, < 0 is an error */ ( response ) ; } cleanup ( ctx , bio ) ; } int main ( ) { init_ssl ( ) ; const char * hostname = "www.google.com:443" ; ( stderr , "Trying an HTTPS connection to %s... \n " , hostname ) ; secure_connect ( hostname ) ; return 0 ; }
可以从命令行编译和执行此程序（请注意-lssl和-lcrypto中的小写L）：
GCC -o 客户端 .C - lssl - lcrypto
该程序尝试打开与网站的安全连接。 作为与Google Web服务器的TLS握手的一部分， 客户端程序会接收一个或多个数字证书，该程序会尝试对其进行验证（但在我的系统上失败）。 尽管如此， 客户端程序仍继续通过安全通道获取Google主页。 该程序取决于前面提到的安全工件，尽管在代码中仅数字证书突出。 其他文物仍在后台，稍后将对其进行详细说明。
通常，打开HTTP（非安全）通道的C或C ++客户端程序将使用诸如网络套接字的 文件描述符之类的构造，该套接字是两个进程之间连接的端点（例如，客户端程序和Google Web服务器）。 反过来，文件描述符是一个非负整数值，它在程序内标识该程序打开的任何类似文件的构造。 这样的程序还将使用一种结构来指定有关Web服务器地址的详细信息。
这些相对较低级别的构造都不会在客户端程序中发生，因为OpenSSL库会将套接字基础结构和地址规范包装在高级安全构造中。 结果是一个简单的API。 首先看一下示例客户端程序中的安全性详细信息。
该程序首先加载相关的OpenSSL库，然后我的函数init_ssl对OpenSSL进行两次调用：
SSL_library_init（）; SSL_load_error_strings（）;
下一个初始化步骤尝试获取安全上下文 ，这是建立和维护通往Web服务器的安全通道所需的信息框架。 在示例中使用TLS 1.2 ，如对OpenSSL库函数的此调用所示：
const SSL_METHOD *方法= TLSv1_2_client_method（）; / * TLS 1.2 * /
如果调用成功，则方法指针将传递到创建SSL_CTX类型上下文的库函数：
SSL_CTX * ctx = SSL_CTX_new （方法）;
客户端程序检查每个关键库调用中的错误，然后，如果其中一个调用失败，则程序终止。
现在还可以使用另外两个OpenSSL工件： SSL类型的安全会话，该会话从头到尾管理安全连接； BIO （基本输入/输出）类型的安全流，用于与Web服务器通信。 BIO流是通过以下调用生成的：
BIO * bio = BIO_new_ssl_connect（ ctx ）;
请注意，最重要的上下文是参数。 BIO类型是C中FILE类型的OpenSSL包装器。此包装器可保护客户端程序和Google的Web服务器之间的输入和输出流。
有了SSL_CTX和BIO ，该程序便在SSL会话中将它们链接在一起。 三个库调用可以完成工作：
BIO_get_ssl（bio，＆ssl）; / *获得TLS会话* /
SSL_set_mode（ssl，SSL_MODE_AUTO_RETRY）; / *健壮性* /
BIO_set_conn_hostname（bio，name）; / *准备连接到Google * /
安全连接本身是通过以下调用建立的：
BIO_do_connect（bio）;
如果最后一次调用不成功，则客户端程序终止；否则， 客户端程序终止。 否则，连接已准备就绪，可以支持客户端程序与Google Web服务器之间的机密对话。
在与Web服务器握手期间， 客户端程序会接收一个或多个数字证书，以认证服务器的身份。 但是， 客户端程序不会发送自己的证书，这意味着身份验证是单向的。 （通常将Web服务器配置为不希望获得客户端证书。）尽管Web服务器证书的验证失败，但是客户端程序仍继续通过安全通道将Google主页获取到Web服务器，从而继续执行该程序。
为什么验证Google证书的尝试失败？ 典型的OpenSSL安装目录为/ etc / ssl / certs ，其中包含ca-certificates.crt文件。 该目录和文件一起包含OpenSSL开箱即用信任的数字证书，因此构成了信任库 。 可以根据需要更新信任库，尤其是可以包括新信任的证书，并删除不再受信任的证书。
客户端程序从Google Web服务器接收了三个证书，但是我的计算机上的OpenSSL信任库不包含完全匹配项。 如目前所写， 客户端程序不会通过例如验证Google证书上的数字签名（证明该证书的签名）来解决此问题。 如果该签名是受信任的，则包含该签名的证书也应受信任。 尽管如此，客户端程序仍继续进行获取，然后打印Google的主页。 下一节将更详细地介绍。
让我们从客户端示例中的可见安全工件（数字证书）开始，并考虑其他安全工件如何与之相关。 数字证书的主要布局标准是X509，生产级证书由诸如的证书颁发机构（CA）颁发。
数字证书包含各种信息（例如，激活和到期日期以及所有者的域名），包括发行者的身份和数字签名 ，该信息是加密的密码哈希值。 证书还具有未加密的哈希值，用作其识别指纹 。
将任意数量的位映射到固定长度的摘要会产生哈希值。 这些位所代表的内容（会计报告，小说或数字电影）无关紧要。 例如，消息摘要版本5（MD5）哈希算法将任意长度的输入位映射到128位哈希值，而SHA1（安全哈希算法版本1）算法将输入位映射到160位值。 不同的输入位会导致不同的（实际上是统计学上唯一的）哈希值。 下一篇文章将进一步详细介绍，并将重点放在使散列函数成为密码的方面 。
数字证书的类型不同（例如， 根证书， 中间证书和最终实体证书），并形成反映这些类型的层次结构。 顾名思义， 根证书位于层次结构的顶部，其下的证书继承了根证书所具有的信任。 OpenSSL库和大多数现代编程语言都具有X509类型以及处理此类证书的功能。 来自Google的证书具有X509格式，并且客户端程序检查此证书是否为X509_V_OK 。
X509证书基于公共密钥基础结构（PKI），其中包括用于生成密钥对的算法-RSA是占主导地位的算法-公钥及其配对的私钥。 公共密钥是一种身份： 公共密钥可以标识它，而我的公共密钥可以标识我。 私钥应由其所有者保守秘密。
一对钥匙具有标准用途。 可以使用公共密钥对消息进行加密，然后可以使用同一对中的私有密钥对消息进行解密。 私钥也可以用于对文档或其他电子产品（例如程序或电子邮件）进行签名，然后可以使用该对中的公钥来验证签名。 以下两个示例填充了一些细节。
在第一个示例中，爱丽丝将她的公钥分发给世界，包括鲍勃。 然后，Bob使用Alice的公钥加密消息，然后将加密的消息发送给Alice。 用爱丽丝的公钥加密的消息用她的私钥解密，而她的私钥（假设）只有她自己，例如：
+------------------+ encrypted msg +-------------------+ Bob's msg--->|Alice's public key|--------------->|Alice's private key|---> Bob's msg +------------------+ +-------------------+
原则上可以在没有Alice私钥的情况下解密消息，但在实际情况下，如果使用像RSA这样的加密密钥对系统，则无法实现。
现在，对于第二个示例，考虑对文档进行签名以证明其真实性。 签名算法使用一对中的私钥来处理要签名的文档的加密哈希：
+-------------------+ Hash of document--->|Alice's private key|--->Alice's digital signature of the document +-------------------+
假设Alice以数字方式签署了发送给Bob的合同。 然后，Bob可以使用密钥对中的Alice的公钥来验证签名：
+------------------+ Alice's digital signature of the document--->|Alice's public key|--->verified or not +------------------+
没有Alice的私钥就无法伪造Alice的签名：因此，将其私钥保密是符合Alice的利益的。
在客户端程序中，除了数字证书以外，这些安全性都没有明确规定。 下一篇文章使用使用OpenSSL实用程序和库函数的示例填充详细信息。
同时，让我们看一下OpenSSL命令行实用程序：尤其是在TLS握手期间检查来自Web服务器的证书的实用程序。 调用OpenSSL实用程序从openssl命令开始，然后添加参数和标志的组合以指定所需的操作。
考虑以下命令：
openssl list-cipher-algorithms
输出是组成密码套件的相关算法的列表。 这是列表的开始，带有注释以澄清首字母缩写词：
AES-128-CBC ## Advanced Encryption Standard, Cipher Block Chaining AES-128-CBC-HMAC-SHA1 ## Hash-based Message Authentication Code with SHA1 hashes AES-128-CBC-HMAC-SHA256 ## ditto, but SHA256 rather than SHA1 ...
使用参数s_client的下一个命令将打开到的安全连接，并在屏幕上显示有关该连接的所有信息：
OpenSSL的的s_client.First -connect - showcerts
端口号443是Web服务器用于接收HTTPS而不是HTTP连接的标准端口号。 （对于HTTP，标准端口为80。）网络地址也在客户端程序的代码中出现。 如果尝试的连接成功，则将显示来自Google的三个数字证书以及有关安全会话，正在使用的密码套件以及相关项目的信息。 例如，这是从头开始的一部分输出，它宣布证书链即将到来。 证书的编码为base64：
Certificate chain 0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google LLC/CN=www.google.com i:/C=US/O=Google Trust Services/CN=Google Internet Authority G3 -----BEGIN CERTIFICATE----- MIIEijCCA3KgAwIBAgIQdCea9tmy/T6rK/dDD1isujANBgkqhkiG9w0BAQsFADBU MQswCQYDVQQGEwJVUzEeMBwGA1UEChMVR29vZ2xlIFRydXN0IFNlcnZpY2VzMSUw ...
诸如Google之类的主要网站通常会发送多个证书进行身份验证。
输出以有关TLS会话的摘要信息结尾，包括密码套件的详细信息：
SSL-Session: Protocol : TLSv1.2 Cipher : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256 Session-ID: A2BBF0E4991E6BBBC318774EEE37CFCB23095CC7640FFC752448D07C7F438573 ...
客户端程序中使用了协议TLS 1.2 ，并且Session-ID唯一标识了openssl实用程序和Google Web服务器之间的连接。 密码项可以按以下方式进行解析：
ECDHE （椭圆曲线Diffie Hellman瞬时）是一种用于管理TLS握手的有效算法。 特别地，ECDHE通过确保连接的双方（例如，客户端程序和Google Web服务器）使用相同的加密/解密密钥（称为会话密钥 ）来解决密钥分发问题 。 后续文章深入探讨了细节。
RSA （Rivest Shamir Adleman）是主要的公共密钥密码系统，以1970年代末首次描述该系统的三位学者命名。 正在使用的密钥对是使用RSA算法生成的。
AES128 （高级加密标准）是一种块密码 ，用于加密和解密位块。 （另一种选择是流密码 ，一次加密和解密一位。）密码是对称的 ，因为使用相同的密钥进行加密和解密，这首先引起了密钥分配问题。 AES支持128（在此处使用），192和256位的密钥大小：密钥越大，保护越好。
通常，对称密码系统（例如AES）的密钥大小小于非对称（基于密钥对）系统（例如RSA）的密钥大小。 例如，1024位RSA密钥相对较小，而256位密钥当前是AES最大的密钥。
GCM （Galois计数器模式）在安全对话期间处理密码（在本例中为AES128）的重复应用。 AES128块的大小仅为128位，安全对话很可能包含从一侧到另一侧的多个AES128块。 GCM非常有效，通常与AES128搭配使用。
SHA256 （256位安全哈希算法）是正在使用的加密哈希算法。 生成的哈希值大小为256位，尽管使用SHA甚至可以达到更大的值。
密码套件正在不断发展。 例如，不久前，谷歌使用RC4流密码（Ron的Cipher版本4，来自RSA的Ron Rivest）。 RC4现在具有已知的漏洞，这至少部分是由Google转换为AES128引起的。
通过安全的C Web客户端和各种命令行示例对OpenSSL的首次了解，使少数需要进一步澄清的主题脱颖而出。 ，从加密散列开始，最后以关于数字证书如何解决密钥分发挑战的更完整的讨论结尾。
翻译自:
openssl密码库
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