OpenSSL入門：密碼學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)
想要入門密碼學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，尤其是有關(guān) OpenSSL 的入門知識(shí)嗎？繼續(xù)閱讀。
本文是使用 OpenSSL 的密碼學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的兩篇文章中的第一篇，OpenSSL 是在 Linux 和其他系統(tǒng)上流行的生產(chǎn)級(jí)庫(kù)和工具包。（要安裝 OpenSSL 的最新版本，請(qǐng)參閱這里。）OpenSSL 實(shí)用程序可在命令行使用，程序也可以調(diào)用 OpenSSL 庫(kù)中的函數(shù)。本文的示例程序使用的是 C 語(yǔ)言，即 OpenSSL 庫(kù)的源語(yǔ)言。
本系列的兩篇文章涵蓋了加密哈希、數(shù)字簽名、加密和解密以及數(shù)字證書。你可以從我的網(wǎng)站的 ZIP 文件中找到這些代碼和命令行示例。
讓我們首先回顧一下 OpenSSL 名稱中的 SSL。
OpenSSL 簡(jiǎn)史
安全套接字層（SSL）是 Netscape 在 1995 年發(fā)布的一種加密協(xié)議。該協(xié)議層可以位于 HTTP 之上，從而為 HTTPS 提供了 S：安全。SSL 協(xié)議提供了各種安全服務(wù)，其中包括兩項(xiàng)在 HTTPS 中至關(guān)重要的服務(wù)：
- 對(duì)等身份驗(yàn)證（也稱為相互質(zhì)詢）：連接的每一邊都對(duì)另一邊的身份進(jìn)行身份驗(yàn)證。如果 Alice 和 Bob 要通過(guò) SSL 交換消息，則每個(gè)人首先驗(yàn)證彼此的身份。
- 機(jī)密性：發(fā)送者在通過(guò)通道發(fā)送消息之前先對(duì)其進(jìn)行加密。然后，接收者解密每個(gè)接收到的消息。此過(guò)程可保護(hù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)話。即使竊聽者 Eve 截獲了從 Alice 到 Bob 的加密消息（即中間人攻擊），Eve 會(huì)發(fā)現(xiàn)他無(wú)法在計(jì)算上解密此消息。
反過(guò)來(lái)，這兩個(gè)關(guān)鍵 SSL 服務(wù)與其他不太受關(guān)注的服務(wù)相關(guān)聯(lián)。例如，SSL 支持消息完整性，從而確保接收到的消息與發(fā)送的消息相同。此功能是通過(guò)哈希函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，哈希函數(shù)也隨 OpenSSL 工具箱一起提供。
SSL 有多個(gè)版本（例如 SSLv2 和 SSLv3），并且在 1999 年出現(xiàn)了一個(gè)基于 SSLv3 的類似協(xié)議傳輸層安全性（TLS）。TLSv1 和 SSLv3 相似，但不足以相互配合工作。不過(guò)，通常將 SSL/TLS 稱為同一協(xié)議。例如，即使正在使用的是 TLS（而非 SSL），OpenSSL 函數(shù)也經(jīng)常在名稱中包含 SSL。此外，調(diào)用 OpenSSL 命令行實(shí)用程序以 openssl 開始。
除了 man 頁(yè)面之外，OpenSSL 的文檔是零零散散的，鑒于 OpenSSL 工具包很大，這些頁(yè)面很難以查找使用。命令行和代碼示例可以將主要主題集中起來(lái)。讓我們從一個(gè)熟悉的示例開始（使用 HTTPS 訪問(wèn)網(wǎng)站），然后使用該示例來(lái)選出我們感興趣的加密部分進(jìn)行講述。
一個(gè) HTTPS 客戶端
此處顯示的 client 程序通過(guò) HTTPS 連接到 Google：
/* compilation: gcc -o client client.c -lssl -lcrypto */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <openssl/bio.h> /* BasicInput/Output streams */#include <openssl/err.h> /* errors */#include <openssl/ssl.h> /* core library */#define BuffSize 1024void report_and_exit(const char* msg) {perror(msg);ERR_print_errors_fp(stderr);exit(-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;/* 鏈路 bio 通道，SSL 會(huì)話和服務(wù)器端點(diǎn) */sprintf(name, "%s:%s", hostname, "https");BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 會(huì)話 */SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 魯棒性 */BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 準(zhǔn)備連接 *//* 嘗試連接 */if (BIO_do_connect(bio) <= 0) {cleanup(ctx, bio);report_and_exit("BIO_do_connect...");}/* 驗(yàn)證信任庫(kù)，檢查證書 */if (!SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,"/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt", /* 信任庫(kù) */"/etc/ssl/certs/")) /* 其它信任庫(kù) */report_and_exit("SSL_CTX_load_verify_locations...");long verify_flag = SSL_get_verify_result(ssl);if (verify_flag != X509_V_OK)fprintf(stderr,"##### Certificate verification error (%i) but continuing...\n",(int) verify_flag);/* 獲取主頁(yè)作為示例數(shù)據(jù) */sprintf(request,"GET / HTTP/1.1\x0D\x0AHost: %s\x0D\x0A\x43onnection: Close\x0D\x0A\x0D\x0A",hostname);BIO_puts(bio, request);/* 從服務(wù)器讀取 HTTP 響應(yīng)并打印到輸出 */while (1) {memset(response, '\0', sizeof(response));int n = BIO_read(bio, response, BuffSize);if (n <= 0) break; /* 0 代表流結(jié)束，< 0 代表有錯(cuò)誤 */puts(response);}cleanup(ctx, bio);}int main() {init_ssl();const char* hostname = "www.google.com:443";fprintf(stderr, "Trying an HTTPS connection to %s...\n", hostname);secure_connect(hostname);return 0;}
可以從命令行編譯和執(zhí)行該程序（請(qǐng)注意 -lssl 和 -lcrypto 中的小寫字母 L）：
gcc -o client client.c -lssl -lcrypto
該程序嘗試打開與網(wǎng)站 www.google.com 的安全連接。在與 Google Web 服務(wù)器的 TLS 握手過(guò)程中，client 程序會(huì)收到一個(gè)或多個(gè)數(shù)字證書，該程序會(huì)嘗試對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證（但在我的系統(tǒng)上失敗了）。盡管如此，client 程序仍繼續(xù)通過(guò)安全通道獲取 Google 主頁(yè)。該程序取決于前面提到的安全工件，盡管在上述代碼中只著重突出了數(shù)字證書。但其它工件仍在幕后發(fā)揮作用，稍后將對(duì)它們進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
通常，打開 HTTP（非安全）通道的 C 或 C++ 的客戶端程序?qū)⑹褂弥T如文件描述符或網(wǎng)絡(luò)套接字之類的結(jié)構(gòu)，它們是兩個(gè)進(jìn)程（例如，這個(gè) client 程序和 Google Web 服務(wù)器）之間連接的端點(diǎn)。另一方面，文件描述符是一個(gè)非負(fù)整數(shù)值，用于在程序中標(biāo)識(shí)該程序打開的任何文件類的結(jié)構(gòu)。這樣的程序還將使用一種結(jié)構(gòu)來(lái)指定有關(guān) Web 服務(wù)器地址的詳細(xì)信息。
這些相對(duì)較低級(jí)別的結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)在客戶端程序中，因?yàn)?OpenSSL 庫(kù)會(huì)將套接字基礎(chǔ)設(shè)施和地址規(guī)范等封裝在更高層面的安全結(jié)構(gòu)中。其結(jié)果是一個(gè)簡(jiǎn)單的 API。下面首先看一下 client 程序示例中的安全性詳細(xì)信息。
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該程序首先加載相關(guān)的 OpenSSL 庫(kù)，我的函數(shù)
init_ssl中對(duì) OpenSSL 進(jìn)行了兩次調(diào)用：SSL_load_error_strings();SSL_library_init();
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下一個(gè)初始化步驟嘗試獲取安全上下文，這是建立和維護(hù)通往 Web 服務(wù)器的安全通道所需的信息框架。如對(duì) OpenSSL 庫(kù)函數(shù)的調(diào)用所示，在示例中使用了 TLS 1.2：
const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method(); /* TLS 1.2 */
如果調(diào)用成功，則將
method指針被傳遞給庫(kù)函數(shù)，該函數(shù)創(chuàng)建類型為SSL_CTX的上下文：SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method);
client程序會(huì)檢查每個(gè)關(guān)鍵的庫(kù)調(diào)用的錯(cuò)誤，如果其中一個(gè)調(diào)用失敗，則程序終止。 -
現(xiàn)在還有另外兩個(gè) OpenSSL 工件也在發(fā)揮作用：SSL 類型的安全會(huì)話，從頭到尾管理安全連接；以及類型為 BIO（基本輸入/輸出）的安全流，用于與 Web 服務(wù)器進(jìn)行通信。BIO 流是通過(guò)以下調(diào)用生成的：
BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);
請(qǐng)注意，這個(gè)最重要的上下文是其參數(shù)。
BIO類型是 C 語(yǔ)言中FILE類型的 OpenSSL 封裝器。此封裝器可保護(hù)client程序與 Google 的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的輸入和輸出流的安全。 -
有了
SSL_CTX和BIO，然后程序在 SSL 會(huì)話中將它們組合在一起。三個(gè)庫(kù)調(diào)用可以完成工作：BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 會(huì)話 */SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 魯棒性 */BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 準(zhǔn)備連接 */
安全連接本身是通過(guò)以下調(diào)用建立的：
BIO_do_connect(bio);
如果最后一個(gè)調(diào)用不成功，則
client程序終止；否則，該連接已準(zhǔn)備就緒，可以支持client程序與 Google Web 服務(wù)器之間的機(jī)密對(duì)話。
在與 Web 服務(wù)器握手期間，client 程序會(huì)接收一個(gè)或多個(gè)數(shù)字證書，以認(rèn)證服務(wù)器的身份。但是，client 程序不會(huì)發(fā)送自己的證書，這意味著這個(gè)身份驗(yàn)證是單向的。（Web 服務(wù)器通常配置為不需要客戶端證書）盡管對(duì) Web 服務(wù)器證書的驗(yàn)證失敗，但 client 程序仍通過(guò)了連接到 Web 服務(wù)器的安全通道繼續(xù)獲取 Google 主頁(yè)。
為什么驗(yàn)證 Google 證書的嘗試會(huì)失?。康湫偷?OpenSSL 安裝目錄為 /etc/ssl/certs，其中包含 ca-certificates.crt 文件。該目錄和文件包含著 OpenSSL 自帶的數(shù)字證書，以此構(gòu)成信任庫(kù)?？梢愿鶕?jù)需要更新信任庫(kù)，尤其是可以包括新信任的證書，并刪除不再受信任的證書。
client 程序從 Google Web 服務(wù)器收到了三個(gè)證書，但是我的計(jì)算機(jī)上的 OpenSSL 信任庫(kù)并不包含完全匹配的證書。如目前所寫，client 程序不會(huì)通過(guò)例如驗(yàn)證 Google 證書上的數(shù)字簽名（一個(gè)用來(lái)證明該證書的簽名）來(lái)解決此問(wèn)題。如果該簽名是受信任的，則包含該簽名的證書也應(yīng)受信任。盡管如此，client 程序仍繼續(xù)獲取頁(yè)面，然后打印出 Google 的主頁(yè)。下一節(jié)將更詳細(xì)地介紹這些。
客戶端程序中隱藏的安全性
讓我們從客戶端示例中可見的安全工件（數(shù)字證書）開始，然后考慮其他安全工件如何與之相關(guān)。數(shù)字證書的主要格式標(biāo)準(zhǔn)是 X509，生產(chǎn)級(jí)的證書由諸如 Verisign 的證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)（CA）頒發(fā)。
數(shù)字證書中包含各種信息（例如，激活日期和失效日期以及所有者的域名），也包括發(fā)行者的身份和數(shù)字簽名（這是加密過(guò)的加密哈希值）。證書還具有未加密的哈希值，用作其標(biāo)識(shí)指紋。
哈希值來(lái)自將任意數(shù)量的二進(jìn)制位映射到固定長(zhǎng)度的摘要。這些位代表什么（會(huì)計(jì)報(bào)告、小說(shuō)或數(shù)字電影）無(wú)關(guān)緊要。例如，消息摘要版本 5（MD5）哈希算法將任意長(zhǎng)度的輸入位映射到 128 位哈希值，而 SHA1（安全哈希算法版本 1）算法將輸入位映射到 160 位哈希值。不同的輸入位會(huì)導(dǎo)致不同的（實(shí)際上在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是唯一的）哈希值。下一篇文章將會(huì)進(jìn)行更詳細(xì)的介紹，并著重介紹什么使哈希函數(shù)具有加密功能。
數(shù)字證書的類型有所不同（例如根證書、中間證書和最終實(shí)體證書），并形成了反映這些證書類型的層次結(jié)構(gòu)。顧名思義，根證書位于層次結(jié)構(gòu)的頂部，其下的證書繼承了根證書所具有的信任。OpenSSL 庫(kù)和大多數(shù)現(xiàn)代編程語(yǔ)言都具有 X509 數(shù)據(jù)類型以及處理此類證書的函數(shù)。來(lái)自 Google 的證書具有 X509 格式，client 程序會(huì)檢查該證書是否為 X509_V_OK。
X509 證書基于公共密鑰基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（PKI），其中包括的算法（RSA 是占主導(dǎo)地位的算法）用于生成密鑰對(duì)：公共密鑰及其配對(duì)的私有密鑰。公鑰是一種身份：Amazon 的公鑰對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)，而我的公鑰對(duì)我進(jìn)行標(biāo)識(shí)。私鑰應(yīng)由其所有者負(fù)責(zé)保密。
成對(duì)出現(xiàn)的密鑰具有標(biāo)準(zhǔn)用途?？梢允褂霉€對(duì)消息進(jìn)行加密，然后可以使用同一個(gè)密鑰對(duì)中的私鑰對(duì)消息進(jìn)行解密。私鑰也可以用于對(duì)文檔或其他電子工件（例如程序或電子郵件）進(jìn)行簽名，然后可以使用該對(duì)密鑰中的公鑰來(lái)驗(yàn)證簽名。以下兩個(gè)示例補(bǔ)充了一些細(xì)節(jié)。
在第一個(gè)示例中，Alice 將她的公鑰分發(fā)給全世界，包括 Bob。然后，Bob 用 Alice 的公鑰加密郵件，然后將加密的郵件發(fā)送給 Alice。用 Alice 的公鑰加密的郵件將可以用她的私鑰解密（假設(shè)是她自己的私鑰），如下所示：
+------------------+ encrypted msg +-------------------+Bob's msg--->|Alice's public key|--------------->|Alice's private key|---> Bob's msg+------------------+ +-------------------+
理論上可以在沒有 Alice 的私鑰的情況下解密消息，但在實(shí)際情況中，如果使用像 RSA 這樣的加密密鑰對(duì)系統(tǒng)，則在計(jì)算上做不到。
現(xiàn)在，第二個(gè)示例，請(qǐng)對(duì)文檔簽名以證明其真實(shí)性。簽名算法使用密鑰對(duì)中的私鑰來(lái)處理要簽名的文檔的加密哈希：
+-------------------+Hash of document--->|Alice's private key|--->Alice's digital signature of the document+-------------------+
假設(shè) Alice 以數(shù)字方式簽署了發(fā)送給 Bob 的合同。然后，Bob 可以使用 Alice 密鑰對(duì)中的公鑰來(lái)驗(yàn)證簽名：
+------------------+Alice's digital signature of the document--->|Alice's public key|--->verified or not+------------------+
假若沒有 Alice 的私鑰，就無(wú)法輕松偽造 Alice 的簽名：因此，Alice 有必要保密她的私鑰。
在 client 程序中，除了數(shù)字證書以外，這些安全性都沒有明確展示。下一篇文章使用使用 OpenSSL 實(shí)用程序和庫(kù)函數(shù)的示例填充更多詳細(xì)的信息。
命令行的 OpenSSL
同時(shí)，讓我們看一下 OpenSSL 命令行實(shí)用程序：特別是在 TLS 握手期間檢查來(lái)自 Web 服務(wù)器的證書的實(shí)用程序。調(diào)用 OpenSSL 實(shí)用程序可以使用 openssl 命令，然后添加參數(shù)和標(biāo)志的組合以指定所需的操作。
看看以下命令：
openssl list-cipher-algorithms
該輸出是組成加密算法套件的相關(guān)算法的列表。下面是列表的開頭，加了澄清首字母縮寫詞的注釋：
AES-128-CBC ## Advanced Encryption Standard, Cipher Block ChainingAES-128-CBC-HMAC-SHA1 ## Hash-based Message Authentication Code with SHA1 hashesAES-128-CBC-HMAC-SHA256 ## ditto, but SHA256 rather than SHA1...
下一條命令使用參數(shù) s_client 將打開到 www.google.com 的安全連接，并在屏幕上顯示有關(guān)此連接的所有信息：
openssl s_client -connect www.google.com:443 -showcerts
端口號(hào) 443 是 Web 服務(wù)器用于接收 HTTPS（而不是 HTTP 連接）的標(biāo)準(zhǔn)端口號(hào)。（對(duì)于 HTTP，標(biāo)準(zhǔn)端口為 80）Web 地址 www.google.com:443 也出現(xiàn)在 client 程序的代碼中。如果嘗試連接成功，則將顯示來(lái)自 Google 的三個(gè)數(shù)字證書以及有關(guān)安全會(huì)話、正在使用的加密算法套件以及相關(guān)項(xiàng)目的信息。例如，這是開頭的部分輸出，它聲明證書鏈即將到來(lái)。證書的編碼為 base64：
Certificate chain0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google LLC/CN=www.google.comi:/C=US/O=Google Trust Services/CN=Google Internet Authority G3-----BEGIN CERTIFICATE-----MIIEijCCA3KgAwIBAgIQdCea9tmy/T6rK/dDD1isujANBgkqhkiG9w0BAQsFADBUMQswCQYDVQQGEwJVUzEeMBwGA1UEChMVR29vZ2xlIFRydXN0IFNlcnZpY2VzMSUw...
諸如 Google 之類的主要網(wǎng)站通常會(huì)發(fā)送多個(gè)證書進(jìn)行身份驗(yàn)證。
輸出以有關(guān) TLS 會(huì)話的摘要信息結(jié)尾，包括加密算法套件的詳細(xì)信息：
SSL-Session:Protocol : TLSv1.2Cipher : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256Session-ID: A2BBF0E4991E6BBBC318774EEE37CFCB23095CC7640FFC752448D07C7F438573...
client 程序中使用了協(xié)議 TLS 1.2，Session-ID 唯一地標(biāo)識(shí)了 openssl 實(shí)用程序和 Google Web 服務(wù)器之間的連接。Cipher 條目可以按以下方式進(jìn)行解析：
ECDHE（橢圓曲線 Diffie-Hellman（臨時(shí)））是一種用于管理 TLS 握手的高效的有效算法。尤其是，ECDHE 通過(guò)確保連接雙方（例如，client程序和 Google Web 服務(wù)器）使用相同的加密/解密密鑰（稱為會(huì)話密鑰）來(lái)解決“密鑰分發(fā)問(wèn)題”。后續(xù)文章會(huì)深入探討該細(xì)節(jié)。RSA（Rivest Shamir Adleman）是主要的公共密鑰密碼系統(tǒng)，并以 1970 年代末首次描述了該系統(tǒng)的三位學(xué)者的名字命名。這個(gè)正在使用的密鑰對(duì)是使用 RSA 算法生成的。-
AES128（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）是一種塊式加密算法，用于加密和解密位塊。（另一種算法是流式加密算法，它一次加密和解密一個(gè)位。）這個(gè)加密算法是對(duì)稱加密算法，因?yàn)槭褂猛粋€(gè)密鑰進(jìn)行加密和解密，這首先引起了密鑰分發(fā)問(wèn)題。AES 支持 128（此處使用）、192 和 256 位的密鑰大?。好荑€越大，安全性越好。通常，像 AES 這樣的對(duì)稱加密系統(tǒng)的密鑰大小要小于像 RSA 這樣的非對(duì)稱（基于密鑰對(duì)）系統(tǒng)的密鑰大小。例如，1024 位 RSA 密鑰相對(duì)較小，而 256 位密鑰則當(dāng)前是 AES 最大的密鑰。
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GCM（伽羅瓦計(jì)數(shù)器模式）處理在安全對(duì)話期間重復(fù)應(yīng)用的加密算法（在這種情況下為 AES128）。AES128 塊的大小僅為 128 位，安全對(duì)話很可能包含從一側(cè)到另一側(cè)的多個(gè) AES128 塊。GCM 非常有效，通常與 AES128 搭配使用。 -
SHA256（256 位安全哈希算法）是我們正在使用的加密哈希算法。生成的哈希值的大小為 256 位，盡管使用 SHA 甚至可以更大。
加密算法套件正在不斷發(fā)展中。例如，不久前，Google 使用 RC4 流加密算法（RSA 的 Ron Rivest 后來(lái)開發(fā)的 Ron’s Cipher 版本 4）。 RC4 現(xiàn)在有已知的漏洞，這大概部分導(dǎo)致了 Google 轉(zhuǎn)換為 AES128。
總結(jié)
我們通過(guò)安全的 C Web 客戶端和各種命令行示例對(duì) OpenSSL 做了首次了解，使一些需要進(jìn)一步闡明的主題脫穎而出。下一篇文章會(huì)詳細(xì)介紹，從加密散列開始，到對(duì)數(shù)字證書如何應(yīng)對(duì)密鑰分發(fā)挑戰(zhàn)為結(jié)束的更全面討論。
