OpenSSL入门：密码学基础知识

想要入门密码学的基础知识，尤其是有关 OpenSSL 的入门知识吗？继续阅读。

本文是使用 OpenSSL 的密码学基础知识的两篇文章中的第一篇，OpenSSL 是在 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，请参阅这里。）OpenSSL 实用程序可在命令行使用，程序也可以调用 OpenSSL 库中的函数。本文的示例程序使用的是 C 语言，即 OpenSSL 库的源语言。

本系列的两篇文章涵盖了加密哈希、数字签名、加密和解密以及数字证书。你可以从我的网站的 ZIP 文件中找到这些代码和命令行示例。

让我们首先回顾一下 OpenSSL 名称中的 SSL。

OpenSSL 简史

安全套接字层Secure Socket Layer（SSL）是 Netscape 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 提供了 S：安全secure。SSL 协议提供了各种安全服务，其中包括两项在 HTTPS 中至关重要的服务：

• 对等身份验证Peer authentication（也称为相互质询）：连接的每一边都对另一边的身份进行身份验证。如果 Alice 和 Bob 要通过 SSL 交换消息，则每个人首先验证彼此的身份。
• 机密性Confidentiality：发送者在通过通道发送消息之前先对其进行加密。然后，接收者解密每个接收到的消息。此过程可保护网络对话。即使窃听者 Eve 截获了从 Alice 到 Bob 的加密消息（即中间人攻击），Eve 会发现他无法在计算上解密此消息。

反过来，这两个关键 SSL 服务与其他不太受关注的服务相关联。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。此功能是通过哈希函数实现的，哈希函数也随 OpenSSL 工具箱一起提供。

SSL 有多个版本（例如 SSLv2 和 SSLv3），并且在 1999 年出现了一个基于 SSLv3 的类似协议传输层安全性Transport Layer Security（TLS）。TLSv1 和 SSLv3 相似，但不足以相互配合工作。不过，通常将 SSL/TLS 称为同一协议。例如，即使正在使用的是 TLS（而非 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 openssl 开始。

除了 man 页面之外，OpenSSL 的文档是零零散散的，鉴于 OpenSSL 工具包很大，这些页面很难以查找使用。命令行和代码示例可以将主要主题集中起来。让我们从一个熟悉的示例开始（使用 HTTPS 访问网站），然后使用该示例来选出我们感兴趣的加密部分进行讲述。

一个 HTTPS 客户端

此处显示的 client 程序通过 HTTPS 连接到 Google：

1. /* compilation: gcc -o client client.c -lssl -lcrypto */
2. #include <stdio.h>
3. #include <stdlib.h>
4. #include <openssl/bio.h> /* BasicInput/Output streams */
5. #include <openssl/err.h> /* errors */
6. #include <openssl/ssl.h> /* core library */
7. #define BuffSize 1024
8.  
9. void report_and_exit(const char* msg) {
10. perror(msg);
11. ERR_print_errors_fp(stderr);
12. exit(-1);
13. }
14.  
15. void init_ssl() {
16. SSL_load_error_strings();
17. SSL_library_init();
18. }
19.  
20. void cleanup(SSL_CTX* ctx, BIO* bio) {
21. SSL_CTX_free(ctx);
22. BIO_free_all(bio);
23. }
24.  
25. void secure_connect(const char* hostname) {
26. char name[BuffSize];
27. char request[BuffSize];
28. char response[BuffSize];
29.  
30. const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method();
31. if (NULL == method) report_and_exit("TLSv1_2_client_method...");
32.  
33. SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method);
34. if (NULL == ctx) report_and_exit("SSL_CTX_new...");
35.  
36. BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);
37. if (NULL == bio) report_and_exit("BIO_new_ssl_connect...");
38.  
39. SSL* ssl = NULL;
40.  
41. /* 链路 bio 通道，SSL 会话和服务器端点 */
42.  
43. sprintf(name, "%s:%s", hostname, "https");
44. BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 会话 */
45. SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 鲁棒性 */
46. BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 准备连接 */
47.  
48. /* 尝试连接 */
49. if (BIO_do_connect(bio) <= 0) {
50. cleanup(ctx, bio);
51. report_and_exit("BIO_do_connect...");
52. }
53.  
54. /* 验证信任库，检查证书 */
55. if (!SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,
56. "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt", /* 信任库 */
57. "/etc/ssl/certs/")) /* 其它信任库 */
58. report_and_exit("SSL_CTX_load_verify_locations...");
59.  
60. long verify_flag = SSL_get_verify_result(ssl);
61. if (verify_flag != X509_V_OK)
62. fprintf(stderr,
63. "##### Certificate verification error (%i) but continuing...\n",
64. (int) verify_flag);
65.  
66. /* 获取主页作为示例数据 */
67. sprintf(request,
68. "GET / HTTP/1.1\x0D\x0AHost: %s\x0D\x0A\x43onnection: Close\x0D\x0A\x0D\x0A",
69. hostname);
70. BIO_puts(bio, request);
71.  
72. /* 从服务器读取 HTTP 响应并打印到输出 */
73. while (1) {
74. memset(response, '\0', sizeof(response));
75. int n = BIO_read(bio, response, BuffSize);
76. if (n <= 0) break; /* 0 代表流结束，< 0 代表有错误 */
77. puts(response);
78. }
79.  
80. cleanup(ctx, bio);
81. }
82.  
83. int main() {
84. init_ssl();
85.  
86. const char* hostname = "www.google.com:443";
87. fprintf(stderr, "Trying an HTTPS connection to %s...\n", hostname);
88. secure_connect(hostname);
89.  
90. return 0;
91. }

可以从命令行编译和执行该程序（请注意 -lssl 和 -lcrypto 中的小写字母 L）：

1. gcc -o client client.c -lssl -lcrypto

该程序尝试打开与网站 www.google.com 的安全连接。在与 Google Web 服务器的 TLS 握手过程中，client 程序会收到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了）。尽管如此，client 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，尽管在上述代码中只着重突出了数字证书。但其它工件仍在幕后发挥作用，稍后将对它们进行详细说明。

通常，打开 HTTP（非安全）通道的 C 或 C++ 的客户端程序将使用诸如文件描述符或网络套接字之类的结构，它们是两个进程（例如，这个 client 程序和 Google Web 服务器）之间连接的端点。另一方面，文件描述符是一个非负整数值，用于在程序中标识该程序打开的任何文件类的结构。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结构不会出现在客户端程序中，因为 OpenSSL 库会将套接字基础设施和地址规范等封装在更高层面的安全结构中。其结果是一个简单的 API。下面首先看一下 client 程序示例中的安全性详细信息。

• 该程序首先加载相关的 OpenSSL 库，我的函数 init_ssl 中对 OpenSSL 进行了两次调用：

  1. SSL_load_error_strings();
  2. SSL_library_init();

• 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。如对 OpenSSL 库函数的调用所示，在示例中使用了 TLS 1.2：

  1. const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method(); /* TLS 1.2 */

  如果调用成功，则将 method 指针被传递给库函数，该函数创建类型为 SSL_CTX 的上下文：

  1. SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method);

  client 程序会检查每个关键的库调用的错误，如果其中一个调用失败，则程序终止。

• 现在还有另外两个 OpenSSL 工件也在发挥作用：SSL 类型的安全会话，从头到尾管理安全连接；以及类型为 BIO（基本输入/输出Basic Input/Output）的安全流，用于与 Web 服务器进行通信。BIO 流是通过以下调用生成的：

  1. BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);

  请注意，这个最重要的上下文是其参数。BIO 类型是 C 语言中 FILE 类型的 OpenSSL 封装器。此封装器可保护 client 程序与 Google 的网络服务器之间的输入和输出流的安全。

• 有了 SSL_CTX 和 BIO，然后程序在 SSL 会话中将它们组合在一起。三个库调用可以完成工作：

  1. BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 会话 */
  2. SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 鲁棒性 */
  3. BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 准备连接 */

  安全连接本身是通过以下调用建立的：

  1. BIO_do_connect(bio);

  如果最后一个调用不成功，则 client 程序终止；否则，该连接已准备就绪，可以支持 client 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，client 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，client 程序不会发送自己的证书，这意味着这个身份验证是单向的。（Web 服务器通常配置为不需要客户端证书）尽管对 Web 服务器证书的验证失败，但 client 程序仍通过了连接到 Web 服务器的安全通道继续获取 Google 主页。

为什么验证 Google 证书的尝试会失败？典型的 OpenSSL 安装目录为 /etc/ssl/certs，其中包含 ca-certificates.crt 文件。该目录和文件包含着 OpenSSL 自带的数字证书，以此构成信任库truststore。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。

client 程序从 Google Web 服务器收到了三个证书，但是我的计算机上的 OpenSSL 信任库并不包含完全匹配的证书。如目前所写，client 程序不会通过例如验证 Google 证书上的数字签名（一个用来证明该证书的签名）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，client 程序仍继续获取页面，然后打印出 Google 的主页。下一节将更详细地介绍这些。

客户端程序中隐藏的安全性

让我们从客户端示例中可见的安全工件（数字证书）开始，然后考虑其他安全工件如何与之相关。数字证书的主要格式标准是 X509，生产级的证书由诸如 Verisign 的证书颁发机构Certificate Authority（CA）颁发。

数字证书中包含各种信息（例如，激活日期和失效日期以及所有者的域名），也包括发行者的身份和数字签名（这是加密过的加密哈希值）。证书还具有未加密的哈希值，用作其标识指纹。

哈希值来自将任意数量的二进制位映射到固定长度的摘要。这些位代表什么（会计报告、小说或数字电影）无关紧要。例如，消息摘要版本 5Message Digest version 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 1Secure Hash Algorithm version 1）算法将输入位映射到 160 位哈希值。不同的输入位会导致不同的（实际上在统计学上是唯一的）哈希值。下一篇文章将会进行更详细的介绍，并着重介绍什么使哈希函数具有加密功能。

数字证书的类型有所不同（例如根证书、中间证书和最终实体证书），并形成了反映这些证书类型的层次结构。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 数据类型以及处理此类证书的函数。来自 Google 的证书具有 X509 格式，client 程序会检查该证书是否为 X509_V_OK。

X509 证书基于公共密钥基础结构public-key infrastructure（PKI），其中包括的算法（RSA 是占主导地位的算法）用于生成密钥对：公共密钥及其配对的私有密钥。公钥是一种身份：Amazon 的公钥对其进行标识，而我的公钥对我进行标识。私钥应由其所有者负责保密。

成对出现的密钥具有标准用途。可以使用公钥对消息进行加密，然后可以使用同一个密钥对中的私钥对消息进行解密。私钥也可以用于对文档或其他电子工件（例如程序或电子邮件）进行签名，然后可以使用该对密钥中的公钥来验证签名。以下两个示例补充了一些细节。

在第一个示例中，Alice 将她的公钥分发给全世界，包括 Bob。然后，Bob 用 Alice 的公钥加密邮件，然后将加密的邮件发送给 Alice。用 Alice 的公钥加密的邮件将可以用她的私钥解密（假设是她自己的私钥），如下所示：

1. +------------------+ encrypted msg +-------------------+
2. Bob's msg--->|Alice's public key|--------------->|Alice's private key|---> Bob's msg
3. +------------------+ +-------------------+

理论上可以在没有 Alice 的私钥的情况下解密消息，但在实际情况中，如果使用像 RSA 这样的加密密钥对系统，则在计算上做不到。

现在，第二个示例，请对文档签名以证明其真实性。签名算法使用密钥对中的私钥来处理要签名的文档的加密哈希：

1. +-------------------+
2. Hash of document--->|Alice's private key|--->Alice's digital signature of the document
3. +-------------------+

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 Alice 密钥对中的公钥来验证签名：

1. +------------------+
2. Alice's digital signature of the document--->|Alice's public key|--->verified or not
3. +------------------+

假若没有 Alice 的私钥，就无法轻松伪造 Alice 的签名：因此，Alice 有必要保密她的私钥。

在 client 程序中，除了数字证书以外，这些安全性都没有明确展示。下一篇文章使用使用 OpenSSL 实用程序和库函数的示例填充更多详细的信息。

命令行的 OpenSSL

同时，让我们看一下 OpenSSL 命令行实用程序：特别是在 TLS 握手期间检查来自 Web 服务器的证书的实用程序。调用 OpenSSL 实用程序可以使用 openssl 命令，然后添加参数和标志的组合以指定所需的操作。

看看以下命令：

1. openssl list-cipher-algorithms

该输出是组成加密算法套件cipher suite的相关算法的列表。下面是列表的开头，加了澄清首字母缩写词的注释：

1. AES-128-CBC ## Advanced Encryption Standard, Cipher Block Chaining
2. AES-128-CBC-HMAC-SHA1 ## Hash-based Message Authentication Code with SHA1 hashes
3. AES-128-CBC-HMAC-SHA256 ## ditto, but SHA256 rather than SHA1
4. ...

下一条命令使用参数 s_client 将打开到 www.google.com 的安全连接，并在屏幕上显示有关此连接的所有信息：

1. openssl s_client -connect www.google.com:443 -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）Web 地址 www.google.com:443 也出现在 client 程序的代码中。如果尝试连接成功，则将显示来自 Google 的三个数字证书以及有关安全会话、正在使用的加密算法套件以及相关项目的信息。例如，这是开头的部分输出，它声明证书链即将到来。证书的编码为 base64：

1. Certificate chain
2. 0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google LLC/CN=www.google.com
3. i:/C=US/O=Google Trust Services/CN=Google Internet Authority G3
4. -----BEGIN CERTIFICATE-----
5. MIIEijCCA3KgAwIBAgIQdCea9tmy/T6rK/dDD1isujANBgkqhkiG9w0BAQsFADBU
6. MQswCQYDVQQGEwJVUzEeMBwGA1UEChMVR29vZ2xlIFRydXN0IFNlcnZpY2VzMSUw
7. ...

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，包括加密算法套件的详细信息：

1. SSL-Session:
2.     Protocol : TLSv1.2
3.     Cipher : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256
4.     Session-ID: A2BBF0E4991E6BBBC318774EEE37CFCB23095CC7640FFC752448D07C7F438573
5. ...

client 程序中使用了协议 TLS 1.2，Session-ID 唯一地标识了 openssl 实用程序和 Google Web 服务器之间的连接。Cipher 条目可以按以下方式进行解析：

• ECDHE（椭圆曲线 Diffie-Hellman（临时）Elliptic Curve Diffie Hellman Ephemeral）是一种用于管理 TLS 握手的高效的有效算法。尤其是，ECDHE 通过确保连接双方（例如，client 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”。后续文章会深入探讨该细节。
• RSA（Rivest Shamir Adleman）是主要的公共密钥密码系统，并以 1970 年代末首次描述了该系统的三位学者的名字命名。这个正在使用的密钥对是使用 RSA 算法生成的。

• AES128（高级加密标准Advanced Encryption Standard）是一种块式加密算法block cipher，用于加密和解密位块blocks of bits。（另一种算法是流式加密算法stream cipher，它一次加密和解密一个位。）这个加密算法是对称加密算法，因为使用同一个密钥进行加密和解密，这首先引起了密钥分发问题。AES 支持 128（此处使用）、192 和 256 位的密钥大小：密钥越大，安全性越好。

  通常，像 AES 这样的对称加密系统的密钥大小要小于像 RSA 这样的非对称（基于密钥对）系统的密钥大小。例如，1024 位 RSA 密钥相对较小，而 256 位密钥则当前是 AES 最大的密钥。

• GCM（伽罗瓦计数器模式Galois Counter Mode）处理在安全对话期间重复应用的加密算法（在这种情况下为 AES128）。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Secure Hash Algorithm 256 bits）是我们正在使用的加密哈希算法。生成的哈希值的大小为 256 位，尽管使用 SHA 甚至可以更大。

加密算法套件正在不断发展中。例如，不久前，Google 使用 RC4 流加密算法（RSA 的 Ron Rivest 后来开发的 Ron’s Cipher 版本 4）。 RC4 现在有已知的漏洞，这大概部分导致了 Google 转换为 AES128。

总结

我们通过安全的 C Web 客户端和各种命令行示例对 OpenSSL 做了首次了解，使一些需要进一步阐明的主题脱颖而出。下一篇文章会详细介绍，从加密散列开始，到对数字证书如何应对密钥分发挑战为结束的更全面讨论。