OpenSSL 使用指南

OpenSSL 使用指南

 

 

目录

•  介绍

•  编译

•  运行 OpenSSL.exe

•  算法编程 API

4.1 对称算法

4.1.1 DES

4.1.2 A ES

4.1.3 RC4

4.1.4 EVP_

4.2 公钥算法

4.3 Hash 算法

4.4 随机数算法

•  SSL 协议编程 API

•  CA 和证书

•   

•  参考网址

•   

•  示例程序

•   

 

•  介绍

OpenSSL 是使用非常广泛的 SSL 的开源实现。由于其中实现了为 SSL 所用的各种加密算法，因此 OpenSSL 也是被广泛使用的加密函数库。

1.1 SSL

SSL(Secure Socket Layer) 安全协议是由 Netscape 公司首先提出，最初用在保护 Navigator 浏览器和 Web 服务器之间的 HTTP 通信 ( 即 HTTPS) 。后来 SSL 协议成为传输层安全通信事实上的标准，并被 IETF 吸收改进为 TLS(Transport Layer Security) 协议。

SSL/TLS 协议位于 TCP 协议和应用层协议之间，为传输双方提供认证、加密和完整性保护等安全服务。 SSL 作为一个协议框架，通信双方可以选用合适的对称算法、公钥算法、 MAC 算法等密码算法实现安全服务。

1.2 OpenSSL

OpenSSL 是著名的 SSL 的开源实现，是用 C 语言实现的。

OpenSSL 的前身是 SSLeay ，一个由 Eric Young 开发的 SSL 的开源实现，支持 SSLv2/v3 和 TLSv1 。

伴随着 SSL 协议的普及应用， OpenSSL 被广泛应用在基于 TCP/Socket 的网络程序中，尤其是 OpenSSL 和 Apache 相结合，是很多电子商务网站服务器的典型配置。

 

•  编译和安装 OpenSSL

OpenSSL 开放源代码，这对学习、分析 SSL 和各种密码算法提供了机会，也便于在上面进一步开发。

2.1 获得 OpenSSL

到 OpenSSL 的网站即可下载当前版本的 OpenSSL 源代码压缩包。

当前版本 openssl- 0.9.8 .tar.gz ，只有 3M 多，比较精简。解压缩后得到一个目录 openssl-0.9.8 ，共有约 1800 个文件， 15M 。其中 crypto 子目录中是众多密码算法实现， ssl 子目录中是 SSL 协议的实现。

在 Linux 中解压缩：

$tar zxf openssl- 0.9.8 .tar.gz

在 Windows 中可以使用 winzip 或 winrar 。

2.2 编译工具

编译 OpenSSL 需要 Perl 和 C 编译器。在 Windows 下如果要用加密算法的汇编代码实现，还需要 masm 或 nasm 汇编器。 ( 汇编代码可以比 C 代码显著提高密码运算速度 )

Perl 在 Windows 下推荐使用 Active Perl 。

C 编译器可以使用 gcc 。在 W indows 下可以使用 Visual C 编译器。

汇编器推荐使用 nasm 。

这些工具所在目录必须加入到 PATH 环境变量中去。

2.3 编译和安装步骤

查看 readme 是个好习惯。从 readme 了解到需要进一步查看 INSTALL 和 INSTALL.W32 文件。

在 Windows 中：

>perl Configure VC-WIN32

>ms\do_nasm ( 如果不使用汇编代码实现，则可 >ms\do_ms)

>nmake -f ms\ntdll.mak

>cd out32dll

>..\ms\test

编译结果得到头文件、链接库、运行库和 openssl.exe 工具。头文件位于 ./inc32 或者 ./inculde 目录，有一个 openssl 子目录，内有几十个 .h 文件。链接库即 ./out32dll 目录中的 libeay32.lib 和 ssleay32.lib ，分别是密码算法相关的和 ssl 协议相关的。运行库是 ./out32dll 目录中的 libeay32.dll 和 ssleay32.dll ，和链接库相对应。在 ./out32dll 中还有一个工具 openssl.exe ，可以直接用来测试性能、产生 RSA 密钥、加解密文件，甚至可以用来维护一个测试用的 CA 。

在 Linux 中的编译和安装步骤较简单 ：

$./config

$make

$make test

$make install

在 Linux 下，头文件、库文件、工具都已被安装放到了合适的位置。库文件是 .a 或 .so 格式。

 

•  使用 OpenSSL.exe

使用 OpenSSL.exe(Linux 中可执行文件名是 openssl) 可以做很多工作，是一个很好的测试或调试工具。

3.1 版本和编译参数

显示版本和编译参数： >openssl version -a

3.2 支持的子命令、密码算法

查看支持的子命令： >openssl ?

SSL 密码组合列表： >openssl ciphers

3.3 测试密码算法速度

测试所有算法速度： >openssl speed

测试 RSA 速度： >openssl speed rsa

测试 DES 速度： >openssl speed des

3.4 RSA 密钥操作

产生 RSA 密钥对： >openssl genrsa -out 1.key 1024

取出 RSA 公钥： >openssl rsa -in 1.key -pubout -out 1.pubkey

3.5 加密文件

加密文件： >openssl enc -e -rc4 -in 1.key -out 1.key.enc

解密文件： >openssl enc -d -rc4 -in 1.key.enc -out 1.key.dec

3.6 计算 Hash 值

计算文件的 MD5 值： >openssl md5 < 1.key

计算文件的 SHA1 值： >openssl sha1 < 1.key

 

•  算法编程 API

OpenSSL 中支持众多的密码算法，并提供了很好的封装和接口。密码算法主要分为如下几类：对称算法、公钥算法、散列算法、随机数产生算法等。

OpenSSL 的目标是实现安全协议。其中相关协议和标准包括： SSL/TLS 、 PKCS#1 、 PCKS#10 、 X.509 、 PEM 、 OCSP 等。

4.1 对称算法接口

OpenSSL 中实现的对称算法太多，举三个例子： DES 、 AES 、 RC4 。

4.1.1 DES

DES 加密算法是分组算法。 DES 的基本操作是把 64 比特明文在 56 比特密钥指引下加密成 64 比特密文。在实际使用中把密钥看作 64 比特可以更方便。

DES （ IN ， KEY ） = OUT

(1) DES ECB 模式

在 OpenSSL 中 ECB 操作模式对应的函数是 DES_ecb_encrypt() ，该函数把一个 8 字节明文分组 input 加密成为一个 8 字节密文分组 output 。参数中密钥结构 ks 是用函数 DES_set_key() 准备好的，而密钥 key 是用随机数算法产生的 64 个随机比特。参数 enc 指示是加密还是解密。该函数每次只加密一个分组，因此用来加密很多数据时不方便使用。

void DES_ecb_encrypt(const_DES_cblock *input,DES_cblock *output, DES_key_schedule *ks,int enc);

int DES_set_key(const_DES_cblock *key,DES_key_schedule *schedule);

(2) DES CBC 模式

DES 算法 CBC 操作模式加解密函数是 DES_ncbc_encrypt() 。参数 length 指示输入字节长度。如果长度不是 8 字节的倍数，则会被用 0 填充到 8 字节倍数。因此，输出可能比 length 长，而且必然是 8 字节的倍数。

void DES_ncbc_encrypt(const unsigned char *input,unsigned char *output, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int enc);

(3) DES CFB 模式

DES 算法 CFB 操作模式加解密函数是 DES_cfb_encrypt() 。参数 length 指示输入字节长度。参数 numbits 则指示了 CFB 每次循环加密多少明文比特，也即密文反馈的比特数目。 ivec 是初始向量，被看做第 0 个密文分组，是不用保密但应随机取值的 8 个字节。如果在一次会话中数次调用 DES_cfb_encrypt() ，则应该记忆 ivec 。由于 CFB 模式中每次 DES 基本操作只加密 numbits 比特明文，因此如果 numbits 太小则效率太低。

void DES_cfb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, int numbits, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int enc);

另有一个 numbit 是 64 比特的版本，既高效又没有填充的麻烦，推荐使用。 num 中的返回值指示了 ivec 中的状态，是和下次调用衔接的。

void DES_cfb64_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int *num, int enc) ；

(4) DES OFB 模式

OFB 和 CFB 类似，也有两个函数，用法一样。

void DES_ofb_encrypt(const unsigned char *in,unsigned char *out,int numbits,long length,DES_key_schedule *schedule,DES_cblock *ivec);

void DES_ofb64_encrypt(const unsigned char *in,unsigned char *out,long length,DES_key_schedule *schedule,DES_cblock *ivec,int *num);

(5) DES 函数示例程序

见附件 A.1 。

4.1.2 A ES

AES 加密算法是分组算法。典型参数的 AES 的基本操作是把 128 比特明文在 128 比特密钥指引下加密成 128 比特密文。

AES （ IN ， KEY ） = OUT

OpenSSL 中关于 AES 的函数名和参数接口和 DES 的雷同。相关函数名如下 ( 参数略 ) 。

int AES_set_encrypt_key();

int AES_set_decrypt_key();

void AES_ecb_encrypt();

void AES_cbc_encrypt();

void AES_cfb128_encrypt();

void AES_ofb128_encrypt();

AES 示例程序见附件 A.2 。

4.1.3 RC4

RC4 密码算法是流算法，也叫序列算法。流算法是从密钥作为种子产生密钥流，明文比特流和密钥流异或即加密。 RC4 算法由于算法简洁，速度极快，密钥长度可变，而且也没有填充的麻烦，因此在很多场合值得大力推荐。

OpenSSL 中 RC4 算法有两个函数 : RC4_set_key() 设置密钥， RC4() 加解密。可以把 RC4 看作异或，因此加密两次即解密。

void RC4_set_key(RC4_KEY *key, int len, const unsigned char *data);

void RC4(RC4_KEY *key, unsigned long len, const unsigned char *indata, unsigned char *outdata);

RC4 示例程序见附件 A.3 。

例子 A.3.(1) 是利用 OpenSSL 动态库函数。例子 A.3.(2) 是把 RC4 的实现代码从 OpenSSL 中分离出来的。例子 A.3.(3) 是另一个演示实现。

4.2 公钥算法

OpenSSL 中实现了 RSA 、 DSA 、 ECDSA 等公钥算法。

4.2.1 RSA

RSA 是分组算法，典型的密钥模长度 1024 比特时，分组即是 1024 比特，即 128 字节。

(1) RSA 密钥

RSA 密钥产生函数 RSA_generate_key() ，需要指定模长比特数 bits 和公钥指数 e 。另外两个参数为 NULL 即可。

RSA * RSA_generate_key(int bits, unsigned long e, void (*callback) (int,int,void *),void *cb_arg);

如果从文件中读取密钥，可使用函数 PEM_read_bio_PrivateKey()/ PEM_read_bio_PUBKEY(); EVP_PKEY 中包含一个 RSA 结构，可以引用。

EVP_PKEY *PEM_read_bio_PrivateKey(BIO *bp, EVP_PKEY **x, pem_password_cb *cb, void *u);

(2) RSA 加密解密

RSA 加密函数 RSA_public_encrypt() 使用公钥部分，解密函数 RSA_private_decrypt() 使用私钥。填充方式常用的有两种 RSA_PKCS1_PADDING 和 RSA_PKCS1_OAEP_PADDING 。出错时返回 -1 。输入必须比 RSA 钥模长短至少 11 个字节（在 RSA_PKCS1_PADDING 时？）。输出长度等于 RSA 钥的模长。

int RSA_public_encrypt(int flen, const unsigned char *from,unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);

int RSA_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from,unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);

(3) 签名和验证

签名使用私钥，验证使用公钥。 RSA 签名是把被签署消息的散列值编码后用私钥加密，因此函数中参数 type 用来指示散列函数的类型，一般是 NID_md5 或 NID_sha1 。正确情况下返回 0 。

int RSA_sign(int type, const unsigned char *m, unsigned int m_length, unsigned char *sigret, unsigned int *siglen, RSA *rsa);

int RSA_verify(int type, const unsigned char *m, unsigned int m_length, unsigned char *sigbuf, unsigned int siglen, RSA *rsa);

(4) RSA 函数示例程序

RSA 示例程序见附件 A.4 。

例子 A.4.(1) 是加密解密例子。例子 A.4.(2) 是签名验证例子。

4.2.2 DSA

（ TOBE ）

4.2.2 ECDSA

（ or NOT TOBE ）

4.3 Hash 算法

Hash 算法举 MD5 和 SHA1 两个例子。 Hash 算法重复接收用户输入，直到最后一次结束时输出散列结果。

4.3.1 MD5

MD5 算法输出的散列值是 16 字节。

int MD5_Init(MD5_CTX *c);

int MD5_Update(MD5_CTX *c, const void *data, size_t len);

int MD5_Final(unsigned char *md, MD5_CTX *c);

4.3.2 SHA1

SHA1 算法输出的散列值是 20 字节。

int SHA1_Init(SHA_CTX *c);

int SHA1_Update(SHA_CTX *c, const void *data, size_t len);

int SHA1_Final(unsigned char *md, SHA_CTX *c);

4.3.3 MD5 例子

MD5 示例程序见附件 A.5 。

md5sum 这是一个实用小工具，可以计算一个文件的 MD5 值。

4.4 随机数算法

随机性是密码安全的基石。为了产生安全的伪随机数，必须有好的随机因素作为种子。 OpenSSL 在内部做了努力，但是仍建议在实用随机数产生函数之前添加随机因素。

函数 RAND_add() 可以添加随机因素到内部状态中去。然后，即可以使用 RAND_bytes() 获得随机数。

void RAND_add(const void *buf,int num,double entropy);

int RAND_bytes(unsigned char *buf,int num);

 

•  SSL 协议编程 API

5.1 客户端

5.2 服务器端

5.3 SSL 示例程序

参见 A.6 。

 

•  CA 和证书

6.1 OpenSSL 中 CA 的配置

6.2 配置示例

参见 A.7.(1) 。

6.3 证书解析

6.4 解析示例程序

参见 A.7.(2) 。

 

•   

 

•  参考网址

SSL 3.0 Specification

Transp ort Layer Security (tls) Charter

OpenSSL: The Open Source toolkit for SSL/TLS

SSLeay

OpenSSL 中文论坛

Perl

NASM

 

•   

 

•  示例程序

注 : 此嵌入的文件对象可以被拖放到磁盘目录中去。

•  DES 示例程序

•  AES 示例程序

•  RC4 示例程序

（ 1 ）． （ 2 ）． （ 3 ）

•  RSA 示例程序

（ 1 ）． （ 2 ）．

•  Hash 算法示例程序

•  SSL 示例程序

•  CA 配置示例和证书解析示例程序

(1). (2).