分类： C/C++
2017-07-12 13:57:51
一、加密和算法
1.1 散列(hash)
Hash，一般翻译做""，也有直接音译为""的，就是把任意长度的输入，通过，变换成固定长度的输出，该输出就是。常用的散列函数是SHA1和MD5。
哈希是单向的，不可通过散列值得到原文；
不同的内容做散列计算，计算出的散列值为相同的概率几乎等于0；
哈希主要用在：文件校验、数字签名、快速查找等。
例如，文件校验：
1.2 对称加密(Symmetric Cryptography)
需要对加密和解密使用相同的。由于其速度快，对称性加密通常在消息发送方需要加密大量数据时使用。但是管理密钥不方便，要求共享密钥。如果N个人相互之间都要用对称加密进行通讯，则每个人维护的密钥是N-1个。
目前流行的对称加密算法有AES、、、、RC2、RC4、等等。
1.3 非对称加密(Asymmetric Cryptography)
与对称加密不同，需要两个：（publickey）和私有密钥（privatekey）。与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的，所以这种算法叫作。非对称加密算法的优点是密钥管理很方便，缺点是速度慢。
通常来讲，公钥是每个人都能得到的，私钥是只有自己持有；
A与B之间进行通信，安全的方式：
1. A给B发送消息，使用B的公钥进行加密，然后发给B，只有B用私钥才能解密成明文；
2. B给A发送消息，使用A的公钥进行加密，然后发给A，只有A用私钥才能解密成明文；
A获取B的公钥，必须是安全的方式；B获取A的公钥，也必须是安全的方式；
1.4 数字签名(Digital Signature)
现实生活中，我们用签名来证明某个东西是与签名者相关的，是不可否认的，不可伪造的；
在虚拟世界里，我们有数字签名来帮助证明某个文档是你创建的，或者是你认可的。数字签名所用的技术是散列和非对称加密。
基于前面非对称加密的介绍，对签名的信息进行散列计算，用私钥对这个散列值进行加密；这样就得到一个签名。
当用户B比对散列值3与散列值2是否相同，如果相同则认为是A签名的，否则不是。
二、数字证书
如果现实生活中是用身份证来证明身份，那么在虚拟世界中，则会使用数字证书来证明身份。并不是每个人都需要用数字证书来证明身份，那么什么情况下，会使用数字证书来证明身份呢？普通用户一般情况下，不需要证明自己的身份，大部分网站不关心是谁访问了网站，现在的网站只关心流量啊~反过来，网站就需要证明自己的身份了。比如你想要提交信用卡信息给预定航班的网站，那么你如何确定你正在访问的网站就是你所想要访问的那个呢？现在很多的。比如你想访问的是“”，但其实你访问的是“”，所以在提交自己的信息之前你需要验证一下网站的身份，要求网站出示数字证书。一般正常的网站都会主动出示自己的数字证书。由于证书在网页浏览中最为常见，所以我下面举的例子都是基于浏览器的。
2.1 数字证书的构成
我们的身份证是由公安机关颁发的，并加有很多防伪技术，不能伪造（或者说很难）。同样的，数字证书也有专门的发证机关（Certificate Authority，简称CA，其实是一些商业公司啦）。比较常见的发证机关是。数字证书的发证机关会对自己发放的证书加上自己的数字签名，以保证证书不能被伪造。那数字证书到底包含了些什么呢？
1. 持有者姓名（Common Name）
2. 发证机关（Issuer）
3. 有效日期（Validity）
4. 证书持有人的公钥（Subject’s Public Key Info）
5. 扩展信息 （Extension）
6. 用发证机关对该证书的数字签名（Certificate Signature）
基本信息就这些了（这些信息会在后面的章节有所解释），为了更清晰的说明问题，来几张截图（火狐->工具->选项->高级->证书->查看证书）：
从图4我们可以看到，Certificate（证书）和Signature（签名）是分开的，但其实这个Signature也是证书的一部分。可以这么理解，数字证书包含证书主体和数字签名。证书中的签名是对证书主体的签名。
2.2 如何验证数字证书
当浏览器拿到一个数字证书：
1. 先看发证机关(图5)，主要是看以下三个：Organization Name(O)，Organizational Unit Name(OU)，Common Name(CN)
2. 找到相应的发证机关的证书，获得发证机关的公钥，用此公钥解密被加密的SHA1，这样就获得了此证书的SHA1值，我们称它为Hash1（图6、图7）。
3. 浏览器用SHA1算法对此证书重新计算一遍SHA1，获得Hash2。
4. 然后比较Hash1和Hash2是否相等。如果相等就证明这张证书是由发证机关颁发的，并且没有被篡改过。
5. 验证证书持有者
经过上述的证书验证后，可以认为证书没问题，是可靠的。但是还需要做一步，需要查看下发送者是否是证书的持有者（也就是通常意义上的身份证上的照片是否是本人，看完证件，还要比对下脸）。
通过证书里的公钥加密一段信息发送给证书持有者，如果对方能发送回来（加密的或者明文），说明对方是证书的持有者（也即，对方有对应的私钥）。
6. 核对名字
通常对于用证书来做web服务器的应用来说，证书中的名字(Common name)很重要，一般与根域名相等。如果不相等，则认为证书存在问题。
2.3 证书的级联
所有的证书都是基于另一张证书（可信任证书）进行认证的。换句话说，用一张已知合法的证书来证明另一张未知的证书。发证机关的证书默认是可信任的，这些证书称之为“根证书”。
由于申请证书的人数众多，发证机关忙不过来，这时候需要一些代理来帮忙签发证书，代理可能也需要代理来帮忙签发证书。这样就存在了层级关系：
这里的”USERTrust Legacy Secure Server CA”是由根证书”AddTrust External CA Root”签发的。验证这张证书的时候，需要从下往上递归验证。
是否是CA证书，可以看下扩展信息中的”基本约束”，如下图：
三、SSL的基本原理
现在回到我们最原始的问题，由于Internet的架构问题，信息在网络上传输是很容易被别人获取的，那如何建立一个安全的传输网络呢？前面我们讨论了很多保证信息安全的技术，而SSL就是建立在这些技术的基础上的一套协议，用来保证通信的安全。SSL全称是 Secure Sockets Layer，它是一种间于传输层（比如TCP/IP）和应用层（比如HTTP）的协议。具体的SSL协议很复杂，我这里只讲一个大概。
最简单的方法来保证通信安全是用非对称加密。我们前面讲过数字证书的认证，如果双方都认证了对方的数字证书，那么每次传输信息的时候都用对方的公钥加密，这样就只有对方能解密，从而保证了信息的安全。但是对于日常应用（比如网页浏览）有两个问题：
1.非对称加密速度缓慢，消耗资源
如果客户端和服务器之间传输文件用非对称加密的话，速度一定慢的忍无可忍。
2.不可能要求每个用户都去申请数字证书
申请数字证书是一个相当麻烦的过程，要求每个上网的用户都拥有证书是不可能的事情。
SSL通过“握手协议”和“传输协议”来解决上述问题。握手协议是基于非对称加密的，而传输协议是基于对称加密的。根据不同的应用，SSL对证书的要求也是不一样的，可以是单方认证（比如HTTP, FTP），也可以是双方认证（比如网上银行）。通常情况下，服务器端的证书是一定要具备的，客户端的证书不是必须的。
图10 握手过程
Phase1：
client_hello：包括一个随机数和一系列的可支持的加密组件(以性能高到低的方式排列)
server_hello: 包含一个随机数和一个从客户端发来的组件中选择的加密组件
加密组件：每个加密组件包含一个密钥交换算法、加密算法、MAC算法，例如：TLS_ RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256
密钥交换算法：DH算法、RSA(公钥/私钥)
Phase2(例如使用DH):
server_key_exchange中包括 p、a、S1；
client_key_exchange中包括C1；
最后生成K是共用密钥。
Phase3 ：
客户端的认证：服务器或许会请求客户端发送证书，如果客户端有，则发送证书，如果没有则发送一个no_certificate的警告信息。
如果发送了证书才会有certificate_verify，包括了客户端的认证，包括了一个之前握手消息的散列值。
Phase4：
客户端发送Change Cipher Spec消息，通知SSL服务器后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
SSL客户端计算已交互的握手消息（除Change Cipher Spec消息外所有已交互的消息）的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSL服务器。
SSL服务器利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。
同样地，SSL服务器发送Change Cipher Spec消息，通知SSL客户端后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
SSL服务器计算已交互的握手消息的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSL客户端。SSL客户端利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。
四、openssl开源库的使用（客户端）
openssl开源库的网址，包括源码、文档等内容。这一节，我们主要使用的是ssl/tls库。
1. 初始化
作为一个客户端，首先要初始化一个Context 对象（一个SSL_CTX），这个对象是用来创建一个新的连接对象。Context初始化，包括四个主要的部分，如下：
SSL_METHOD *meth;
SSL_CTX *ctx;
SSL_library_init(); //初始化整个库，加载了一些openssl的算法等内容，只需要在程序启动的时候，初始化一次就可以了。
meth=SSLv23_method(); //用SSL v2 或者V3兼容的方式
ctx=SSL_CTX_new(meth); //创建一个Context对象
/* Load our keys and certificates*/
if(!(SSL_CTX_use_certificate_chain_file(ctx, keyfile))) //加载证书
berr_exit("Can’t read certificate file");
SSL_CTX_set_default_passwd_cb(ctx, password_cb);//如果密码是加密过的，password_cb是个回调函数，可以还原密码
if(!(SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx,keyfile,SSL_FILETYPE_PEM)))//加载私有密钥
berr_exit("Can’t read key file");
/* Load the CAs we trust*/
if(!(SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CA_LIST,0))) //加载可信任的CA证书
berr_exit("Ca’t read CA list");
如果一个client要去执行认证，则需要加载自己的public/private key 对儿和相关证书。
SSL_CTX_use_certificate_chain_file用来加载CA证书；
SSL_CTX_use_PrivateKey_file用来加载私钥，通常密码是加密的，可以通过SSL_CTX_set_default_passwd_cb回调函数来获取密码。
加载根CA列表，如果你要认证对端，则需要知道CA，加载函数：SSL_CTX_load_verify_locations
2. 握手处理
SSL连接的第一步就是要执行SSL握手过程。握手认证server（可选的认证client），并且建立关键材料用来保护后续的数据。SSL_connect()函数用来执行SSL的握手协议。如果使用阻塞协议，SSL_connect会一直阻塞，直到握手完成，或者返回一个错误。SSL_connect返回1表示成功，0或者负数表示一个错误。代码如下：
sock=tcp_connect(host,port); //假设tcp_connect 是用来建立一个tcp连接的函数
ssl = SSL_new(ctx); //初始化TLS/SSL
sbio = BIO_new_socket(sock, BIO_NOCLOSE); //创建一个BIO对象，关联到TCP socket
SSL_set_bio(ssl,sbio,sbio); //将ssl关联到BIO对象上
if(SSL_connect(ssl)<=0) //这里执行握手
berr_exit("SSL connect error");
3. 检查server的证书
X509 *peer;
char peer_CN[256];
if(SSL_get_verify_result(ssl)!=X509_V_OK) //对端发来的证书验证，如果不是X509
berr_exit("Certificate doesn’t verify");
/*Check the common name*/
peer=SSL_get_peer_certificate(ssl); //提取server的证书
X509_NAME_get_text_by_NID(X509_get_subject_name(peer),NID_commonName, peer_CN, 256); //获取Common Name
if(strcasecmp(peer_CN,host))
err_exit ("Common name doesn’t match host name");
4. 读写数据
SSL_write()函数用来发送数据到对端，像write()一样使用。只是传的参数是SSL对象而不是文件描述符。在阻塞的模式，SSL_write()不会返回，直到数据都发送完，或者一个错误返回，然而write可能只写部分数据。注意: SSL_MODE_ENABLE_PARTIAL_WRITE标记使能部分写的功能。代码如下：
r=SSL_write(ssl,request,request_len); //写数据，数据在request中，长度是request_len
switch(SSL_get_error(ssl,r)){
case SSL_ERROR_NONE:
if(request_len!=r)
err_exit("Incomplete write!");
break;
default:
berr_exit("SSL write problem");
break；
}
SSL_read() 用来读取数据，就像read一样，我们选择合适的参数传给SSL_read()。SSL_read返回读到的数据长度。如果不存在数据可读，则SSL _read是阻塞的，会一直等待。
r=SSL_read(ssl,buf,BUFSIZZ); //读取数据
switch(SSL_get_error(ssl,r)){
case SSL_ERROR_NONE:
len=r;
break;
case SSL_ERROR_ZERO_RETURN:
goto shutdown;
case SSL_ERROR_SYSCALL:
fprintf(stderr,"SSL Error: Premature close0);
goto done;
default:
berr_exit("SSL read problem");
}
//这里对数据进行处理
例子中使用函数SSL_get_error()来替代errno，SSL_get_error()检查返回值，并且指出是否错误发生了，并且错误是什么。
5. 关闭Closure/shutdown/cleanup
TCP使用FIN标记来说明发送者已经发完所有的数据。SSLv2简单的允许任何一方使用一个TCP FIN来终止SSL连接。这会导致“截断攻击”：攻击者通过简单地伪造TCP FIN来使看起来消息是短的。除非受害者有某种方式知道消息的长度。
为了避免这种情况，SSLv3引进了一个close_notify警告。close_notify是一个SSL消息（因此是安全的），但是不是数据流本身的一部分，不背应用所看到。当发送完close_notify后，不会再有数据会被发送。
因此，SSL_read返回0，说明socket被关闭了，已经收到了close_notify消息。如果client先收到一个FIN，则认为是一个“过早关闭”。
如果我们读到SSL_read返回0，没有任何错，则我们需要发送close_notify到server端（通过SSL_shutdown()来发送）。
SSL_shutdown()返回1表示完全关闭，0表示不完全关闭，-1是出现一个错误。当收到服务器发来的close_notify，唯一可能出错的是发送我们的close_notify，否则SSL_shutdown总是会成功。
代码片段(client)：
while(1)
{
r=SSL_read(ssl,buf,BUFSIZZ);
switch(SSL_get_error(ssl,r))
{
case
SSL_ERROR_NONE: //未出错
len=r;
break;
case
SSL_ERROR_ZERO_RETURN: //未出错，我们已经收到close_notify
goto shutdown; //这里去发送我们的close_notify
case
SSL_ERROR_SYSCALL:
fprintf(stderr, "SSL Error: Premature
close\n"); //收到一个“过早关闭”的信息
goto
done;
default:
berr_exit("SSL read problem");/*错误处理，这里是退出程序*/
}
/*数据处理*/
}
shutdown:
r=SSL_shutdown(ssl); //发送给server端一个close_nofity
switch(r)
{
case 1:
break; /* Success */
case 0:
case -1:
default:
berr_exit("Shutdown
failed");
}
done:
SSL_free(ssl); /*释放资源*/
/*释放相关变量*/
五、openssl证书常用命令
x509证书一般会用到三类文，key，csr，crt。
Key 是私用密钥openssl格，通常是rsa算法。
Csr 是证书请求文件，用于申请证书。在制作csr文件的时，必须使用自己的私钥来签署申，还可以设定一个密钥。
crt是CA认证后的证书文，（windows下面的，其实是crt），签署人用自己的key给你签署的凭证。
pfx会同时包含公钥和私钥。
1.key的生成
openssl
genrsa -des3 -out
server.key 2048
这样是生成rsa私钥，des3算法，openssl格式，2048位强度。server.key是密钥文件名。为了生成这样的密钥，需要一个至少四位的密码。
可以通过以下方法生成没有密码的key:
openssl
rsa -in server.key
-out server.key
server.key就是没有密码的版本了。这种没密码的私钥这种用法挺多，比如webserver（lighttpd）这种方式，不可能每次启动server的时候，都要求用户输入密码，太过麻烦。
2. 生成CA的crt
openssl
req -new -x509
-key server.key -out ca.crt
-days 3650
生成的ca.crt文件是用来签署下面的server.csr文件。需要输入一堆信息，有一个Common name 通常是CA机构的域名（这里，我们可以自己取一个名字）。
3. csr的生成方法
openssl
req -new -key
server.key -out server.csr
需要依次输入国家，地区，组织，email。
最重要的是?有一个common
name，可以写你的名字或者域名。
如果为了https申请，这个必须和域名吻合，否则会引发浏览器警报。
生成的csr文件交给CA签名后形成服务端自己的证书。
注意Common name 与CA的Common name 要不一样，否则会校验失败。
4. crt生成方法
CSR文件必须有CA的签名才可形成证书，可将此文件发送到verisign等地方由它验证，要交一大笔钱，何不自己做CA呢。
openssl
x509 -req -days 3650 -in server.csr -CA ca.crt -CAkey
server.key -CAcreateserial -out server.crt
输入key的密钥后，完成证书生成。
-CA选项指明用于被签名的csr证书，
-CAkey选项指明用于签名的密钥，
-CAserial指明序列号文件
-CAcreateserial指明文件不存在时自动生成。
最后生成了私用密钥：server.key和自己认证的SSL证书：server.crt
证书合并：
cat server.key
server.crt > server.pem
6. 常用命令
校验证书，是否正确： openssl
verify -CAfile ca.crt server.crt
此命令的意思是 用CA证书ca.crt 来验证server的公钥，例如：
1. X509转换pfx
openssl
pkcs12 -export -out server.pfx -inkey server.key -in server.crt
2.
查看证书：
openssl
x509 -in ca.crt
-text -noout
openssl
x509 -in server.crt
-text –noout
注意看证书的有效期时间：
用openssl命令开一个server：
openssl s_server -accept 4433 -cert
server.crt -key server.key -CAfile ca.crt
-ssl3
上述的例子是：
-accept 4433 表示在本地4433 端口上开启ssl服务器
-cert server.crt 表示是服务器的公钥
-key server.key 表示是服务器的私钥
-CAfile ca.crt 表示是ca证书，服务器和客户端都有的
-ssl3 表示用sslv3
用openssl命令做客户端，连接服务器测试：
openssl
s_client -connect localhost:443 -verify 1
-CAfile ca.crt
-connect localhost:4433 表示连接到本地端口4433
-CAfile ca.crt 表示CA证书是ca.crt
-ssl3 表示使用sslv3
-verify 1 表示要认证对端
CA的生成：
openssl
genrsa -des3 -out
ca.key 2048
openssl
rsa -in ca.key
-out ca.key
openssl
req -new -x509
-key ca.key -out
ca.crt -days 3650
server端的生成：
openssl
genrsa -des3 -out
server.key 2048
openssl
rsa -in server.key
-out server.key
openssl
req -new -key
server.key -out server.csr
openssl x509 -req -days 3650 -in server.csr
-CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out server.crt
openssl pkcs12 -export -out server.pfx
-inkey server.key -in server.crt
client端的生成：
openssl
genrsa -des3 -out
client.key 2048
openssl
rsa -in client.key
-out client.key
openssl
req -new -key
client.key -out client.csr
openssl x509 -req -days 3650 -in client.csr
-CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out client.crt
openssl pkcs12 -export -out client.pfx
-inkey client.key -in client.crt
验证：
openssl verify -CAfile ca.crt server.crt
openssl verify -CAfile ca.crt client.crt
