OpenSSL 使用指南

 

OpenSSL 使用指南

 

 

目錄

•  介紹

•  編譯

•  運行 OpenSSL.exe

•  演算法編程 API

4.1 對稱演算法

4.1.1 DES

4.1.2 A ES

4.1.3 RC4

4.1.4 EVP_

4.2 公開金鑰演算法

4.3 Hash 演算法

4.4 隨機數演算法

•  SSL 協議編程 API

•  CA 和認證

•   

•  參考網址

•   

•  樣本程式

•   

 

•  介紹

OpenSSL 是使用非常廣泛的 SSL 的開源實現。由於其中實現了為 SSL 所用的各種密碼編譯演算法，因此 OpenSSL 也是被廣泛使用的加密函數庫。

1.1 SSL

SSL(Secure Socket Layer) 安全性通訊協定是由 Netscape 公司首先提出，最初用在保護 Navigator 瀏覽器和 Web 服務器之間的 HTTP 通訊 ( 即 HTTPS) 。後來 SSL 協議成為傳輸層安全通訊事實上的標準，並被 IETF 吸收改進為 TLS(Transport Layer Security) 協議。

SSL/TLS 協議位於 TCP 協議和應用程式層協議之間，為傳輸雙方提供認證、加密和完整性保護等安全服務。 SSL 作為一個協議架構，通訊雙方可以選用合適的對稱演算法、公開金鑰演算法、 MAC 演算法等密碼演算法實現安全服務。

1.2 OpenSSL

OpenSSL 是著名的 SSL 的開源實現，是用 C 語言實現的。

OpenSSL 的前身是 SSLeay ，一個由 Eric Young 開發的 SSL 的開源實現，支援 SSLv2/v3 和 TLSv1 。

伴隨著 SSL 協議的普及應用， OpenSSL 被廣泛應用在基於 TCP/Socket 的網路程式中，尤其是 OpenSSL 和 Apache 相結合，是很多電子商務網站伺服器的典型配置。

 

•  編譯和安裝 OpenSSL

OpenSSL 開放原始碼，這對學習、分析 SSL 和各種密碼演算法提供了機會，也便於在上面進一步開發。

2.1 獲得 OpenSSL

到 OpenSSL 的網站即可下載目前的版本的 OpenSSL 原始碼壓縮包。

目前的版本 openssl- 0.9.8 .tar.gz ，只有 3M 多，比較精簡。解壓縮後得到一個目錄 openssl-0.9.8 ，共有約 1800 個檔案， 15M 。其中 crypto 子目錄中是眾多密碼演算法實現， ssl 子目錄中是 SSL 協議的實現。

在 Linux 中解壓縮：

$tar zxf openssl- 0.9.8 .tar.gz

在 Windows 中可以使用 winzip 或 winrar 。

2.2 編譯工具

編譯 OpenSSL 需要 Perl 和 C 編譯器。在 Windows 下如果要用密碼編譯演算法的彙編代碼實現，還需要 masm 或 nasm 彙編器。 ( 彙編代碼可以比 C 代碼顯著提高密碼運算速度 )

Perl 在 Windows 下推薦使用 Active Perl 。

C 編譯器可以使用 gcc 。在 W indows 下可以使用 Visual C 編譯器。

彙編器推薦使用 nasm 。

這些工具所在目錄必須加入到 PATH 環境變數中去。

2.3 編譯和安裝步驟

查看 readme 是個好習慣。從 readme 瞭解到需要進一步查看 INSTALL 和 INSTALL.W32 檔案。

在 Windows 中：

>perl Configure VC-WIN32

>ms/do_nasm ( 如果不使用彙編代碼實現，則可 >ms/do_ms)

>nmake -f ms/ntdll.mak

>cd out32dll

>../ms/test

編譯結果得到標頭檔、連結庫、運行庫和 openssl.exe 工具。標頭檔位於 ./inc32 或者 ./inculde 目錄，有一個 openssl 子目錄，內有幾十個 .h 檔案。連結庫即 ./out32dll 目錄中的 libeay32.lib 和 ssleay32.lib ，分別是密碼演算法相關的和 ssl 協議相關的。運行庫是 ./out32dll 目錄中的 libeay32.dll 和 ssleay32.dll ，和連結庫相對應。在 ./out32dll 中還有一個工具 openssl.exe ，可以直接用來測試效能、產生 RSA 密鑰、加解密檔案，甚至可以用來維護一個測試用的 CA 。

在 Linux 中的編譯和安裝步驟較簡單 ：

$./config

$make

$make test

$make install

在 Linux 下，標頭檔、庫檔案、工具都已被安裝放到了合適的位置。庫檔案是 .a 或 .so 格式。

 

•  使用 OpenSSL.exe

使用 OpenSSL.exe(Linux 中可執行檔名是 openssl) 可以做很多工作，是一個很好的測試或調試工具。

3.1 版本和編譯參數

顯示版本和編譯參數： >openssl version -a

3.2 支援的子命令、密碼演算法

查看支援的子命令： >openssl ?

SSL 密碼組合列表： >openssl ciphers

3.3 測試密碼演算法速度

測試所有演算法速度： >openssl speed

測試 RSA 速度： >openssl speed rsa

測試 DES 速度： >openssl speed des

3.4 RSA 密鑰操作

產生 RSA 金鑰組： >openssl genrsa -out 1.key 1024

取出 RSA 公開金鑰： >openssl rsa -in 1.key -pubout -out 1.pubkey

3.5 加密檔案

加密檔案： >openssl enc -e -rc4 -in 1.key -out 1.key.enc

解密檔案： >openssl enc -d -rc4 -in 1.key.enc -out 1.key.dec

3.6 計算 Hash 值

計算檔案的 MD5 值： >openssl md5 < 1.key

計算檔案的 SHA1 值： >openssl sha1 < 1.key

 

•  演算法編程 API

OpenSSL 中支援眾多的密碼演算法，並提供了很好的封裝和介面。密碼演算法主要分為如下幾類：對稱演算法、公開金鑰演算法、散列演算法、隨機數產生演算法等。

OpenSSL 的目標是實現安全性通訊協定。其中相關協議和標準包括： SSL/TLS 、 PKCS#1 、 PCKS#10 、 X.509 、 PEM 、 OCSP 等。

4.1 對稱演算法介面

OpenSSL 中實現的對稱演算法太多，舉三個例子： DES 、 AES 、 RC4 。

4.1.1 DES

DES 密碼編譯演算法是分組演算法。 DES 的基本操作是把 64 位元明文在 56 位元密鑰指引下加密成 64 位元密文。在實際使用中把密鑰看作 64 位元可以更方便。

DES （ IN ， KEY ） = OUT

(1) DES ECB 模式

在 OpenSSL 中 ECB 操作模式對應的函數是 DES_ecb_encrypt() ，該函數把一個 8 位元組明文分組 input 加密成為一個 8 位元組密文分組 output 。參數中密鑰結構 ks 是用函數 DES_set_key() 準備好的，而密鑰 key 是用隨機數演算法產生的 64 個隨機位元。參數 enc 指示是加密還是解密。該函數每次只加密一個分組，因此用來加密很多資料時不方便使用。

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 演算法 CBC 操作模式加解密函數是 DES_ncbc_encrypt() 。參數 length 指示輸入位元組長度。如果長度不是 8 位元組的倍數，則會被用 0 填充到 8 位元組倍數。因此，輸出可能比 length 長，而且必然是 8 位元組的倍數。

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 演算法 CFB 操作模式加解密函數是 DES_cfb_encrypt() 。參數 length 指示輸入位元組長度。參數 numbits 則指示了 CFB 每次迴圈加密多少明文位元，也即密文反饋的位元數目。 ivec 是初始向量，被看做第 0 個密文分組，是不用保密但應隨機取值的 8 個位元組。如果在一次會話中數次調用 DES_cfb_encrypt() ，則應該記憶 ivec 。由於 CFB 模式中每次 DES 基本操作只加密 numbits 位元明文，因此如果 numbits 太小則效率太低。

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

另有一個 numbit 是 64 位元的版本，既高效又沒有填充的麻煩，推薦使用。 num 中的傳回值指示了 ivec 中的狀態，是和下次調用銜接的。

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 類似，也有兩個函數，用法一樣。

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 函數樣本程式

見附件 A.1 。

4.1.2 A ES

AES 密碼編譯演算法是分組演算法。典型參數的 AES 的基本操作是把 128 位元明文在 128 位元密鑰指引下加密成 128 位元密文。

AES （ IN ， KEY ） = OUT

OpenSSL 中關於 AES 的函數名和參數介面和 DES 的雷同。相關函數名如下 ( 參數略 ) 。

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 樣本程式見附件 A.2 。

4.1.3 RC4

RC4 密碼演算法是流演算法，也叫序列演算法。流演算法是從密鑰作為種子產生密鑰流，明文位元流和密鑰流異或即加密。 RC4 演算法由於演算法簡潔，速度極快，密鑰長度可變，而且也沒有填充的麻煩，因此在很多場合值得大力推薦。

OpenSSL 中 RC4 演算法有兩個函數 : RC4_set_key() 設定密鑰， RC4() 加解密。可以把 RC4 看作異或，因此加密兩次即解密。

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 樣本程式見附件 A.3 。

例子 A.3.(1) 是利用 OpenSSL 動態庫函數。例子 A.3.(2) 是把 RC4 的實現代碼從 OpenSSL 中分離出來的。例子 A.3.(3) 是另一個示範實現。

4.2 公開金鑰演算法

OpenSSL 中實現了 RSA 、 DSA 、 ECDSA 等公開金鑰演算法。

4.2.1 RSA

RSA 是分組演算法，典型的密鑰模長度 1024 位元時，分組即是 1024 位元，即 128 位元組。

(1) RSA 密鑰

RSA 密鑰產生函數 RSA_generate_key() ，需要指定模長位元數 bits 和公開金鑰指數 e 。另外兩個參數為 NULL 即可。

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

如果從檔案中讀取密鑰，可使用函數 PEM_read_bio_PrivateKey()/ PEM_read_bio_PUBKEY(); EVP_PKEY 中包含一個 RSA 結構，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 加密函數 RSA_public_encrypt() 使用公開金鑰部分，解密函數 RSA_private_decrypt() 使用私密金鑰。填充方式常用的有兩種 RSA_PKCS1_PADDING 和 RSA_PKCS1_OAEP_PADDING 。出錯時返回 -1 。輸入必須比 RSA 鑰模長短至少 11 個位元組（在 RSA_PKCS1_PADDING 時？）。輸出長度等於 RSA 鑰的模長。

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) 簽名和驗證

簽名使用私密金鑰，驗證使用公開金鑰。 RSA 簽名是把被簽署訊息的散列值編碼後用私密金鑰加密，因此函數中參數 type 用來指示散列函數的類型，一般是 NID_md5 或 NID_sha1 。正確情況下返回 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 函數樣本程式

RSA 樣本程式見附件 A.4 。

例子 A.4.(1) 是加密解密例子。例子 A.4.(2) 是簽名驗證例子。

4.2.2 DSA

（ TOBE ）

4.2.2 ECDSA

（ or NOT TOBE ）

4.3 Hash 演算法

Hash 演算法舉 MD5 和 SHA1 兩個例子。 Hash 演算法重複接收使用者輸入，直到最後一次結束時輸出散列結果。

4.3.1 MD5

MD5 演算法輸出的散列值是 16 位元組。

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 演算法輸出的散列值是 20 位元組。

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 樣本程式見附件 A.5 。

md5sum 這是一個實用小工具，可以計算一個檔案的 MD5 值。

4.4 隨機數演算法

隨機性是密碼安全的基石。為了產生安全的偽隨機數，必須有好的隨機因素作為種子。 OpenSSL 在內部做了努力，但是仍建議在實用隨機數產生函數之前添加隨機因素。

函數 RAND_add() 可以添加隨機因素到內部狀態中去。然後，即可以使用 RAND_bytes() 獲得隨機數。

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

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

 

•  SSL 協議編程 API

5.1 用戶端

5.2 伺服器端

5.3 SSL 樣本程式

參見 A.6 。

 

•  CA 和認證

6.1 OpenSSL 中 CA 的配置

6.2 配置樣本

參見 A.7.(1) 。

6.3 認證解析

6.4 解析樣本程式

參見 A.7.(2) 。

 

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•  參考網址

SSL 3.0 Specification

http://www.netscape.com/eng/ssl3/

Transp ort Layer Security (tls) Charter

http://www.ietf.org/html.charters/tls-charter.html

OpenSSL: The Open Source toolkit for SSL/TLS

http://www.openssl.org/

SSLeay

http://www2.psy.uq.edu.au/~ftp/Crypto/

OpenSSL 中文論壇

http://openssl.cn/

Perl

http://www.cpan.org/src/README.html

http://www.activestate.com/Products/ActivePerl/

NASM

http://www.perl.com/

studio

 

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•  樣本程式

注 : 此內嵌檔案對象可以被拖放到磁碟目錄中去。

•  DES 樣本程式

•  AES 樣本程式

•  RC4 樣本程式

（ 1 ）． （ 2 ）． （ 3 ）

•  RSA 樣本程式

（ 1 ）． （ 2 ）．

•  Hash 演算法樣本程式

•  SSL 樣本程式

•  CA 配置樣本和認證解析樣本程式

(1). (2).

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