用openssl編寫SSL,TLS程序

用openssl編寫SSL,TLS程序

發佈日期：2002-09-19
文章內容：
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作者：yawl([email protected])
日期：2000-08-15

一:簡介:

SSL(Secure Socket Layer)是netscape公司提出的主要用於web的安全通信標準,分爲2.0版和3.0版.TLS(Transport Layer Security)是IETF的TLS 工作組在SSL3.0基礎之上提出的安全通信標準,目前版本是1.0,即RFC2246.SSL/TLS提供的安全機制可以保證應用層數據在互聯網絡傳輸 不 被監聽,僞造和竄改.

openssl(www.openssl.org)是sslv2,sslv3,tlsv1的一份完整實現,內部包含了大量加密算法程序.其命令行提供了豐 富的加密,驗證,證書生成等功 能,甚至可以用其建立一個完整的CA.與其同時,它也提供了一套完整的庫函數,可用開發用SSL/TLS的通信程序. Apache的https兩種版本 mod_ssl和apachessl均基於它實現的.openssl繼承於ssleay,並做了一定的擴展,當前的版本是0.9.5a.

openssl的缺點是文檔太少,連一份完整的函數說明都沒有,man page也至今沒做完整:-(,如果想用它編程序,除了熟悉已有的文檔(包括 ssleay,mod_ssl,apachessl的文檔)外,可以到它的maillist上找相關的帖子,許多問題可以在以前的文章中找到答案.

編程:
程序分爲兩部分,客戶端和服務器端,我們的目的是利用SSL/TLS的特性保證通信雙方能夠互相驗證對方身份(真實性),並保證數據的完整性, 私密性.

1.客戶端程序的框架爲:

/*生成一個SSL結構*/
meth = SSLv23_client_method();
ctx = SSL_CTX_new (meth);
ssl = SSL_new(ctx);

/*下面是正常的socket過程*/
fd = socket();
connect();

/*把建立好的socket和SSL結構聯繫起來*/
SSL_set_fd(ssl,fd);

/*SSL的握手過程*/
SSL_connect(ssl);

/*接下來用SSL_write(), SSL_read()代替原有的write(),read()即可*/
SSL_write(ssl,"Hello world",strlen("Hello World!"));

2.服務端程序的框架爲:

/*生成一個SSL結構*/
meth = SSLv23_server_method();
ctx = SSL_CTX_new (meth);
ssl = SSL_new(ctx);

/*下面是正常的socket過程*/
fd = socket();
bind();
listen();
accept();

/*把建立好的socket和SSL結構聯繫起來*/
SSL_set_fd(ssl,fd);

/*SSL的握手過程*/
SSL_connect(ssl);

/*接下來用SSL_write(), SSL_read()代替原有的write(),read()即可*/
SSL_read (ssl, buf, sizeof(buf));

根據RFC2246(TLS1.0)整個TLS(SSL)的流程如下:

Client Server

ClientHello -------->
ServerHello
Certificate*
ServerKeyExchange*
CertificateRequest*
<-------- ServerHelloDone
Certificate*
ClientKeyExchange
CertificateVerify*
[ChangeCipherSpec]
Finished -------->
[ChangeCipherSpec]
<-------- Finished
Application Data <-------> Application Data

對程序來說,openssl將整個握手過程用一對函數體現,即客戶端的SSL_connect和服務端的SSL_accept.而後的應用層數據交換則用SSL_read和 SSL_write來完成.

二:證書文件生成

除將程序編譯成功外,還需生成必要的證書和私鑰文件使雙方能夠成功驗證對方,步驟如下:

1.首先要生成服務器端的私鑰(key文件):
openssl genrsa -des3 -out server.key 1024
運行時會提示輸入密碼,此密碼用於加密key文件(參數des3便是指加密算法,當然也可以選用其他你認爲安全的算法.),以後每當需讀取此文 件(通過openssl提供的命令或API)都需輸入口令.如果覺得不方便,也可以去除這個口令,但一定要採取其他的保護措施!
去除key文件口令的命令:
openssl rsa -in server.key -out server.key

2.openssl req -new -key server.key -out server.csr
生成Certificate Signing Request（CSR）,生成的csr文件交給CA簽名後形成服務端自己的證書.屏幕上將有提示,依照其指示一步一步輸入要 求的個人信息即可.

3.對客戶端也作同樣的命令生成key及csr文件:
openssl genrsa -des3 -out client.key 1024
openssl req -new -key client.key -out client.csr

4.CSR文件必須有CA的簽名纔可形成證書.可將此文件發送到verisign等地方由它驗證,要交一大筆錢,何不自己做CA呢.
首先生成CA的key文件:
openssl -des3 -out ca.key 1024
在生成CA自簽名的證書:
openssl req -new -x509 -key ca.key -out ca.crt
如果想讓此證書有個期限,如一年,則加上"-days 365".
("如果非要爲這個證書加上一個期限,我情願是..一萬年")

5.用生成的CA的證書爲剛纔生成的server.csr,client.csr文件簽名:
可以用openssl中CA系列命令,但不是很好用(也不是多難,唉,一言難盡),一篇文章中推薦用mod_ssl中的sign.sh腳本,試了一下,確實方便了不 少,如果ca.csr存在的話,只需:
./sigh.sh server.csr
./sign.sh client.csr
相應的證書便生成了(後綴.crt).

現在我們所需的全部文件便生成了.

其實openssl中還附帶了一個叫CA.pl的文件(在安裝目錄中的misc子目錄下),可用其生成以上的文件,使用也比較方便,但此處就不作介紹了.

三:需要了解的一些函數:

1.int SSL_CTX_set_cipher_list(SSL_CTX *,const char *str);
根據SSL/TLS規範,在ClientHello中,客戶端會提交一份自己能夠支持的加密方法的列表,由服務端選擇一種方法後在ServerHello中通知服務端, 從而完成加密算法的協商.

可用的算法爲:
EDH-RSA-DES-CBC3-SHA
EDH-DSS-DES-CBC3-SHA
DES-CBC3-SHA
DHE-DSS-RC4-SHA
IDEA-CBC-SHA
RC4-SHA
RC4-MD5
EXP1024-DHE-DSS-RC4-SHA
EXP1024-RC4-SHA
EXP1024-DHE-DSS-DES-CBC-SHA
EXP1024-DES-CBC-SHA
EXP1024-RC2-CBC-MD5
EXP1024-RC4-MD5
EDH-RSA-DES-CBC-SHA
EDH-DSS-DES-CBC-SHA
DES-CBC-SHA
EXP-EDH-RSA-DES-CBC-SHA
EXP-EDH-DSS-DES-CBC-SHA
EXP-DES-CBC-SHA
EXP-RC2-CBC-MD5
EXP-RC4-MD5
這些算法按一定優先級排列,如果不作任何指定,將選用DES-CBC3-SHA.用SSL_CTX_set_cipher_list可以指定自己希望用的算法(實際上只是 提高其優先級,是否能使用還要看對方是否支持).

我們在程序中選用了RC4做加密,MD5做消息摘要(先進行MD5運算,後進行RC4加密).即
SSL_CTX_set_cipher_list(ctx,"RC4-MD5");

在消息傳輸過程中採用對稱加密(比公鑰加密在速度上有極大的提高),其所用祕鑰(shared secret)在握手過程中中協商(每次對話過程均不同, 在一次對話中都有可能有幾次改變),並通過公鑰加密的手段由客戶端提交服務端.

2.void SSL_CTX_set_verify(SSL_CTX *ctx,int mode,int (*callback)(int, X509_STORE_CTX *));
缺省mode是SSL_VERIFY_NONE,如果想要驗證對方的話,便要將此項變成SSL_VERIFY_PEER.SSL/TLS中缺省只驗證server,如果沒有設置 SSL_VERIFY_PEER的話,客戶端連證書都不會發過來.

3.int SSL_CTX_load_verify_locations(SSL_CTX *ctx, const char *CAfile,const char *CApath);
要驗證對方的話,當然裝要有CA的證書了,此函數用來便是加載CA的證書文件的.

4.int SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file, int type);
加載自己的證書文件.

5.int SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx, const char *file, int type);
加載自己的私鑰,以用於簽名.

6.int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx);
調用了以上兩個函數後,自己檢驗一下證書與私鑰是否配對.

7.void RAND_seed(const void *buf,int num);
在win32的環境中client程序運行時出錯(SSL_connect返回-1)的一個主要機制便是與UNIX平臺下的隨機數生成機制不同(握手的時 候用的到). 具體描述可見mod_ssl的FAQ.解決辦法就是調用此函數,其中buf應該爲一隨機的字符串,作爲"seed".
還可以採用一下兩個函數:
void RAND_screen(void);
int RAND_event(UINT, WPARAM, LPARAM);
其中RAND_screen()以屏幕內容作爲"seed"產生隨機數,RAND_event可以捕獲windows中的事件(event),以此爲基礎 產生隨機數.如果一直有 用戶干預的話,用這種辦法產生的隨機數能夠"更加隨機",但如果機器一直沒人理(如總停在登錄畫面),則每次都將產生同樣的數字.

這幾個函數都只在WIN32環境下編譯時有用,各種UNIX下就不必調了.
大量其他的相關函數原型,見crypto/rand/rand.h.

8.OpenSSL_add_ssl_algorithms()或SSLeay_add_ssl_algorithms()
其實都是調用int SSL_library_init(void)
進行一些必要的初始化工作,用openssl編寫SSL/TLS程序的話第一句便應是它.

9.void SSL_load_error_strings(void );
如果想打印出一些方便閱讀的調試信息的話,便要在一開始調用此函數.

10.void ERR_print_errors_fp(FILE *fp);
如果調用了SSL_load_error_strings()後,便可以隨時用ERR_print_errors_fp()來打印錯誤信息了.

11.X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *s);
握手完成後,便可以用此函數從SSL結構中提取出對方的證書(此時證書得到且已經驗證過了)整理成X509結構.

12.X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a);
得到證書所有者的名字,參數可用通過SSL_get_peer_certificate()得到的X509對象.

13.X509_NAME *X509_get_issuer_name(X509 *a)
得到證書籤署者(往往是CA)的名字,參數可用通過SSL_get_peer_certificate()得到的X509對象.

14.char *X509_NAME_oneline(X509_NAME *a,char *buf,int size);
將以上兩個函數得到的對象變成字符型,以便打印出來.

15.SSL_METHOD的構造函數,包括
SSL_METHOD *TLSv1_server_method(void); /* TLSv1.0 */
SSL_METHOD *TLSv1_client_method(void); /* TLSv1.0 */

SSL_METHOD *SSLv2_server_method(void); /* SSLv2 */
SSL_METHOD *SSLv2_client_method(void); /* SSLv2 */

SSL_METHOD *SSLv3_server_method(void); /* SSLv3 */
SSL_METHOD *SSLv3_client_method(void); /* SSLv3 */

SSL_METHOD *SSLv23_server_method(void); /* SSLv3 but can rollback to v2 */
SSL_METHOD *SSLv23_client_method(void); /* SSLv3 but can rollback to v2 */
在程序中究竟採用哪一種協議(TLSv1/SSLv2/SSLv3),就看調哪一組構造函數了.

四:程序源代碼(WIN32版本):

基本上是改造的openssl自帶的demos目錄下的cli.cpp,serv.cpp文件,做了一些修改,並增加了一些功能.

/******************************************************************************************
*SSL/TLS客戶端程序WIN32版(以demos/cli.cpp爲基礎)
*需要用到動態連接庫libeay32.dll,ssleay.dll,
*同時在setting中加入ws2_32.lib libeay32.lib ssleay32.lib,
*以上庫文件在編譯openssl後可在out32dll目錄下找到,
*所需證書文件請參照文章自行生成*/
******************************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <memory.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>

#include <winsock2.h>

#include "openssl/rsa.h"
#include "openssl/crypto.h"
#include "openssl/x509.h"
#include "openssl/pem.h"
#include "openssl/ssl.h"
#include "openssl/err.h"
#include "openssl/rand.h"

/*所有需要的參數信息都在此處以#define的形式提供*/
#define CERTF "client.crt" /*客戶端的證書(需經CA簽名)*/
#define KEYF "client.key" /*客戶端的私鑰(建議加密存儲)*/
#define CACERT "ca.crt" /*CA 的證書*/
#define PORT 1111 /*服務端的端口*/
#define SERVER_ADDR "127.0.0.1" /*服務段的IP地址*/

#define CHK_NULL(x) if ((x)==NULL) exit (-1)
#define CHK_ERR(err,s) if ((err)==-1) { perror(s); exit(-2); }
#define CHK_SSL(err) if ((err)==-1) { ERR_print_errors_fp(stderr); exit(-3); }

int main ()
{
int err;
int sd;
struct sockaddr_in sa;
SSL_CTX* ctx;
SSL* ssl;
X509* server_cert;
char* str;
char buf [4096];
SSL_METHOD *meth;
int seed_int[100]; /*存放隨機序列*/

WSADATA wsaData;

if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData) != 0){
printf("WSAStartup()fail:%d/n",GetLastError());
return -1;
}

OpenSSL_add_ssl_algorithms(); /*初始化*/
SSL_load_error_strings(); /*爲打印調試信息作準備*/

meth = TLSv1_client_method(); /*採用什麼協議(SSLv2/SSLv3/TLSv1)在此指定*/
ctx = SSL_CTX_new (meth);
CHK_NULL(ctx);

SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER,NULL); /*驗證與否*/
SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CACERT,NULL); /*若驗證,則放置CA證書*/


if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, CERTF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
ERR_print_errors_fp(stderr);
exit(-2);
}
if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, KEYF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
ERR_print_errors_fp(stderr);
exit(-3);
}

if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
printf("Private key does not match the certificate public key/n");
exit(-4);
}

/*構建隨機數生成機制,WIN32平臺必需*/
srand( (unsigned)time( NULL ) );
for( int i = 0; i < 100;i++ )
seed_int[i] = rand();
RAND_seed(seed_int, sizeof(seed_int));

/*以下是正常的TCP socket建立過程 .............................. */
printf("Begin tcp socket.../n");

sd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0); CHK_ERR(sd, "socket");

memset (&sa, '/0', sizeof(sa));
sa.sin_family = AF_INET;
sa.sin_addr.s_addr = inet_addr (SERVER_ADDR); /* Server IP */
sa.sin_port = htons (PORT); /* Server Port number */

err = connect(sd, (struct sockaddr*) &sa,
sizeof(sa));
CHK_ERR(err, "connect");

/* TCP 鏈接已建立.開始 SSL 握手過程.......................... */
printf("Begin SSL negotiation /n");

ssl = SSL_new (ctx);
CHK_NULL(ssl);

SSL_set_fd (ssl, sd);
err = SSL_connect (ssl);
CHK_SSL(err);

/*打印所有加密算法的信息(可選)*/
printf ("SSL connection using %s/n", SSL_get_cipher (ssl));

/*得到服務端的證書並打印些信息(可選) */
server_cert = SSL_get_peer_certificate (ssl);
CHK_NULL(server_cert);
printf ("Server certificate:/n");

str = X509_NAME_oneline (X509_get_subject_name (server_cert),0,0);
CHK_NULL(str);
printf ("/t subject: %s/n", str);
Free (str);

str = X509_NAME_oneline (X509_get_issuer_name (server_cert),0,0);
CHK_NULL(str);
printf ("/t issuer: %s/n", str);
Free (str);

X509_free (server_cert); /*如不再需要,需將證書釋放 */

/* 數據交換開始,用SSL_write,SSL_read代替write,read */
printf("Begin SSL data exchange/n");

err = SSL_write (ssl, "Hello World!", strlen("Hello World!"));
CHK_SSL(err);

err = SSL_read (ssl, buf, sizeof(buf) - 1);
CHK_SSL(err);

buf[err] = '/0';
printf ("Got %d chars:'%s'/n", err, buf);
SSL_shutdown (ssl); /* send SSL/TLS close_notify */

/* 收尾工作 */
shutdown (sd,2);
SSL_free (ssl);
SSL_CTX_free (ctx);

return 0;
}
/***************************************************************************************
* EOF - cli.cpp
***************************************************************************************/


/***************************************************************************************
*SSL/TLS服務端程序WIN32版(以demos/server.cpp爲基礎)
*需要用到動態連接庫libeay32.dll,ssleay.dll,
*同時在setting中加入ws2_32.lib libeay32.lib ssleay32.lib,
*以上庫文件在編譯openssl後可在out32dll目錄下找到,
*所需證書文件請參照文章自行生成.
***************************************************************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <memory.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>

#include <winsock2.h>

#include "openssl/rsa.h"
#include "openssl/crypto.h"
#include "openssl/x509.h"
#include "openssl/pem.h"
#include "openssl/ssl.h"
#include "openssl/err.h"

/*所有需要的參數信息都在此處以#define的形式提供*/
#define CERTF "server.crt" /*服務端的證書(需經CA簽名)*/
#define KEYF "server.key" /*服務端的私鑰(建議加密存儲)*/
#define CACERT "ca.crt" /*CA 的證書*/
#define PORT 1111 /*準備綁定的端口*/

#define CHK_NULL(x) if ((x)==NULL) exit (1)
#define CHK_ERR(err,s) if ((err)==-1) { perror(s); exit(1); }
#define CHK_SSL(err) if ((err)==-1) { ERR_print_errors_fp(stderr); exit(2); }

int main ()
{
int err;
int listen_sd;
int sd;
struct sockaddr_in sa_serv;
struct sockaddr_in sa_cli;
int client_len;
SSL_CTX* ctx;
SSL* ssl;
X509* client_cert;
char* str;
char buf [4096];
SSL_METHOD *meth;
WSADATA wsaData;

if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData) != 0){
printf("WSAStartup()fail:%d/n",GetLastError());
return -1;
}

SSL_load_error_strings(); /*爲打印調試信息作準備*/
OpenSSL_add_ssl_algorithms(); /*初始化*/
meth = TLSv1_server_method(); /*採用什麼協議(SSLv2/SSLv3/TLSv1)在此指定*/

ctx = SSL_CTX_new (meth);
CHK_NULL(ctx);

SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER,NULL); /*驗證與否*/
SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CACERT,NULL); /*若驗證,則放置CA證書*/

if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, CERTF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
ERR_print_errors_fp(stderr);
exit(3);
}
if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, KEYF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
ERR_print_errors_fp(stderr);
exit(4);
}

if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
printf("Private key does not match the certificate public key/n");
exit(5);
}

SSL_CTX_set_cipher_list(ctx,"RC4-MD5");

/*開始正常的TCP socket過程.................................*/
printf("Begin TCP socket.../n");

listen_sd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
CHK_ERR(listen_sd, "socket");

memset (&sa_serv, '/0', sizeof(sa_serv));
sa_serv.sin_family = AF_INET;
sa_serv.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
sa_serv.sin_port = htons (PORT);

err = bind(listen_sd, (struct sockaddr*) &sa_serv,
sizeof (sa_serv));
CHK_ERR(err, "bind");

/*接受TCP鏈接*/
err = listen (listen_sd, 5);
CHK_ERR(err, "listen");

client_len = sizeof(sa_cli);
sd = accept (listen_sd, (struct sockaddr*) &sa_cli, &client_len);
CHK_ERR(sd, "accept");
closesocket (listen_sd);

printf ("Connection from %lx, port %x/n",
sa_cli.sin_addr.s_addr, sa_cli.sin_port);


/*TCP連接已建立,進行服務端的SSL過程. */
printf("Begin server side SSL/n");

ssl = SSL_new (ctx);
CHK_NULL(ssl);
SSL_set_fd (ssl, sd);
err = SSL_accept (ssl);
printf("SSL_accept finished/n");
CHK_SSL(err);


/*打印所有加密算法的信息(可選)*/
printf ("SSL connection using %s/n", SSL_get_cipher (ssl));

/*得到服務端的證書並打印些信息(可選) */
client_cert = SSL_get_peer_certificate (ssl);
if (client_cert != NULL) {
printf ("Client certificate:/n");

str = X509_NAME_oneline (X509_get_subject_name (client_cert), 0, 0);
CHK_NULL(str);
printf ("/t subject: %s/n", str);
Free (str);

str = X509_NAME_oneline (X509_get_issuer_name (client_cert), 0, 0);
CHK_NULL(str);
printf ("/t issuer: %s/n", str);
Free (str);


X509_free (client_cert);/*如不再需要,需將證書釋放 */
}
else
printf ("Client does not have certificate./n");

/* 數據交換開始,用SSL_write,SSL_read代替write,read */
err = SSL_read (ssl, buf, sizeof(buf) - 1);
CHK_SSL(err);
buf[err] = '/0';
printf ("Got %d chars:'%s'/n", err, buf);

err = SSL_write (ssl, "I hear you.", strlen("I hear you."));
CHK_SSL(err);

/* 收尾工作*/
shutdown (sd,2);
SSL_free (ssl);
SSL_CTX_free (ctx);

return 0;
}
/*****************************************************************
* EOF - serv.cpp
*****************************************************************/

五.參考文獻

1.SSL規範(draft302)
2.TLS標準(rfc2246)
3.openssl源程序及文檔
4.SSLeay Programmer Reference
5.Introducing SSL and Certificates using SSLeay