OpenSSL 使用指南

http://www.fs2you.com/files/5b43b3b0-5e3d-11dd-9b38-0019d11a795f/?

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目錄

?? 介紹

?? 編譯

?? 運行 OpenSSL.exe

?? 算法編程 API

4.1 對稱算法

4.1.1 DES

4.1.2 A ES

4.1.3 RC4

4.1.4 EVP_

4.2 公鑰算法

4.3 Hash 算法

4.4 隨機數(shù)算法

?? SSL 協(xié)議編程 API

?? CA 和證書

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?? 參考網(wǎng)址

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?? 示例程序

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?? 介紹

OpenSSL 是使用非常廣泛的 SSL 的開源實現(xiàn)。由于其中實現(xiàn)了為 SSL 所用的各種加密算法，因此 OpenSSL 也是被廣泛使用的加密函數(shù)庫。

1.1 SSL

SSL(Secure Socket Layer) 安全協(xié)議是由 Netscape 公司首先提出，最初用在保護 Navigator 瀏覽器和 Web 服務(wù)器之間的 HTTP 通信 ( 即 HTTPS) 。后來 SSL 協(xié)議成為傳輸層安全通信事實上的標(biāo)準(zhǔn)，并被 IETF 吸收改進為 TLS(Transport Layer Security) 協(xié)議。

SSL/TLS 協(xié)議位于 TCP 協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)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(wù)。 SSL 作為一個協(xié)議框架，通信雙方可以選用合適的對稱算法、公鑰算法、 MAC 算法等密碼算法實現(xiàn)安全服務(wù)。

1.2 OpenSSL

OpenSSL 是著名的 SSL 的開源實現(xiàn)，是用 C 語言實現(xiàn)的。

OpenSSL 的前身是 SSLeay ，一個由 Eric Young 開發(fā)的 SSL 的開源實現(xiàn)，支持 SSLv2/v3 和 TLSv1 。

伴隨著 SSL 協(xié)議的普及應(yīng)用， OpenSSL 被廣泛應(yīng)用在基于 TCP/Socket 的網(wǎng)絡(luò)程序中，尤其是 OpenSSL 和 Apache 相結(jié)合，是很多電子商務(wù)網(wǎng)站服務(wù)器的典型配置。

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?? 編譯和安裝 OpenSSL

OpenSSL 開放源代碼，這對學(xué)習(xí)、分析 SSL 和各種密碼算法提供了機會，也便于在上面進一步開發(fā)。

2.1 獲得 OpenSSL

到 OpenSSL 的網(wǎng)站即可下載當(dāng)前版本的 OpenSSL 源代碼壓縮包。

當(dāng)前版本 openssl- 0.9.8 .tar.gz ，只有 3M 多，比較精簡。解壓縮后得到一個目錄 openssl-0.9.8 ，共有約 1800 個文件， 15M 。其中 crypto 子目錄中是眾多密碼算法實現(xiàn)， ssl 子目錄中是 SSL 協(xié)議的實現(xiàn)。

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 下如果要用加密算法的匯編代碼實現(xiàn)，還需要 masm 或 nasm 匯編器。 ( 匯編代碼可以比 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。

匯編器推薦使用 nasm 。

這些工具所在目錄必須加入到 PATH 環(huán)境變量中去。

2.3 編譯和安裝步驟

查看 readme 是個好習(xí)慣。從 readme 了解到需要進一步查看 INSTALL 和 INSTALL.W32 文件。

在 Windows 中：

>perl Configure VC-WIN32

>ms\do_nasm ( 如果不使用匯編代碼實現(xiàn)，則可 >ms\do_ms)

>nmake -f ms\ntdll.mak

>cd out32dll

>..\ms\test

編譯結(jié)果得到頭文件、鏈接庫、運行庫和 openssl.exe 工具。頭文件位于 ./inc32 或者 ./inculde 目錄，有一個 openssl 子目錄，內(nèi)有幾十個 .h 文件。鏈接庫即 ./out32dll 目錄中的 libeay32.lib 和 ssleay32.lib ，分別是密碼算法相關(guān)的和 ssl 協(xié)議相關(guān)的。運行庫是 ./out32dll 目錄中的 libeay32.dll 和 ssleay32.dll ，和鏈接庫相對應(yīng)。在 ./out32dll 中還有一個工具 openssl.exe ，可以直接用來測試性能、產(chǎn)生 RSA 密鑰、加解密文件，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，頭文件、庫文件、工具都已被安裝放到了合適的位置。庫文件是 .a 或 .so 格式。

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?? 使用 OpenSSL.exe

使用 OpenSSL.exe(Linux 中可執(zhí)行文件名是 openssl) 可以做很多工作，是一個很好的測試或調(diào)試工具。

3.1 版本和編譯參數(shù)

顯示版本和編譯參數(shù)： >openssl version -a

3.2 支持的子命令、密碼算法

查看支持的子命令： >openssl ?

SSL 密碼組合列表： >openssl ciphers

3.3 測試密碼算法速度

測試所有算法速度： >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(chǎn)生 RSA 密鑰對： >openssl genrsa -out 1.key 1024

取出 RSA 公鑰： >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 計算 Hash 值

計算文件的 MD5 值： >openssl md5 < 1.key

計算文件的 SHA1 值： >openssl sha1 < 1.key

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?? 算法編程 API

OpenSSL 中支持眾多的密碼算法，并提供了很好的封裝和接口。密碼算法主要分為如下幾類：對稱算法、公鑰算法、散列算法、隨機數(shù)產(chǎn)生算法等。

OpenSSL 的目標(biāo)是實現(xiàn)安全協(xié)議。其中相關(guān)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)包括： SSL/TLS 、 PKCS#1 、 PCKS#10 、 X.509 、 PEM 、 OCSP 等。

4.1 對稱算法接口

OpenSSL 中實現(xiàn)的對稱算法太多，舉三個例子： DES 、 AES 、 RC4 。

4.1.1 DES

DES 加密算法是分組算法。 DES 的基本操作是把 64 比特明文在 56 比特密鑰指引下加密成 64 比特密文。在實際使用中把密鑰看作 64 比特可以更方便。

DES （ IN ， KEY ） = OUT

(1) DES ECB 模式

在 OpenSSL 中 ECB 操作模式對應(yīng)的函數(shù)是 DES_ecb_encrypt() ，該函數(shù)把一個 8 字節(jié)明文分組 input 加密成為一個 8 字節(jié)密文分組 output 。參數(shù)中密鑰結(jié)構(gòu) ks 是用函數(shù) DES_set_key() 準(zhǔn)備好的，而密鑰 key 是用隨機數(shù)算法產(chǎn)生的 64 個隨機比特。參數(shù) enc 指示是加密還是解密。該函數(shù)每次只加密一個分組，因此用來加密很多數(shù)據(jù)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 算法 CBC 操作模式加解密函數(shù)是 DES_ncbc_encrypt() 。參數(shù) length 指示輸入字節(jié)長度。如果長度不是 8 字節(jié)的倍數(shù)，則會被用 0 填充到 8 字節(jié)倍數(shù)。因此，輸出可能比 length 長，而且必然是 8 字節(jié)的倍數(shù)。

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 操作模式加解密函數(shù)是 DES_cfb_encrypt() 。參數(shù) length 指示輸入字節(jié)長度。參數(shù) numbits 則指示了 CFB 每次循環(huán)加密多少明文比特，也即密文反饋的比特數(shù)目。 ivec 是初始向量，被看做第 0 個密文分組，是不用保密但應(yīng)隨機取值的 8 個字節(jié)。如果在一次會話中數(shù)次調(diào)用 DES_cfb_encrypt() ，則應(yīng)該記憶 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 比特的版本，既高效又沒有填充的麻煩，推薦使用。 num 中的返回值指示了 ivec 中的狀態(tài)，是和下次調(diào)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(shù)，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(shù)示例程序

見附件 A.1 。

4.1.2 A ES

AES 加密算法是分組算法。典型參數(shù)的 AES 的基本操作是把 128 比特明文在 128 比特密鑰指引下加密成 128 比特密文。

AES （ IN ， KEY ） = OUT

OpenSSL 中關(guān)于 AES 的函數(shù)名和參數(shù)接口和 DES 的雷同。相關(guān)函數(shù)名如下 ( 參數(shù)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 示例程序見附件 A.2 。

4.1.3 RC4

RC4 密碼算法是流算法，也叫序列算法。流算法是從密鑰作為種子產(chǎn)生密鑰流，明文比特流和密鑰流異或即加密。 RC4 算法由于算法簡潔，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 算法有兩個函數(shù) : RC4_set_key() 設(shè)置密鑰， RC4() 加解密?？梢园?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 示例程序見附件 A.3 。

例子 A.3.(1) 是利用 OpenSSL 動態(tài)庫函數(shù)。例子 A.3.(2) 是把 RC4 的實現(xiàn)代碼從 OpenSSL 中分離出來的。例子 A.3.(3) 是另一個演示實現(xiàn)。

4.2 公鑰算法

OpenSSL 中實現(xiàn)了 RSA 、 DSA 、 ECDSA 等公鑰算法。

4.2.1 RSA

RSA 是分組算法，典型的密鑰模長度 1024 比特時，分組即是 1024 比特，即 128 字節(jié)。

(1) RSA 密鑰

RSA 密鑰產(chǎn)生函數(shù) RSA_generate_key() ，需要指定模長比特數(shù) bits 和公鑰指數(shù) e 。另外兩個參數(shù)為 NULL 即可。

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

如果從文件中讀取密鑰，可使用函數(shù) PEM_read_bio_PrivateKey()/ PEM_read_bio_PUBKEY(); EVP_PKEY 中包含一個 RSA 結(jié)構(gòu)，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(shù) RSA_public_encrypt() 使用公鑰部分，解密函數(shù) RSA_private_decrypt() 使用私鑰。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 個字節(jié)（在 RSA_PKCS1_PADDING 時？）。輸出長度等于 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

簽名使用私鑰，驗證使用公鑰。 RSA 簽名是把被簽署消息的散列值編碼后用私鑰加密，因此函數(shù)中參數(shù) type 用來指示散列函數(shù)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(shù)示例程序

RSA 示例程序見附件 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 算法

Hash 算法舉 MD5 和 SHA1 兩個例子。 Hash 算法重復(fù)接收用戶輸入，直到最后一次結(jié)束時輸出散列結(jié)果。

4.3.1 MD5

MD5 算法輸出的散列值是 16 字節(jié)。

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 算法輸出的散列值是 20 字節(jié)。

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 示例程序見附件 A.5 。

md5sum 這是一個實用小工具，可以計算一個文件的 MD5 值。

4.4 隨機數(shù)算法

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

函數(shù) RAND_add() 可以添加隨機因素到內(nèi)部狀態(tài)中去。然后，即可以使用 RAND_bytes() 獲得隨機數(shù)。

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

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

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?? SSL 協(xié)議編程 API

5.1 客戶端

5.2 服務(wù)器端

5.3 SSL 示例程序

參見 A.6 。

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?? CA 和證書

6.1 OpenSSL 中 CA 的配置

6.2 配置示例

參見 A.7.(1) 。

6.3 證書解析

6.4 解析示例程序

參見 A.7.(2) 。

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?? 參考網(wǎng)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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?? 示例程序

注 : 此嵌入的文件對象可以被拖放到磁盤目錄中去。

?? 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 配置示例和證書解析示例程序

(1). (2).

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引自：http://www.cnblogs.com/ahuo/archive/2008/07/30/1256820.html