使用 OpenSSL API 进行安全编程

时间  2019-11-20
标签 使用 openssl api 进行 安全 编程 栏目 SSL 繁體版
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建立基本的安全链接和非安全链接php

Kenneth Ballard ( kenneth.ballard@ptk.org), 自由程序员
Kenneth 是 Peru State College（位于 Peru, Nebraska）计算机科学专业的大四学生。他仍是学生报 The Peru State Times 的职业做者。他拥有 Southwestern Community College （位于 Creston, Iowa）计算机编程专业的理学副学士（Associate of Science）学位，在这所大学里，他是一名半工半读的 PC 技术员。他的研究领域包括 Java、C++、COBOL、 Visual Basic 和网络。

 

简介： 学习如何使用 OpenSSL —— 用于安全通讯的最著名的开放库 —— 的 API 有些强人所难，由于其文档并不彻底。您能够经过本文中的提示补充这方面的知识，并驾驭该 API。在创建基本的链接以后，就能够查看如何使用 OpenSSL 的 BIO 库来创建安全链接和非安全链接。与此同时，您还会学到一些关于错误检测的知识。html

 

OpenSSL API 的文档有些含糊不清。由于尚未多少关于 OpenSSL 使用的教程，因此对初学者来讲，在应用程序中使用它可能会有一些困难。那么怎样才能使用 OpenSSL 实现一个基本的安全链接呢？本教程将帮助您解决这个问题。java

学习如何实现 OpenSSL 的困难部分在于其文档的不彻底。不彻底的 API 文档一般会妨碍开发人员使用该 API，而这一般意味着它注定要失败。但 OpenSSL 仍然很活跃，并且正逐渐变得强大。这是为何？linux

OpenSSL 是用于安全通讯的最著名的开放库。在 google 中搜索“SSL library”获得的返回结果中，列表最上方就是 OpenSSL。它诞生于 1998 年，源自 Eric Young 和 Tim Hudson 开发的 SSLeay 库。其余 SSL 工具包包括遵循 GNU General Public License 发行的 GNU TLS，以及 Mozilla Network Security Services（NSS）（请参阅本文后面的 参考资料 ，以得到其余信息）。程序员

那么，是什么使得 OpenSSL 比 GNU TLS、Mozilla NSS 或其余全部的库都优越呢？许但是一方面因素（请参阅 参考资料）。此外，GNS TLS（迄今为止）只支持 TLS v1.0 和 SSL v3.0 协议，仅此而已。算法

Mozilla NSS 的发行既遵循 Mozilla Public License 又遵循 GNU GPL，它容许开发人员进行选择。不过，Mozilla NSS 比 OpenSSL 大，而且须要其余外部库来对库进行编译，而 OpenSSL 是彻底自包含的。与 OpenSSL 相同，大部分 NSS API 也没有文档资料。Mozilla NSS 得到了 PKCS #11 支持，该支持能够用于诸如智能卡这样的加密标志。OpenSSL 就不具有这一支持。编程

先决条件api

要充分理解并利用本文，您应该：安全

  • 精通 C 编程。
  • 熟悉 Internet 通讯和支持 Internet 的应用程序的编写。

并不绝对要求您熟悉 SSL ，由于稍后将给出对 SLL 的简短说明；不过，若是您但愿获得详细论述 SSL 的文章的连接，请参阅 参考资料部分。拥有密码学方面的知识当然好，但这并非必需的。服务器

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什么是 SSL？

SSL 是一个缩写，表明的是 Secure Sockets Layer。它是支持在 Internet 上进行安全通讯的标准，而且将数据密码术集成到了协议之中。数据在离开您的计算机以前就已经被加密，而后只有到达它预约的目标后才被解密。证书和密码学算法支持了这一切的运转，使用 OpenSSL，您将有机会切身体会它们。

理论上，若是加密的数据在到达目标以前被截取或窃听，那些数据是不可能被破解的。不过，因为计算机的变化一年比一年快，并且密码翻译方法有了新的发展，所以，SSL 中使用的加密协议被破解的可能性也在增大。

能够将 SSL 和安全链接用于 Internet 上任何类型的协议，无论是 HTTP、POP3，仍是 FTP。还能够用 SSL 来保护 Telnet 会话。虽然能够用 SSL 保护任何链接，可是没必要对每一类链接都使用 SSL。若是链接传输敏感信息，则应使用 SSL。

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什么是 OpenSSL？

OpenSSL 不只仅是 SSL。它能够实现消息摘要、文件的加密和解密、数字证书、数字签名和随机数字。关于 OpenSSL 库的内容很是多，远不是一篇文章能够容纳的。

OpenSSL 不仅是 API，它仍是一个命令行工具。命令行工具能够完成与 API 一样的工做，并且更进一步，能够测试 SSL 服务器和客户机。它还让开发人员对 OpenSSL 的能力有一个认识。要得到关于如何使用 OpenSSL 命令行工具的资料，请参阅 参考资料部分。

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您须要什么

首先须要的是最新版本的 OpenSSL。查阅参考资料部分，以肯定从哪里能够得到最新的能够本身编译的源代码，或者最新版本的二进制文件（若是您不但愿花费时间来编译的话）。不过，为了安全起见，我建议您下载最新的源代码并本身编译它。二进制版本一般是由第三方而不是由 OpenSSL 的开发人员来编译和发行的。

一些 Linux 的发行版本附带了 OpenSSL 的二进制版本，对于学习如何使用 OpenSSL 库来讲，这足够了；不过，若是您打算去作一些实际的事情，那么必定要获得最新的版本，并保持该版本一直是最新的。

对于以 RPM 形式安装的 Linux 发行版本（Red Hat、Mandrake 等），建议您经过从发行版本制造商那里得到 RPM 程序包来更新您的 OpenSSL 发行版本。出于安全方面的缘由，建议您使用最新版本的发行版本。若是您的发行版本不能使用最新版本的 OpenSSL，那么建议您只覆盖库文件，不要覆盖可执行文件。OpenSSL 附带的 FAQ 文档中包含了有关这方面的细节。

还要注意的是，OpenSSL 并无在全部的平台上都得到官方支持。虽然制造商已经尽力使其可以跨平台兼容，但仍然存在 OpenSSL 不能用于您的计算机 和/或 操做系统的可能。请参阅 OpenSSL 的 Web 站点（ 参考资料 中的连接），以得到关于哪些平台能够获得支持的信息。

若是想使用 OpenSSL 来生成证书请求和数字证书，那么必须建立一个配置文件。在 OpenSSL 程序包的 apps 文件夹中，有一个名为 openssl.cnf 的可用模板文件。我不会对该文件进行讨论，由于这不在本文要求范围以内。不过，该模板文件有一些很是好的注释，并且若是在 Internet 上搜索，您能够找到不少讨论修改该文件的教程。

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头文件和初始化

本教程所使用的头文件只有三个：ssl.h、bio.h 和 err.h。它们都位于 openssl 子目录中，并且都是开发您的项目所必需的。要初始化 OpenSSL 库，只须要三个代码行便可。清单 1 中列出了全部内容。其余的头文件 和/或 初始化函数多是其余一些功能所必需的。


清单 1. 必需的头文件 

/* OpenSSL headers */
#include "openssl/bio.h"
#include "openssl/ssl.h"
#include "openssl/err.h"
/* Initializing OpenSSL */
SSL_load_error_strings();
ERR_load_BIO_strings();
OpenSSL_add_all_algorithms();

 

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创建非安全链接

无论链接是安全的仍是不安全的，OpenSSL 都使用了一个名为 BIO 的抽象库来处理包括文件和套接字在内的各类类型的通讯。您还能够将 OpenSSL 设置成为一个过滤器，好比用于 UU 或 Base64 编码的过滤器。

在这里对 BIO 库进行全面说明有点麻烦，因此我将根据须要一点一点地介绍它。首先，我将向您展现如何创建一个标准的套接字链接。相对于使用 BSD 套接字库，该操做须要的代码行更少一些。

在创建链接（不管安全与否）以前，要建立一个指向 BIO 对象的指针。这相似于在标准 C 中为文件流建立 FILE 指针。


清单 2. 指针 

BIO * bio;

 

打开链接

建立新的链接须要调用 BIO_new_connect 。您能够在同一个调用中同时指定主机名和端口号。也能够将其拆分为两个单独的调用：一个是建立链接并设置主机名的 BIO_new_connect 调用，另外一个是设置端口号的 BIO_set_conn_port （或者 BIO_set_conn_int_port ）调用。

无论怎样，一旦 BIO 的主机名和端口号都已指定，该指针会尝试打开链接。没有什么能够影响它。若是建立 BIO 对象时遇到问题，指针将会是 NULL。为了确保链接成功，必须执行 BIO_do_connect 调用。


清单 3. 建立并打开链接 

bio = BIO_new_connect("hostname:port");
if(bio == NULL)
{
    /* Handle the failure */
}
if(BIO_do_connect(bio) <= 0)
{
    /* Handle failed connection */
}

 

在这里，第一行代码使用指定的主机名和端口建立了一个新的 BIO 对象，并以所示风格对该对象进行 格式化。例如，若是您要链接到 www.ibm.com 的 80 端口，那么该字符串将是 www.ibm.com:80 。调用 BIO_do_connect 检查链接是否成功。若是出错，则返回 0 或 -1。

与服务器进行通讯

无论 BIO 对象是套接字仍是文件，对其进行的读和写操做都是经过如下两个函数来完成的： BIO_read 和 BIO_write 。很简单，对吧？精彩之处就在于它始终如此。

BIO_read 将尝试从服务器读取必定数目的字节。它返回读取的字节数、 0 或者 -1。在受阻塞的链接中，该函数返回 0，表示链接已经关闭，而 -1 则表示链接出现错误。在非阻塞链接的状况下，返回 0 表示没有能够得到的数据，返回 -1 表示链接出错。能够调用 BIO_should_retry 来肯定是否可能重复出现该错误。


清单 4. 从链接读取 

int x = BIO_read(bio, buf, len);
if(x == 0)
{
    /* Handle closed connection */
}
else if(x < 0)
{
   if(! BIO_should_retry(bio))
    {
        /* Handle failed read here */
    }
    /* Do something to handle the retry */
}

 

BIO_write 会试着将字节写入套接字。它将返回实际写入的字节数、0 或者 -1。同 BIO_read ，0 或 -1 不必定表示错误。 BIO_should_retry 是找出问题的途径。若是须要重试写操做，它必须使用和前一次彻底相同的参数。


清单 5. 写入到链接 

if(BIO_write(bio, buf, len) <= 0)
{
    if(! BIO_should_retry(bio))
    {
        /* Handle failed write here */
    }
    /* Do something to handle the retry */
}

 

关闭链接

关闭链接也很简单。您可使用如下两种方式之一来关闭链接： BIO_reset 或 BIO_free_all 。若是您还须要从新使用对象，那么请使用第一种方式。若是您再也不从新使用它，则可使用第二种方式。

BIO_reset 关闭链接并从新设置 BIO 对象的内部状态，以即可以从新使用链接。若是要在整个应用程序中使用同一对象，好比使用一台安全的聊天客户机，那么这样作是有益的。该函数没有返回值。

BIO_free_all 所作正如其所言：它释放内部结构体，并释放全部相关联的内存，其中包括关闭相关联的套接字。若是将 BIO 嵌入于一个类中，那么应该在类的析构函数中使用这个调用。


清单 6. 关闭链接 

/* To reuse the connection, use this line */
BIO_reset(bio);
/* To free it from memory, use this line */
BIO_free_all(bio);

 

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创建安全链接

如今须要给出创建安全链接须要作哪些事情。唯一要改变的地方就是创建并进行链接。其余全部内容都是相同的。

安全链接要求在链接创建后进行握手。在握手过程当中，服务器向客户机发送一个证书，而后，客户机根据一组可信任证书来核实该证书。它还将检查证书，以确保它没有过时。要检验证书是可信任的，须要在链接创建以前提早加载一个可信任证书库。

只有在服务器发出请求时，客户机才会向服务器发送一个证书。该过程叫作客户机认证。使用证书，在客户机和服务器之间传递密码参数，以创建安全链接。尽管握手是在创建链接以后才进行的，可是客户机或服务器能够在任什么时候刻请求进行一次新的握手。

参考资料 部分中列出的 Netscasp 文章和 RFC 2246 ，对握手以及创建安全链接的其余方面的知识进行了更详尽的论述。

为安全链接进行设置

为安全链接进行设置要多几行代码。同时须要有另外一个类型为 SSL_CTX 的指针。该结构保存了一些 SSL 信息。您也能够利用它经过 BIO 库创建 SSL 链接。能够经过使用 SSL 方法函数调用 SSL_CTX_new 来建立这个结构，该方法函数一般是 SSLv23_client_method 。

还须要另外一个 SSL 类型的指针来保持 SSL 链接结构（这是短期就能完成的一些链接所必需的）。之后还能够用该 SSL 指针来检查链接信息或设置其余 SSL 参数。


清单 7. 设置 SSL 指针 

SSL_CTX * ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());
SSL * ssl;

 

加载可信任证书库

在建立上下文结构以后，必须加载一个可信任证书库。这是成功验证每一个证书所必需的。若是不能确认证书是可信任的，那么 OpenSSL 会将证书标记为无效（但链接仍能够继续）。

OpenSSL 附带了一组可信任证书。它们位于源文件树的 certs 目录中。不过，每一个证书都是一个独立的文件 —— 也就是说，须要单独加载每个证书。在 certs 目录下，还有一个存放过时证书的子目录。试图加载这些证书将会出错。

若是您愿意，能够分别加载每个文件，但为了简便起见，最新的 OpenSSL 发行版本的可信任证书一般存放在源代码档案文件中，这些档案文件位于名为“TrustStore.pem”的单个文件中。若是已经有了一个可信任证书库，并打算将它用于特定的项目中，那么只需使用您的文件替换清单 8 中的“TrustStore.pem”（或者使用单独的函数调用将它们所有加载）便可。

能够调用 SSL_CTX_load_verify_locations 来加载可信任证书库文件。这里要用到三个参数：上下文指针、可信任库文件的路径和文件名，以及证书所在目录的路径。必须指定可信任库文件或证书的目录。若是指定成功，则返回 1，若是遇到问题，则返回 0。


清单 8. 加载信任库 

if(! SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, "/path/to/TrustStore.pem", NULL))
{
    /* Handle failed load here */
}

 

若是打算使用目录存储可信任库，那么必需要以特定的方式命名文件。OpenSSL 文档清楚地说明了应该如何去作，不过，OpenSSL 附带了一个名为 c_rehash 的工具，它能够将文件夹配置为可用于 SSL_CTX_load_verify_locations 的路径参数。


清单 9. 配置证书文件夹并使用它 

/* Use this at the command line */
c_rehash /path/to/certfolder
/* then call this from within the application */
if(! SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, NULL, "/path/to/certfolder"))
{
    /* Handle error here */
}

 

为了指定全部须要的验证证书，您能够根据须要命名任意数量的单独文件或文件夹。您还能够同时指定文件和文件夹。

建立链接

将指向 SSL 上下文的指针做为唯一参数，使用 BIO_new_ssl_connect 建立 BIO 对象。还须要得到指向 SSL 结构的指针。在本文中，只将该指针用于 SSL_set_mode 函数。而这个函数是用来设置 SSL_MODE_AUTO_RETRY 标记的。使用这个选项进行设置，若是服务器忽然但愿进行一次新的握手，那么 OpenSSL 能够在后台处理它。若是没有这个选项，当服务器但愿进行一次新的握手时，进行读或写操做都将返回一个错误，同时还会在该过程当中设置 retry 标记。


清单 10. 设置 BIO 对象 

bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);
BIO_get_ssl(bio, & ssl);
SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY);

 

设置 SSL 上下文结构以后，就能够建立链接了。主机名是使用 BIO_set_conn_hostname 函数设置的。主机名和端口的指定格式与前面的相同。该函数还能够打开到主机的链接。为了确认已经成功打开链接，必须执行对 BIO_do_connect 的调用。该调用还将执行握手来创建安全链接。


清单 11. 打开安全链接 

/* Attempt to connect */
BIO_set_conn_hostname(bio, "hostname:port");
/* Verify the connection opened and perform the handshake */
if(BIO_do_connect(bio) <= 0)
{
    /* Handle failed connection */
}

 

链接创建后，必须检查证书，以肯定它是否有效。实际上，OpenSSL 为咱们完成了这项任务。若是证书有致命的问题（例如，哈希值无效），那么将没法创建链接。可是，若是证书的问题并非致命的（当它已通过期或者尚不合法时），那么仍能够继续使用链接。

能够将 SSL 结构做为唯一参数，调用 SSL_get_verify_result 来查明证书是否经过了 OpenSSL 的检验。若是证书经过了包括信任检查在内的 OpenSSL 的内部检查，则返回 X509_V_OK。若是有地方出了问题，则返回一个错误代码，该代码被记录在命令行工具的 verify 选项下。

应该注意的是，验证失败并不意味着链接不能使用。是否应该使用链接取决于验证结果和安全方面的考虑。例如，失败的信任验证可能只是意味着没有可信任的证书。链接仍然可用，只是须要从思想上提升安全意识。


清单 12. 检查证书是否有效 

if(SSL_get_verify_result(ssl) != X509_V_OK)
{
    /* Handle the failed verification */
}

 

这就是所须要的所有操做。一般，与服务器进行通讯都要使用 BIO_read 和 BIO_write 。而且只需调用 BIO_free_all 或 BIO_reset ，就能够关闭链接，具体调用哪个方法取决因而否重用 BIO。

必须在结束应用程序以前的某个时刻释放 SSL 上下文结构。能够调用 SSL_CTX_free 来释放该结构。


清单 13. 清除 SSL 上下文 

SSL_CTX_free(ctx);

 

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错误检测

显然 OpenSSL 抛出了某种类型的错误。这意味着什么？首先，您须要获得错误代码自己； ERR_get_error 能够完成这项任务；而后，须要将错误代码转换为错误字符串，它是一个指向由 SSL_load_error_strings 或 ERR_load_BIO_strings 加载到内存中的永久字符串的指针。能够在一个嵌套调用中完成这项操做。

表 1 略述了从错误栈检索错误的方法。清单 24 展现了如何打印文本字符串中的最后一个错误信息。

表 1. 从栈中检索错误

 

ERR_reason_error_string 返回一个静态字符串的指针，而后能够将字符串显示在屏幕上、写入文件，或者以任何您但愿的方式进行处理
ERR_lib_error_string 指出错误发生在哪一个库中
ERR_func_error_string 返回致使错误的 OpenSSL 函数

 


清单 14. 打印出最后一个错误 

printf("Error: %s\n", ERR_reason_error_string(ERR_get_error()));

 

您还可让库给出预先格式化了的错误字符串。能够调用 ERR_error_string 来获得该字符串。该函数将错误代码和一个预分配的缓冲区做为参数。而这个缓冲区必须是 256 字节长。若是参数为 NULL，则 OpenSSL 会将字符串写入到一个长度为 256 字节的静态缓冲区中，并返回指向该缓冲区的指针。不然，它将返回您给出的指针。若是您选择的是静态缓冲区选项，那么在下一次调用 ERR_error_string 时，该缓冲区会被覆盖。


清单 15. 得到预先格式化的错误字符串 

printf("%s\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));

 

您还能够将整个错误队列转储到文件或 BIO 中。能够经过 ERR_print_errors 或 ERR_print_errors_fp 来实现这项操做。队列是以可读格式被转储的。第一个函数将队列发送到 BIO ，第二个函数将队列发送到 FILE 。字符串格式以下（引自 OpenSSL 文档）：

[pid]:error:[error code]:[library name]:[function name]:[reason string]:[file name]:[line]:[optional text message]

其中， [pid] 是进程 ID， [error code] 是一个 8 位十六进制代码， [file name] 是 OpenSSL 库中的源代码文件， [line] 是源文件中的行号。


清单 16. 转储错误队列 

ERR_print_errors_fp(FILE *);
ERR_print_errors(BIO *);

 

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开始作吧

使用 OpenSSL 建立基本的链接并不困难，可是，当试着肯定该如何去作时，文档多是一个小障碍。本文向您介绍了一些基本概念，但 OpenSSL 还有不少灵活之处有待发掘，并且您还可能须要一些高级设置，以便项目可以充分利用 SSL 的功能。

本文中有两个样例。一个样例展现了到 http://www.verisign.com/ 的非安全链接，另外一个则展现了到 http://www.verisign.com/ 的安全 SSL 链接。二者都是链接到服务器并下载其主页。它们没有进行任何安全检查，并且库中的全部设置都是默认值 —— 做为本文的一部分，应该只将这些用于教学目的。

在任何支持的平台上，源代码的编译都应该是很是容易的，不过我建议您使用最新版本的 OpenSSL。在撰写本文时，OpenSSL 的最新版本是 0.9.7d。

 

参考资料

关于做者

Kenneth 是 Peru State College（位于 Peru, Nebraska）计算机科学专业的大四学生。他仍是学生报 The Peru State Times 的职业做者。他拥有 Southwestern Community College （位于 Creston, Iowa）计算机编程专业的理学副学士（Associate of Science）学位，在这所大学里，他是一名半工半读的 PC 技术员。他的研究领域包括 Java、C++、COBOL、 Visual Basic 和网络。

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