用openssl编写SSL,TLS程序

用openssl编写SSL,TLS程序 发布日期：2002-09-19 文章内容： -------------------------------------------------------------------------------- 做者：yawl(yawl@nsfocus.com) 日期：2000-08-15 一:简介: SSL(Secure Socket Layer)是netscape公司提出的主要用于web的安全通讯标准,分为2.0版和3.0版.TLS(Transport Layer Security)是IETF的TLS 工做组在SSL3.0基础之上提出的安全通讯标准,目前版本是1.0,即RFC2246.SSL/TLS提供的安全机制能够保证应用层数据在互联网络传输 不 被监听,伪造和窜改. openssl(www.openssl.org)是sslv2,sslv3,tlsv1的一份完整实现,内部包含了大量加密算法程序.其命令行提供了丰 富的加密,验证,证书生成等功 能,甚至能够用其创建一个完整的CA.与其同时,它也提供了一套完整的库函数,可用开发用SSL/TLS的通讯程序. Apache的https两种版本 mod_ssl和apachessl均基于它实现的.openssl继承于ssleay,并作了必定的扩展,当前的版本是0.9.5a. openssl的缺点是文档太少,连一份完整的函数说明都没有,man page也至今没作完整:-(,若是想用它编程序,除了熟悉已有的文档(包括 ssleay,mod_ssl,apachessl的文档)外,能够到它的maillist上找相关的帖子,许多问题能够在之前的文章中找到答案. 编程: 程序分为两部分,客户端和服务器端,咱们的目的是利用SSL/TLS的特性保证通讯双方可以互相验证对方身份(真实性),并保证数据的完整性, 私密性. 1.客户端程序的框架为: /*生成一个SSL结构*/ meth = SSLv23_client_method(); ctx = SSL_CTX_new (meth); ssl = SSL_new(ctx); /*下面是正常的socket过程*/ fd = socket(); connect(); /*把创建好的socket和SSL结构联系起来*/ SSL_set_fd(ssl,fd); /*SSL的握手过程*/ SSL_connect(ssl); /*接下来用SSL_write(), SSL_read()代替原有的write(),read()便可*/ SSL_write(ssl,"Hello world",strlen("Hello World!")); 2.服务端程序的框架为: /*生成一个SSL结构*/ meth = SSLv23_server_method(); ctx = SSL_CTX_new (meth); ssl = SSL_new(ctx); /*下面是正常的socket过程*/ fd = socket(); bind(); listen(); accept(); /*把创建好的socket和SSL结构联系起来*/ SSL_set_fd(ssl,fd); /*SSL的握手过程*/ SSL_connect(ssl); /*接下来用SSL_write(), SSL_read()代替原有的write(),read()便可*/ SSL_read (ssl, buf, sizeof(buf)); 根据RFC2246(TLS1.0)整个TLS(SSL)的流程以下: Client Server ClientHello --------> ServerHello Certificate* ServerKeyExchange* CertificateRequest* <-------- ServerHelloDone Certificate* ClientKeyExchange CertificateVerify* [ChangeCipherSpec] Finished --------> [ChangeCipherSpec] <-------- Finished Application Data <-------> Application Data 对程序来讲,openssl将整个握手过程用一对函数体现,即客户端的SSL_connect和服务端的SSL_accept.然后的应用层数据交换则用SSL_read和 SSL_write来完成. 二:证书文件生成 除将程序编译成功外,还需生成必要的证书和私钥文件使双方可以成功验证对方,步骤以下: 1.首先要生成服务器端的私钥(key文件): openssl genrsa -des3 -out server.key 1024 运行时会提示输入密码,此密码用于加密key文件(参数des3即是指加密算法,固然也能够选用其余你认为安全的算法.),之后每当需读取此文 件(经过openssl提供的命令或API)都需输入口令.若是以为不方便,也能够去除这个口令,但必定要采起其余的保护措施! 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文件交给CA签名后造成服务端本身的证书.屏幕上将有提示,依照其指示一步一步输入要 求的我的信息便可. 3.对客户端也做一样的命令生成key及csr文件: openssl genrsa -des3 -out client.key 1024 openssl req -new -key client.key -out client.csr 4.CSR文件必须有CA的签名才可造成证书.可将此文件发送到verisign等地方由它验证,要交一大笔钱,何不本身作CA呢. 首先生成CA的key文件: openssl -des3 -out ca.key 1024 在生成CA自签名的证书: openssl req -new -x509 -key ca.key -out ca.crt 若是想让此证书有个期限,如一年,则加上"-days 365". ("若是非要为这个证书加上一个期限,我情愿是..一万年") 5.用生成的CA的证书为刚才生成的server.csr,client.csr文件签名: 能够用openssl中CA系列命令,但不是很好用(也不是多难,唉,一言难尽),一篇文章中推荐用mod_ssl中的sign.sh脚本,试了一下,确实方便了不 少,若是ca.csr存在的话,只需: ./sigh.sh server.csr ./sign.sh client.csr 相应的证书便生成了(后缀.crt). 如今咱们所需的所有文件便生成了. 其实openssl中还附带了一个叫CA.pl的文件(在安装目录中的misc子目录下),可用其生成以上的文件,使用也比较方便,但此处就不做介绍了. 三:须要了解的一些函数: 1.int SSL_CTX_set_cipher_list(SSL_CTX *,const char *str); 根据SSL/TLS规范,在ClientHello中,客户端会提交一份本身可以支持的加密方法的列表,由服务端选择一种方法后在ServerHello中通知服务端, 从而完成加密算法的协商. 可用的算法为: 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 这些算法按必定优先级排列,若是不做任何指定,将选用DES-CBC3-SHA.用SSL_CTX_set_cipher_list能够指定本身但愿用的算法(实际上只是 提升其优先级,是否能使用还要看对方是否支持). 咱们在程序中选用了RC4作加密,MD5作消息摘要(先进行MD5运算,后进行RC4加密).即 SSL_CTX_set_cipher_list(ctx,"RC4-MD5"); 在消息传输过程当中采用对称加密(比公钥加密在速度上有极大的提升),其所用秘钥(shared secret)在握手过程当中中协商(每次对话过程均不一样, 在一次对话中都有可能有几回改变),并经过公钥加密的手段由客户端提交服务端. 2.void SSL_CTX_set_verify(SSL_CTX *ctx,int mode,int (*callback)(int, X509_STORE_CTX *)); 缺省mode是SSL_VERIFY_NONE,若是想要验证对方的话,便要将此项变成SSL_VERIFY_PEER.SSL/TLS中缺省只验证server,若是没有设置 SSL_VERIFY_PEER的话,客户端连证书都不会发过来. 3.int SSL_CTX_load_verify_locations(SSL_CTX *ctx, const char *CAfile,const char *CApath); 要验证对方的话,固然装要有CA的证书了,此函数用来即是加载CA的证书文件的. 4.int SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file, int type); 加载本身的证书文件. 5.int SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx, const char *file, int type); 加载本身的私钥,以用于签名. 6.int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx); 调用了以上两个函数后,本身检验一下证书与私钥是否配对. 7.void RAND_seed(const void *buf,int num); 在win32的环境中client程序运行时出错(SSL_connect返回-1)的一个主要机制即是与UNIX平台下的随机数生成机制不一样(握手的时 候用的到). 具体描述可见mod_ssl的FAQ.解决办法就是调用此函数,其中buf应该为一随机的字符串,做为"seed". 还能够采用一下两个函数: void RAND_screen(void); int RAND_event(UINT, WPARAM, LPARAM); 其中RAND_screen()以屏幕内容做为"seed"产生随机数,RAND_event能够捕获windows中的事件(event),以此为基础 产生随机数.若是一直有 用户干预的话,用这种办法产生的随机数可以"更加随机",但若是机器一直没人理(如总停在登陆画面),则每次都将产生一样的数字. 这几个函数都只在WIN32环境下编译时有用,各类UNIX下就没必要调了. 大量其余的相关函数原型,见crypto/rand/rand.h. 8.OpenSSL_add_ssl_algorithms()或SSLeay_add_ssl_algorithms() 其实都是调用int SSL_library_init(void) 进行一些必要的初始化工做,用openssl编写SSL/TLS程序的话第一句便应是它. 9.void SSL_load_error_strings(void ); 若是想打印出一些方便阅读的调试信息的话,便要在一开始调用此函数. 10.void ERR_print_errors_fp(FILE *fp); 若是调用了SSL_load_error_strings()后,即可以随时用ERR_print_errors_fp()来打印错误信息了. 11.X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *s); 握手完成后,即可以用此函数从SSL结构中提取出对方的证书(此时证书获得且已经验证过了)整理成X509结构. 12.X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a); 获得证书全部者的名字,参数可用经过SSL_get_peer_certificate()获得的X509对象. 13.X509_NAME *X509_get_issuer_name(X509 *a) 获得证书签署者(每每是CA)的名字,参数可用经过SSL_get_peer_certificate()获得的X509对象. 14.char *X509_NAME_oneline(X509_NAME *a,char *buf,int size); 将以上两个函数获得的对象变成字符型,以便打印出来. 15.SSL_METHOD的构造函数,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 */ 在程序中究竟采用哪种协议(TLSv1/SSLv2/SSLv3),就看调哪一组构造函数了. 四:程序源代码(WIN32版本): 基本上是改造的openssl自带的demos目录下的cli.cpp,serv.cpp文件,作了一些修改,并增长了一些功能. /****************************************************************************************** *SSL/TLS客户端程序WIN32版(以demos/cli.cpp为基础) *须要用到动态链接库libeay32.dll,ssleay.dll, *同时在setting中加入ws2_32.lib libeay32.lib ssleay32.lib, *以上库文件在编译openssl后可在out32dll目录下找到, *所需证书文件请参照文章自行生成*/ ******************************************************************************************/ #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" /*全部须要的参数信息都在此处以#define的形式提供*/ #define CERTF "client.crt" /*客户端的证书(需经CA签名)*/ #define KEYF "client.key" /*客户端的私钥(建议加密存储)*/ #define CACERT "ca.crt" /*CA 的证书*/ #define PORT 1111 /*服务端的端口*/ #define SERVER_ADDR "127.0.0.1" /*服务段的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]; /*存放随机序列*/ 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(); /*为打印调试信息做准备*/ meth = TLSv1_client_method(); /*采用什么协议(SSLv2/SSLv3/TLSv1)在此指定*/ ctx = SSL_CTX_new (meth); CHK_NULL(ctx); SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER,NULL); /*验证与否*/ SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CACERT,NULL); /*若验证,则放置CA证书*/ 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); } /*构建随机数生成机制,WIN32平台必需*/ srand( (unsigned)time( NULL ) ); for( int i = 0; i < 100;i++ ) seed_int[i] = rand(); RAND_seed(seed_int, sizeof(seed_int)); /*如下是正常的TCP socket创建过程 .............................. */ 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 连接已创建.开始 SSL 握手过程.......................... */ printf("Begin SSL negotiation /n"); ssl = SSL_new (ctx); CHK_NULL(ssl); SSL_set_fd (ssl, sd); err = SSL_connect (ssl); CHK_SSL(err); /*打印全部加密算法的信息(可选)*/ printf ("SSL connection using %s/n", SSL_get_cipher (ssl)); /*获得服务端的证书并打印些信息(可选) */ 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); /*如再也不须要,需将证书释放 */ /* 数据交换开始,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 */ /* 收尾工做 */ shutdown (sd,2); SSL_free (ssl); SSL_CTX_free (ctx); return 0; } /*************************************************************************************** * EOF - cli.cpp ***************************************************************************************/ /*************************************************************************************** *SSL/TLS服务端程序WIN32版(以demos/server.cpp为基础) *须要用到动态链接库libeay32.dll,ssleay.dll, *同时在setting中加入ws2_32.lib libeay32.lib ssleay32.lib, *以上库文件在编译openssl后可在out32dll目录下找到, *所需证书文件请参照文章自行生成. ***************************************************************************************/ #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" /*全部须要的参数信息都在此处以#define的形式提供*/ #define CERTF "server.crt" /*服务端的证书(需经CA签名)*/ #define KEYF "server.key" /*服务端的私钥(建议加密存储)*/ #define CACERT "ca.crt" /*CA 的证书*/ #define PORT 1111 /*准备绑定的端口*/ #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(); /*为打印调试信息做准备*/ OpenSSL_add_ssl_algorithms(); /*初始化*/ meth = TLSv1_server_method(); /*采用什么协议(SSLv2/SSLv3/TLSv1)在此指定*/ ctx = SSL_CTX_new (meth); CHK_NULL(ctx); SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER,NULL); /*验证与否*/ SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CACERT,NULL); /*若验证,则放置CA证书*/ 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"); /*开始正常的TCP socket过程.................................*/ 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连接*/ 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链接已创建,进行服务端的SSL过程. */ 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); /*打印全部加密算法的信息(可选)*/ printf ("SSL connection using %s/n", SSL_get_cipher (ssl)); /*获得服务端的证书并打印些信息(可选) */ 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);/*如再也不须要,需将证书释放 */ } else printf ("Client does not have certificate./n"); /* 数据交换开始,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); /* 收尾工做*/ shutdown (sd,2); SSL_free (ssl); SSL_CTX_free (ctx); return 0; } /***************************************************************** * EOF - serv.cpp *****************************************************************/ 五.参考文献 1.SSL规范(draft302) 2.TLS标准(rfc2246) 3.openssl源程序及文档 4.SSLeay Programmer Reference 5.Introducing SSL and Certificates using SSLeay