用openssl编写SSL,TLS程序

作者：yawl(yawl@nsfocus.com)
日期：2000-08-15

一:简介:

SSL(Secure Socket Layer).netscape公司提出的主要用于web的安全通信标准,分为2.0版和3.0版.TLS(Transport Layer Security)是IETF的TLS 工作组在SSL3.0基础之上提出的安全通信标准,目前版本是1.0,即RFC2246.SSL/TLS提供的安全机制可以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,甚至可以用其建立一个完整的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的通信程序. Apache的https两种版本 mod_ssl和apachessl均基于它实现的.openssl继承于ssleay,并做了一定的扩展,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也至今没做完整:-(,如果想用它编程序,除了熟悉已有的文档(包括 ssleay,mod_ssl,apachessl的文档)外,可以到它的maillist上找相关的帖子,许多问题可以在以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,我们的目的是利用SSL/TLS的特性保证通信双方能够互相验证对方身份(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();

/*把建立好的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()即可*/
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();

/*把建立好的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()即可*/
SSL_read (ssl, buf, sizeof(buf));

根据RFC2246(TLS1.0)整个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

对程序来说,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.而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能够成功验证对方,步骤如下:

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便是指加密算法,当然也可以选用其他你认为安全的算法.),以后每当需读取此文 件(通过openssl提供的命令或API)都需输入口令.如果觉得不方便,也可以去除这个口令,但一定要采取其他的保护措施!
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签名后形成服务端自己的证书.屏幕上将有提示,依照其指示一步一步输入要 求的个人信息即可.

3.对客户端也作同样的命令生成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的签名才可形成证书.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自签名的证书:
openssl req -new -x509 -key ca.key -out ca.crt
如果想让此证书有个期限,如一年,则加上"-days 365".
("如果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:
可以用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,如果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).

现在我们所需的全部文件便生成了.

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,但此处就不作介绍了.

三:需要了解的一些函数:

1.int SSL_CTX_set_cipher_list(SSL_CTX *,const char *str);
根据SSL/TLS规范,在ClientHello中,客户端会提交一份自己能够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
这些算法按一定优先级排列,如果不作任何指定,将选用DES-CBC3-SHA.用SSL_CTX_set_cipher_list可以指定自己希望用的算法(实际上只是 提高其优先级,是否能使用还要看对方是否支持).

我们在程序中选用了RC4做加密,MD5做消息摘要(先进行MD5运算,后进行RC4加密).即
SSL_CTX_set_cipher_list(ctx,"RC4-MD5");

在消息传输过程中采用对称加密(比公钥加密在速度上有极大的提高),其所用秘钥(shared secret)在握手过程中中协商(每次对话过程均不同, 在一次对话中都有可能有几次改变),并通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,如果想要验证对方的话,便要将此项变成SSL_VERIFY_PEER.SSL/TLS中缺省只验证server,如果没有设置 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,当然装要有CA的证书了,此函数用来便是加载CA的证书文件的.

4.int SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file, int type);
加载自己的证书文件.

5.int SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx, const char *file, int type);
加载自己的私钥,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,自己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)的一个主要机制便是与UNIX平台下的随机数生成机制不同(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,作为"seed".
还可以采用一下两个函数:
void RAND_screen(void);
int RAND_event(UINT, WPARAM, LPARAM);
其中RAND_screen()以屏幕内容作为"seed"产生随机数,RAND_event可以捕获windows中的事件(event),以此为基础 产生随机数.如果一直有 用户干预的话,用这种办法产生的随机数能够"更加随机",但如果机器一直没人理(如总停在登录画面),则每次都将产生同样的数字.

这几个函数都只在WIN32环境下编译时有用,各种UNIX下就不必调了.
大量其他的相关函数原型,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作,用openssl编写SSL/TLS程序的话第一句便应是它.

9.void SSL_load_error_strings(void );
如果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);
如果调用了SSL_load_error_strings()后,便可以随时用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,便可以用此函数从SSL结构中提取出对方的证书(此时证书得到且已经验证过了)整理成X509结构.

12.X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a);
得到证书所有者的名字,参数可用通过SSL_get_peer_certificate()得到的X509对象.

13.X509_NAME *X509_get_issuer_name(X509 *a)
得到证书签署者(往往是CA)的名字,参数可用通过SSL_get_peer_certificate()得到的X509对象.

14.char *X509_NAME_oneline(X509_NAME *a,char *buf,int size);
将以上两个函数得到的对象变成字符型,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一种协议(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,做了一些修改,并增加了一些功能.

/******************************************************************************************
*SSL/TLS客户端程序WIN32版(以demos/cli.cpp为基础)
*需要用到动态连接库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
#include
#include
#include
#include

#include

#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(); /*为打印调试信息作准备*/

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));

/*以下是正常的TCP socket建立过程 .............................. */
printf("Begin tcp socket...\n");

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

memset (&sa, '', 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 链接已建立.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);

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

/*得到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); /*如不再需要,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] = '';
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服务端程序WIN32版(以demos/server.cpp为基础)
*需要用到动态连接库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
#include
#include
#include
#include

#include

#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(); /*为打印调试信息作准备*/
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, '', 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链接*/
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连接已建立,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);


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

/*得到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);/*如不再需要,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] = '';
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
*****************************************************************/

五.参考文献

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