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想要入門密碼學的基礎知識，尤其是有關 OpenSSL 的入門知識嗎？繼續閱讀。

本文是使用 OpenSSL 的密碼學基礎知識的兩篇文章中的第一篇，OpenSSL 是在 Linux 和其他系統上流行的生產級庫和工具包。（要安裝 OpenSSL 的最新版本，請參閱這里。）OpenSSL 實用程序可在命令行使用，程序也可以調用 OpenSSL 庫中的函數。本文的示例程序使用的是 C 語言，即 OpenSSL 庫的源語言。

本系列的兩篇文章涵蓋了加密哈希、數字簽名、加密和解密以及數字證書。你可以從我的網站的 ZIP 文件中找到這些代碼和命令行示例。

讓我們首先回顧一下 OpenSSL 名稱中的 SSL。

OpenSSL 簡史

安全套接字層Secure Socket Layer（SSL）是 Netscape 在 1995 年發布的一種加密協議。該協議層可以位于 HTTP 之上，從而為 HTTPS 提供了 S：安全secure。SSL 協議提供了各種安全服務，其中包括兩項在 HTTPS 中至關重要的服務：

• 對等身份驗證Peer authentication（也稱為相互質詢）：連接的每一邊都對另一邊的身份進行身份驗證。如果 Alice 和 Bob 要通過 SSL 交換消息，則每個人首先驗證彼此的身份。
• 機密性Confidentiality：發送者在通過通道發送消息之前先對其進行加密。然后，接收者解密每個接收到的消息。此過程可保護網絡對話。即使竊聽者 Eve 截獲了從 Alice 到 Bob 的加密消息（即中間人攻擊），Eve 會發現他無法在計算上解密此消息。

反過來，這兩個關鍵 SSL 服務與其他不太受關注的服務相關聯。例如，SSL 支持消息完整性，從而確保接收到的消息與發送的消息相同。此功能是通過哈希函數實現的，哈希函數也隨 OpenSSL 工具箱一起提供。

SSL 有多個版本（例如 SSLv2 和 SSLv3），并且在 1999 年出現了一個基于 SSLv3 的類似協議傳輸層安全性Transport Layer Security（TLS）。TLSv1 和 SSLv3 相似，但不足以相互配合工作。不過，通常將 SSL/TLS 稱為同一協議。例如，即使正在使用的是 TLS（而非 SSL），OpenSSL 函數也經常在名稱中包含 SSL。此外，調用 OpenSSL 命令行實用程序以 openssl 開始。

除了 man 頁面之外，OpenSSL 的文檔是零零散散的，鑒于 OpenSSL 工具包很大，這些頁面很難以查找使用。命令行和代碼示例可以將主要主題集中起來。讓我們從一個熟悉的示例開始（使用 HTTPS 訪問網站），然后使用該示例來選出我們感興趣的加密部分進行講述。

一個 HTTPS 客戶端

此處顯示的 client 程序通過 HTTPS 連接到 Google：

/* compilation: gcc -o client client.c -lssl -lcrypto */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <openssl/bio.h> /* BasicInput/Output streams */
#include <openssl/err.h> /* errors */
#include <openssl/ssl.h> /* core library */
#define BuffSize 1024
 
void report_and_exit(const char* msg) {
  perror(msg);
  ERR_print_errors_fp(stderr);
  exit(-1);
}
 
void init_ssl() {
  SSL_load_error_strings();
  SSL_library_init();
}
 
void cleanup(SSL_CTX* ctx, BIO* bio) {
  SSL_CTX_free(ctx);
  BIO_free_all(bio);
}
 
void secure_connect(const char* hostname) {
  char name[BuffSize];
  char request[BuffSize];
  char response[BuffSize];
 
  const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method();
  if (NULL == method) report_and_exit("TLSv1_2_client_method...");
 
  SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method);
  if (NULL == ctx) report_and_exit("SSL_CTX_new...");
 
  BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);
  if (NULL == bio) report_and_exit("BIO_new_ssl_connect...");
 
  SSL* ssl = NULL;
 
  /* 鏈路 bio 通道，SSL 會話和服務器端點 */
 
  sprintf(name, "%s:%s", hostname, "https");
  BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 會話 */
  SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 魯棒性 */
  BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 準備連接 */
 
  /* 嘗試連接 */
  if (BIO_do_connect(bio) <= 0) {
    cleanup(ctx, bio);
    report_and_exit("BIO_do_connect...");
  }
 
  /* 驗證信任庫，檢查證書 */
  if (!SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,
                                      "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt", /* 信任庫 */
                                      "/etc/ssl/certs/")) /* 其它信任庫 */
    report_and_exit("SSL_CTX_load_verify_locations...");
 
  long verify_flag = SSL_get_verify_result(ssl);
  if (verify_flag != X509_V_OK)
    fprintf(stderr,
            "##### Certificate verification error (%i) but continuing...\n",
            (int) verify_flag);
 
  /* 獲取主頁作為示例數據 */
  sprintf(request,
          "GET / HTTP/1.1\x0D\x0AHost: %s\x0D\x0A\x43onnection: Close\x0D\x0A\x0D\x0A",
          hostname);
  BIO_puts(bio, request);
 
  /* 從服務器讀取 HTTP 響應并打印到輸出 */
  while (1) {
    memset(response, '\0', sizeof(response));
    int n = BIO_read(bio, response, BuffSize);
    if (n <= 0) break; /* 0 代表流結束，< 0 代表有錯誤 */
  puts(response);
  }
 
  cleanup(ctx, bio);
}
 
int main() {
  init_ssl();
 
  const char* hostname = "www.google.com:443";
  fprintf(stderr, "Trying an HTTPS connection to %s...\n", hostname);
  secure_connect(hostname);
 
return 0;
}

可以從命令行編譯和執行該程序（請注意 -lssl 和 -lcrypto 中的小寫字母 L）：

gcc -o client client.c -lssl -lcrypto

該程序嘗試打開與網站 www.google.com 的安全連接。在與 Google Web 服務器的 TLS 握手過程中，client 程序會收到一個或多個數字證書，該程序會嘗試對其進行驗證（但在我的系統上失敗了）。盡管如此，client 程序仍繼續通過安全通道獲取 Google 主頁。該程序取決于前面提到的安全工件，盡管在上述代碼中只著重突出了數字證書。但其它工件仍在幕后發揮作用，稍后將對它們進行詳細說明。

通常，打開 HTTP（非安全）通道的 C 或 C++ 的客戶端程序將使用諸如文件描述符或網絡套接字之類的結構，它們是兩個進程（例如，這個 client 程序和 Google Web 服務器）之間連接的端點。另一方面，文件描述符是一個非負整數值，用于在程序中標識該程序打開的任何文件類的結構。這樣的程序還將使用一種結構來指定有關 Web 服務器地址的詳細信息。

這些相對較低級別的結構不會出現在客戶端程序中，因為 OpenSSL 庫會將套接字基礎設施和地址規范等封裝在更高層面的安全結構中。其結果是一個簡單的 API。下面首先看一下 client 程序示例中的安全性詳細信息。

• 該程序首先加載相關的 OpenSSL 庫，我的函數 init_ssl 中對 OpenSSL 進行了兩次調用：

  SSL_load_error_strings();
  SSL_library_init(); 

• 下一個初始化步驟嘗試獲取安全上下文，這是建立和維護通往 Web 服務器的安全通道所需的信息框架。如對 OpenSSL 庫函數的調用所示，在示例中使用了 TLS 1.2：

  const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method(); /* TLS 1.2 */

  如果調用成功，則將 method 指針被傳遞給庫函數，該函數創建類型為 SSL_CTX 的上下文：

  SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method);

  client 程序會檢查每個關鍵的庫調用的錯誤，如果其中一個調用失敗，則程序終止。

• 現在還有另外兩個 OpenSSL 工件也在發揮作用：SSL 類型的安全會話，從頭到尾管理安全連接；以及類型為 BIO（基本輸入/輸出Basic Input/Output）的安全流，用于與 Web 服務器進行通信。BIO 流是通過以下調用生成的：

  BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);

  請注意，這個最重要的上下文是其參數。BIO 類型是 C 語言中 FILE 類型的 OpenSSL 封裝器。此封裝器可保護 client 程序與 Google 的網絡服務器之間的輸入和輸出流的安全。

• 有了 SSL_CTX 和 BIO，然后程序在 SSL 會話中將它們組合在一起。三個庫調用可以完成工作：

  BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 會話 */
  SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 魯棒性 */
  BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 準備連接 */

  安全連接本身是通過以下調用建立的：

  BIO_do_connect(bio);

  如果最后一個調用不成功，則 client 程序終止；否則，該連接已準備就緒，可以支持 client 程序與 Google Web 服務器之間的機密對話。

在與 Web 服務器握手期間，client 程序會接收一個或多個數字證書，以認證服務器的身份。但是，client 程序不會發送自己的證書，這意味著這個身份驗證是單向的。（Web 服務器通常配置為不需要客戶端證書）盡管對 Web 服務器證書的驗證失敗，但 client 程序仍通過了連接到 Web 服務器的安全通道繼續獲取 Google 主頁。

為什么驗證 Google 證書的嘗試會失敗？典型的 OpenSSL 安裝目錄為 /etc/ssl/certs，其中包含 ca-certificates.crt 文件。該目錄和文件包含著 OpenSSL 自帶的數字證書，以此構成信任庫truststore。可以根據需要更新信任庫，尤其是可以包括新信任的證書，并刪除不再受信任的證書。

client 程序從 Google Web 服務器收到了三個證書，但是我的計算機上的 OpenSSL 信任庫并不包含完全匹配的證書。如目前所寫，client 程序不會通過例如驗證 Google 證書上的數字簽名（一個用來證明該證書的簽名）來解決此問題。如果該簽名是受信任的，則包含該簽名的證書也應受信任。盡管如此，client 程序仍繼續獲取頁面，然后打印出 Google 的主頁。下一節將更詳細地介紹這些。

客戶端程序中隱藏的安全性

讓我們從客戶端示例中可見的安全工件（數字證書）開始，然后考慮其他安全工件如何與之相關。數字證書的主要格式標準是 X509，生產級的證書由諸如 Verisign 的證書頒發機構Certificate Authority（CA）頒發。

數字證書中包含各種信息（例如，激活日期和失效日期以及所有者的域名），也包括發行者的身份和數字簽名（這是加密過的加密哈希值）。證書還具有未加密的哈希值，用作其標識指紋。

哈希值來自將任意數量的二進制位映射到固定長度的摘要。這些位代表什么（會計報告、小說或數字電影）無關緊要。例如，消息摘要版本 5Message Digest version 5（MD5）哈希算法將任意長度的輸入位映射到 128 位哈希值，而 SHA1（安全哈希算法版本 1Secure Hash Algorithm version 1）算法將輸入位映射到 160 位哈希值。不同的輸入位會導致不同的（實際上在統計學上是唯一的）哈希值。下一篇文章將會進行更詳細的介紹，并著重介紹什么使哈希函數具有加密功能。

數字證書的類型有所不同（例如根證書、中間證書和最終實體證書），并形成了反映這些證書類型的層次結構。顧名思義，根證書位于層次結構的頂部，其下的證書繼承了根證書所具有的信任。OpenSSL 庫和大多數現代編程語言都具有 X509 數據類型以及處理此類證書的函數。來自 Google 的證書具有 X509 格式，client 程序會檢查該證書是否為 X509_V_OK。

X509 證書基于公共密鑰基礎結構public-key infrastructure（PKI），其中包括的算法（RSA 是占主導地位的算法）用于生成密鑰對：公共密鑰及其配對的私有密鑰。公鑰是一種身份：Amazon 的公鑰對其進行標識，而我的公鑰對我進行標識。私鑰應由其所有者負責保密。

成對出現的密鑰具有標準用途。可以使用公鑰對消息進行加密，然后可以使用同一個密鑰對中的私鑰對消息進行解密。私鑰也可以用于對文檔或其他電子工件（例如程序或電子郵件）進行簽名，然后可以使用該對密鑰中的公鑰來驗證簽名。以下兩個示例補充了一些細節。

在第一個示例中，Alice 將她的公鑰分發給全世界，包括 Bob。然后，Bob 用 Alice 的公鑰加密郵件，然后將加密的郵件發送給 Alice。用 Alice 的公鑰加密的郵件將可以用她的私鑰解密（假設是她自己的私鑰），如下所示：

             +------------------+ encrypted msg  +-------------------+
Bob's msg--->|Alice's public key|--------------->|Alice's private key|---> Bob's msg
             +------------------+                +-------------------+

理論上可以在沒有 Alice 的私鑰的情況下解密消息，但在實際情況中，如果使用像 RSA 這樣的加密密鑰對系統，則在計算上做不到。

現在，第二個示例，請對文檔簽名以證明其真實性。簽名算法使用密鑰對中的私鑰來處理要簽名的文檔的加密哈希：

                    +-------------------+
Hash of document--->|Alice's private key|--->Alice's digital signature of the document
                    +-------------------+

假設 Alice 以數字方式簽署了發送給 Bob 的合同。然后，Bob 可以使用 Alice 密鑰對中的公鑰來驗證簽名：

                                             +------------------+
Alice's digital signature of the document--->|Alice's public key|--->verified or not
                                             +------------------+

假若沒有 Alice 的私鑰，就無法輕松偽造 Alice 的簽名：因此，Alice 有必要保密她的私鑰。

在 client 程序中，除了數字證書以外，這些安全性都沒有明確展示。下一篇文章使用使用 OpenSSL 實用程序和庫函數的示例填充更多詳細的信息。

命令行的 OpenSSL

同時，讓我們看一下 OpenSSL 命令行實用程序：特別是在 TLS 握手期間檢查來自 Web 服務器的證書的實用程序。調用 OpenSSL 實用程序可以使用 openssl 命令，然后添加參數和標志的組合以指定所需的操作。

看看以下命令：

openssl list-cipher-algorithms

該輸出是組成加密算法套件cipher suite的相關算法的列表。下面是列表的開頭，加了澄清首字母縮寫詞的注釋：

AES-128-CBC ## Advanced Encryption Standard, Cipher Block Chaining
AES-128-CBC-HMAC-SHA1 ## Hash-based Message Authentication Code with SHA1 hashes
AES-128-CBC-HMAC-SHA256 ## ditto, but SHA256 rather than SHA1
...

下一條命令使用參數 s_client 將打開到 www.google.com 的安全連接，并在屏幕上顯示有關此連接的所有信息：

openssl s_client -connect www.google.com:443 -showcerts

端口號 443 是 Web 服務器用于接收 HTTPS（而不是 HTTP 連接）的標準端口號。（對于 HTTP，標準端口為 80）Web 地址 www.google.com:443 也出現在 client 程序的代碼中。如果嘗試連接成功，則將顯示來自 Google 的三個數字證書以及有關安全會話、正在使用的加密算法套件以及相關項目的信息。例如，這是開頭的部分輸出，它聲明證書鏈即將到來。證書的編碼為 base64：

Certificate chain
 0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google LLC/CN=www.google.com
 i:/C=US/O=Google Trust Services/CN=Google Internet Authority G3
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIEijCCA3KgAwIBAgIQdCea9tmy/T6rK/dDD1isujANBgkqhkiG9w0BAQsFADBU
MQswCQYDVQQGEwJVUzEeMBwGA1UEChMVR29vZ2xlIFRydXN0IFNlcnZpY2VzMSUw
...

諸如 Google 之類的主要網站通常會發送多個證書進行身份驗證。

輸出以有關 TLS 會話的摘要信息結尾，包括加密算法套件的詳細信息：

SSL-Session:
    Protocol : TLSv1.2
    Cipher : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256
    Session-ID: A2BBF0E4991E6BBBC318774EEE37CFCB23095CC7640FFC752448D07C7F438573
...

client 程序中使用了協議 TLS 1.2，Session-ID 唯一地標識了 openssl 實用程序和 Google Web 服務器之間的連接。Cipher 條目可以按以下方式進行解析：

• ECDHE（橢圓曲線 Diffie-Hellman（臨時）Elliptic Curve Diffie Hellman Ephemeral）是一種用于管理 TLS 握手的高效的有效算法。尤其是，ECDHE 通過確保連接雙方（例如，client 程序和 Google Web 服務器）使用相同的加密/解密密鑰（稱為會話密鑰）來解決“密鑰分發問題”。后續文章會深入探討該細節。
• RSA（Rivest Shamir Adleman）是主要的公共密鑰密碼系統，并以 1970 年代末首次描述了該系統的三位學者的名字命名。這個正在使用的密鑰對是使用 RSA 算法生成的。

• AES128（高級加密標準Advanced Encryption Standard）是一種塊式加密算法block cipher，用于加密和解密位塊blocks of bits。（另一種算法是流式加密算法stream cipher，它一次加密和解密一個位。）這個加密算法是對稱加密算法，因為使用同一個密鑰進行加密和解密，這首先引起了密鑰分發問題。AES 支持 128（此處使用）、192 和 256 位的密鑰大小：密鑰越大，安全性越好。

  通常，像 AES 這樣的對稱加密系統的密鑰大小要小于像 RSA 這樣的非對稱（基于密鑰對）系統的密鑰大小。例如，1024 位 RSA 密鑰相對較小，而 256 位密鑰則當前是 AES 最大的密鑰。

• GCM（伽羅瓦計數器模式Galois Counter Mode）處理在安全對話期間重復應用的加密算法（在這種情況下為 AES128）。AES128 塊的大小僅為 128 位，安全對話很可能包含從一側到另一側的多個 AES128 塊。GCM 非常有效，通常與 AES128 搭配使用。

• SHA256（256 位安全哈希算法Secure Hash Algorithm 256 bits）是我們正在使用的加密哈希算法。生成的哈希值的大小為 256 位，盡管使用 SHA 甚至可以更大。

加密算法套件正在不斷發展中。例如，不久前，Google 使用 RC4 流加密算法（RSA 的 Ron Rivest 后來開發的 Ron’s Cipher 版本 4）。 RC4 現在有已知的漏洞，這大概部分導致了 Google 轉換為 AES128。

總結

我們通過安全的 C Web 客戶端和各種命令行示例對 OpenSSL 做了首次了解，使一些需要進一步闡明的主題脫穎而出。下一篇文章會詳細介紹，從加密散列開始，到對數字證書如何應對密鑰分發挑戰為結束的更全面討論。