ssl证书openssl.docx

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ssl证书openssl

ssl证书&&openssl

序

以一个问题来开始此篇文章的讲解。

你知道我们通常访问的https是如何保障你的安全的吗？

你是否会想到加密、认证和数字证书？

那么

加密：

如何加密，怎么保证数据不被泄露？

认证：

誰认证誰，如何进行认证？

数字证书：

数字证书是何物？

为什么有这个东西？

作用是什么？

本文主要简单地讲述证书及openssl的使用，让我们带着这些问题开始文章的旅程。

一、加密和算法

1.散列（hash）

Hash，一般翻译做"散列"，也有直接音译为"哈希"的，就是把任意长度的输入，通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。

常用的散列函数是SHA1和MD5。

哈希是单向的，不可通过散列值得到原文；

不同的内容做散列计算，计算出的散列值为相同的概率几乎等于0；

哈希主要用在：

文件校验、数字签名、快速查找等。

例如：

图１文件校验（散列应用）

图1说明了如何校验文件是否被修改，但是如果中间存在一个攻击者，截获报文后，修改下文件内容，一样可以计算出一个散列值，所以是不够安全的。

图2则使用了密钥化散列信息认证码（HMAC，Keyed-hashMessageAuthenticationCode），通过加入共享密钥（仅用户A和用户B知道密钥），在计算散列，这样来保证数据是完整的，不被修改的。

图2文件校验（HMAC）

2.对称加密（SymmetricCryptography）

需要对加密和解密使用相同密钥的加密算法。

由于其速度快，对称性加密通常在消息发送方需要加密大量数据时使用。

但是管理密钥不方便，要求共享密钥。

如果N个人相互之间都要用对称加密进行通讯，则每个人维护的密钥是N-1个。

目前流行的对称加密算法有AES、DES、3DES、Blowfish、RC2、RC4、RC5等等。

3.非对称加密（AsymmetricCryptography）

与对称加密算法不同，非对称加密算法需要两个密钥：

公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）。

公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。

因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。

非对称加密算法的优点是密钥管理很方便，缺点是速度慢。

通常来讲，公钥是每个人都能得到的，私钥是只有自己持有；

A与B之间进行通信，安全的方式：

1.A给B发送消息，使用B的公钥进行加密，然后发给B，只有B用私钥才能解密成明文；

2.B给A发送消息，使用A的公钥进行加密，然后发给A，只有A用私钥才能解密成明文；

A获取B的公钥，必须是安全的方式；B获取A的公钥，也必须是安全的方式；

一个例子：

4.数字签名（DigitalSignature）

现实生活中，我们用签名来证明某个东西是与签名者相关的，是不可否认的，不可伪造的；

在虚拟世界里，我们有数字签名来帮助证明某个文档是你创建的，或者是你认可的。

数字签名所用的技术是散列和非对称加密。

基于前面非对称加密的介绍，对签名的信息进行散列计算，用私钥对这个散列值进行加密；这样就得到一个签名。

图3签名示例

当用户B比对散列值3与散列值2是否相同，如果相同则认为是A签名的，否则不是。

二、数字证书

如果现实生活中是用身份证来证明身份，那么在虚拟世界中，则会使用数字证书来证明身份。

并不是每个人都需要用数字证书来证明身份，那么什么情况下，会使用数字证书来证明身份呢？

普通用户一般情况下，不需要证明自己的身份，大部分网站不关心是谁访问了网站，现在的网站只关心流量啊~反过来，网站就需要证明自己的身份了。

比如你想要提交信用卡信息给预定航班的网站，那么你如何确定你正在访问的网站就是你所想要访问的那个呢？

现在钓鱼网站很多的。

比如你想访问的是“”，但其实你访问的是“”，所以在提交自己的信息之前你需要验证一下网站的身份，要求网站出示数字证书。

一般正常的网站都会主动出示自己的数字证书。

由于证书在网页浏览中最为常见，所以我下面举的例子都是基于浏览器的。

1.数字证书的构成

我们的身份证是由公安机关颁发的，并加有很多防伪技术，不能伪造（或者说很难）。

同样的，数字证书也有专门的发证机关（CertificateAuthority，简称CA，其实是一些商业公司啦）。

比较常见的发证机关是VeriSign。

数字证书的发证机关会对自己发放的证书加上自己的数字签名，以保证证书不能被伪造。

那数字证书到底包含了些什么呢？

1.持有者姓名（CommonName）

2.发证机关（Issuer）

3.有效日期（Validity）

4.证书持有人的公钥（Subject’sPublicKeyInfo）

5.扩展信息（Extension）

6.用发证机关对该证书的数字签名（CertificateSignature）

基本信息就这些了（这些信息会在后面的章节有所解释），为了更清晰的说明问题，来几张截图（火狐->工具->选项->高级->证书->查看证书）：

图4证书信息

从图4我们可以看到，Certificate（证书）和Signature（签名）是分开的，但其实这个Signature也是证书的一部分。

可以这么理解，数字证书包含证书主体和数字签名。

证书中的签名是对证书主体的签名。

2.如何验证数字证书

当浏览器拿到一个数字证书：

1.先看发证机关（图5），主要是看以下三个：

OrganizationName（O），OrganizationalUnitName（OU），CommonName（CN）

2.找到相应的发证机关的证书，获得发证机关的公钥，用此公钥解密被加密的SHA1，这样就获得了此证书的SHA1值，我们称它为Hash1（图6、图7）。

3.浏览器用SHA1算法对此证书重新计算一遍SHA1，获得Hash2。

4.然后比较Hash1和Hash2是否相等。

如果相等就证明这张证书是由发证机关颁发的，并且没有被篡改过。

图5服务器的公钥证书

图6签名过程

图7验证Server的证书

3.验证证书持有者

经过上述的证书验证后，可以认为证书没问题，是可靠的。

但是还需要做一步，需要查看下发送者是否是证书的持有者（也就是通常意义上的身份证上的照片是否是本人，看完证件，还要比对下脸）。

通过证书里的公钥加密一段信息发送给证书持有者，如果对方能发送回来（加密的或者明文），说明对方是证书的持有者（也即，对方有对应的私钥）。

4.核对名字

通常对于用证书来做web服务器的应用来说，证书中的名字（Commonname）很重要，一般与根域名相等。

如果不相等，则认为证书存在问题。

5.证书的级联

所有的证书都是基于另一张证书（可信任证书）进行认证的。

换句话说，用一张已知合法的证书来证明另一张未知的证书。

发证机关的证书默认是可信任的，这些证书称之为“根证书”。

由于申请证书的人数众多，发证机关忙不过来，这时候需要一些代理来帮忙签发证书，代理可能也需要代理来帮忙签发证书。

这样就存在了层级关系：

图8级联证书

这里的”USERTrustLegacySecureServerCA”是由根证书”AddTrustExternalCARoot”签发的。

验证这张证书的时候，需要从下往上递归验证。

是否是CA证书，可以看下扩展信息中的”基本约束”，如下图：

图9查看是否是CA

三、SSL的基本原理

现在回到我们最原始的问题，由于Internet的架构问题，信息在网络上传输是很容易被别人获取的，那如何建立一个安全的传输网络呢？

前面我们讨论了很多保证信息安全的技术，而SSL就是建立在这些技术的基础上的一套协议，用来保证通信的安全。

SSL全称是SecureSocketsLayer，它是一种间于传输层（比如TCP/IP）和应用层（比如HTTP）的协议。

具体的SSL协议很复杂，我这里只讲一个大概。

最简单的方法来保证通信安全是用非对称加密。

我们前面讲过数字证书的认证，如果双方都认证了对方的数字证书，那么每次传输信息的时候都用对方的公钥加密，这样就只有对方能解密，从而保证了信息的安全。

但是对于日常应用（比如网页浏览）有两个问题：

1.非对称加密速度缓慢，消耗资源

如果客户端和服务器之间传输文件用非对称加密的话，速度一定慢的忍无可忍。

2.不可能要求每个用户都去申请数字证书

申请数字证书是一个相当麻烦的过程，要求每个上网的用户都拥有证书是不可能的事情。

SSL通过“握手协议”和“传输协议”来解决上述问题。

握手协议是基于非对称加密的，而传输协议是基于对称加密的。

根据不同的应用，SSL对证书的要求也是不一样的，可以是单方认证（比如HTTP,FTP），也可以是双方认证（比如网上银行）。

通常情况下，服务器端的证书是一定要具备的，客户端的证书不是必须的。

图10握手过程

Phase1：

图11阶段1

client_hello：

包括一个随机数和一系列的可支持的加密组件（以性能高到低的方式排列）

server_hello:

包含一个随机数和一个从客户端发来的组件中选择的加密组件

加密组件：

每个加密组件包含一个密钥交换算法、加密算法、MAC（消息认证码），例如：

TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256

密钥交换算法：

DH（Diffie-Hellman）算法、RSA（公钥/私钥）

Phase2（例如使用DH）:

图12DH交换密钥

server_key_exchange中包括p、a、S1；

client_key_exchange中包括C1；

最后生成K是共用密钥。

Phase3：

客户端的认证：

服务器或许会请求客户端发送证书，如果客户端有，则发送证书，如果没有则发送一个no_certificate的警告信息。

如果发送了证书才会有certificate_verify，包括了客户端的认证，包括了一个之前握手消息的散列值。

Phase4：

客户端发送ChangeCipherSpec消息，通知SSL服务器后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。

SSL客户端计算已交互的握手消息（除ChangeCipherSpec消息外所有已交互的消息）的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSL服务器。

SSL服务器利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。

同样地，SSL服务器发送ChangeCipherSpec消息，通知SSL客户端后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。

SSL服务器计算已交互的握手消息的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSL客户端。

SSL客户端利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。

四、openssl开源库的使用（客户端）

openssl开源库的网址https:

//www.openssl.org/，包括源码、文档等内容。

这一节，我们主要使用的是ssl/tls库。

1.初始化

作为一个客户端，首先要初始化一个Context对象（一个SSL_CTX），这个对象是用来创建一个新的连接对象。

Context初始化，包括四个主要的部分，如下：

SSL_METHOD*meth;

SSL_CTX*ctx;

SSL_library_init（）;//初始化整个库，加载了一些openssl的算法等内容，只需要在程序启动的时候，初始化一次就可以了。

meth=SSLv23_method（）;//用SSLv2或者V3兼容的方式

ctx=SSL_CTX_new（meth）;//创建一个Context对象

/*Loadourkeysandcertificates*/

if（!

（SSL_CTX_use_certificate_chain_file（ctx,keyfile）））//加载证书

berr_exit（"Can’treadcertificatefile"）;

SSL_CTX_set_default_passwd_cb（ctx,password_cb）;//如果密码是加密过的，password_cb是个回调函数，可以还原密码

if（!

（SSL_CTX_use_PrivateKey_file（ctx,keyfile,SSL_FILETYPE_PEM）））//加载私有密钥

berr_exit（"Can’treadkeyfile"）;

/*LoadtheCAswetrust*/

if（!

（SSL_CTX_load_verify_locations（ctx,CA_LIST,0）））//加载可信任的CA证书

berr_exit（"Ca’treadCAlist"）;

如果一个client要去执行认证，则需要加载自己的public/privatekey对儿和相关证书。

SSL_CTX_use_certificate_chain_file用来加载CA证书；

SSL_CTX_use_PrivateKey_file用来加载私钥，通常密码是加密的，可以通过SSL_CTX_set_default_passwd_cb回调函数来获取密码。

加载根CA列表，如果你要认证对端，则需要知道CA，加载函数：

SSL_CTX_load_verify_locations

2.握手处理

SSL连接的第一步就是要执行SSL握手过程。

握手认证server（可选的认证client），并且建立关键材料用来保护后续的数据。

SSL_connect（）函数用来执行SSL的握手协议。

如果使用阻塞协议，SSL_connect会一直阻塞，直到握手完成，或者返回一个错误。

SSL_connect返回1表示成功，0或者负数表示一个错误。

代码如下：

sock=tcp_connect（host,port）;//假设tcp_connect是用来建立一个tcp连接的函数

ssl=SSL_new（ctx）;//初始化TLS/SSL

sbio=BIO_new_socket（sock,BIO_NOCLOSE）;//创建一个BIO对象，关联到TCPsocket

SSL_set_bio（ssl,sbio,sbio）;//将ssl关联到BIO对象上

if（SSL_connect（ssl）<=0）//这里执行握手

berr_exit（"SSLconnecterror"）;

3.检查server的证书

X509*peer;

charpeer_CN[256];

if（SSL_get_verify_result（ssl）!

=X509_V_OK）//对端发来的证书验证，如果不是X509

berr_exit（"Certificatedoesn’tverify"）;

/*Checkthecommonname*/

peer=SSL_get_peer_certificate（ssl）;//提取server的证书

X509_NAME_get_text_by_NID（X509_get_subject_name（peer）,NID_commonName,peer_CN,256）;//获取CommonName

if（strcasecmp（peer_CN,host））

err_exit（"Commonnamedoesn’tmatchhostname"）;

4.读写数据

SSL_write（）函数用来发送数据到对端，像write（）一样使用。

只是传的参数是SSL对象而不是文件描述符。

在阻塞的模式，SSL_write（）不会返回，直到数据都发送完，或者一个错误返回，然而write可能只写部分数据。

注意:

SSL_MODE_ENABLE_PARTIAL_WRITE标记使能部分写的功能。

代码如下：

r=SSL_write（ssl,request,request_len）;//写数据，数据在request中，长度是request_len

switch（SSL_get_error（ssl,r））{

caseSSL_ERROR_NONE:

if（request_len!

=r）

err_exit（"Incompletewrite!

"）;

break;

default:

berr_exit（"SSLwriteproblem"）;

break；

}

SSL_read（）用来读取数据，就像read一样，我们选择合适的参数传给SSL_read（）。

SSL_read返回读到的数据长度。

如果不存在数据可读，则SSL_read是阻塞的，会一直等待。

r=SSL_read（ssl,buf,BUFSIZZ）;//读取数据

switch（SSL_get_error（ssl,r））{

caseSSL_ERROR_NONE:

len=r;

break;

caseSSL_ERROR_ZERO_RETURN:

gotoshutdown;

caseSSL_ERROR_SYSCALL:

fprintf（stderr,"SSLError:

Prematureclose0）;

gotodone;

default:

berr_exit（"SSLreadproblem"）;

}

//这里对数据进行处理

例子中使用函数SSL_get_error（）来替代errno，SSL_get_error（）检查返回值，并且指出是否错误发生了，并且错误是什么。

5.关闭Closure/shutdown/cleanup

TCP使用FIN标记来说明发送者已经发完所有的数据。

SSLv2简单的允许任何一方使用一个TCPFIN来终止SSL连接。

这会导致“截断攻击”：

攻击者通过简单地伪造TCPFIN来使看起来消息是短的。

除非受害者有某种方式知道消息的长度。

为了避免这种情况，SSLv3引进了一个close_notify警告。

close_notify是一个SSL消息（因此是安全的），但是不是数据流本身的一部分，不背应用所看到。

当发送完close_notify后，不会再有数据会被发送。

因此，SSL_read返回0，说明socket被关闭了，已经收到了close_notify消息。

如果client先收到一个FIN，则认为是一个“过早关闭”。

如果我们读到SSL_read返回0，没有任何错，则我们需要发送close_notify到server端（通过SSL_shutdown（）来发送）。

SSL_shutdown（）返回1表示完全关闭，0表示不完全关闭，-1是出现一个错误。

当收到服务器发来的close_notify，唯一可能出错的是发送我们的close_notify，否则SSL_shutdown总是会成功。

代码片段（client）：

while

（1）

{

r=SSL_read（ssl,buf,BUFSIZZ）;

switch（SSL_get_error（ssl,r））

{

caseSSL_ERROR_NONE:

//未出错

len=r;

break;

caseSSL_ERROR_ZERO_RETURN:

//未出错，我们已经收到close_notify

gotoshutdown;//这里去发送我们的close_notify

caseSSL_ERROR_SYSCALL:

fprintf（stderr,"SSLError:

Prematureclose\n"）;//收到一个“过早关闭”的信息

gotodone;

default:

berr_exit（"SSLreadproblem"）;/*错误处理，这里是退出程序*/

}

/*数据处理*/

}

shutdown:

r=SSL_shutdown（ssl）;//发送给server端一个close_nofity

switch（r）

{

case1:

break;/*Success*/

case0:

case-1:

default:

berr_exit（"Shutdownfailed"）;

}

done:

SSL_free（ssl）;/*释放资源*/

/*释放相关变量*/

五、openssl证书常用命令

x509证书一般会用到三类文，key，csr，crt。

Key是私用密钥openssl格，通常是rsa算法。

Csr是证书请求文件，用于申请证书。

在制作csr文件的时，必须使用自己的私钥来签署申，还可以设定一个密钥。

crt是CA认证后的证书文，（windows下面的，其实是crt），签署人用自己的key给你签署的凭证。

1.key的生成

opensslgenrsa-des3-outserver.key2048

这样是生成rsa私钥，des3算法，openssl格式，2048位强度。

server.key是密钥文件名。

为了生成这样的密钥，需要一个至少四位的密码。

可以通过以下方法生成没有密码的key:

opensslrsa-inserver.key-outserver.key

server.key就是没有密码的版本了。

这种没密码的私钥这种用法挺多，比如webserver（lighttpd）这种方式，不可能每次启动server的时候，都要求用户输入密码，太过麻烦。

2.生成CA的crt

opensslreq-new-x509-keyserver.key-outca.crt-days3650

生成的ca.crt文件是用来签署下面的server.csr文件。

需要输入一堆信息，有一个Commonname通常是CA机构的域名（这里，我们可以自己取一个名字）。

3.csr的生成方法

opensslreq-new-keyserver.key-outserver.csr

需要依次输入国家，地区，组织，email。

最重要的是有一个commonname，可以写你的名字或者域名。

如果为了https申请，这个必须和域名吻合，否则会引发浏览器警报。

生成的csr文件交给CA签名后形成服务端自己的证书。

注意Commonname与CA的Commonname要不一样，否则会校验失败。

4.crt生成方法

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。

opensslx509-req-days3650-inserver.csr-CAca.crt-CAkeyserver.key-CAcreateserial-outserver.crt

输入