OpenSSL使用指南015.docx
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OpenSSL使用指南015
OpenSSL使用指南
目录
1．介绍
2．编译
3．运行OpenSSL.exe
4．算法编程API
4.1对称算法
4.1.1DES
4.1.2AES
4.1.3RC4
4.1.4EVP_
4.2公钥算法
4.3Hash算法
4.4随机数算法
5．SSL协议编程API
6．CA和证书
7．
8．参考网址
9．
A．示例程序
B．
1．介绍
OpenSSL是使用非常广泛的SSL的开源实现。
由于其中实现了为SSL所用的各种加密算法，因此OpenSSL也是被广泛使用的加密函数库。
1.1SSL
SSL（SecureSocketLayer）安全协议是由Netscape公司首先提出，最初用在保护Navigator浏览器和Web服务器之间的HTTP通信（即HTTPS）。
后来SSL协议成为传输层安全通信事实上的标准，并被IETF吸收改进为TLS（TransportLayerSecurity）协议。
SSL/TLS协议位于TCP协议和应用层协议之间，为传输双方提供认证、加密和完整性保护等安全服务。
SSL作为一个协议框架，通信双方可以选用合适的对称算法、公钥算法、MAC算法等密码算法实现安全服务。
1.2OpenSSL
OpenSSL是著名的SSL的开源实现，是用C语言实现的。
OpenSSL的前身是SSLeay，一个由EricYoung开发的SSL的开源实现，支持SSLv2/v3和TLSv1。
伴随着SSL协议的普及应用，OpenSSL被广泛应用在基于TCP/Socket的网络程序中，尤其是OpenSSL和Apache相结合，是很多电子商务网站服务器的典型配置。
2．编译和安装OpenSSL
OpenSSL开放源代码，这对学习、分析SSL和各种密码算法提供了机会，也便于在上面进一步开发。
2.1获得OpenSSL
到OpenSSL的网站即可下载当前版本的OpenSSL源代码压缩包。
当前版本openssl-0.9.8.tar.gz，只有3M多，比较精简。
解压缩后得到一个目录openssl-0.9.8，共有约1800个文件，15M。
其中crypto子目录中是众多密码算法实现，ssl子目录中是SSL协议的实现。
在Linux中解压缩：
$tarzxfopenssl-0.9.8.tar.gz
在Windows中可以使用winzip或winrar。
2.2编译工具
编译OpenSSL需要Perl和C编译器。
在Windows下如果要用加密算法的汇编代码实现，还需要masm或nasm汇编器。
（汇编代码可以比C代码显著提高密码运算速度）
Perl在Windows下推荐使用ActivePerl。
C编译器可以使用gcc。
在Windows下可以使用VisualC编译器。
汇编器推荐使用nasm。
这些工具所在目录必须加入到PATH环境变量中去。
2.3编译和安装步骤
查看readme是个好习惯。
从readme了解到需要进一步查看INSTALL和INSTALL.W32文件。
在Windows中：
>先转到openssl-0.9.8所在目录
>perlConfigureVC-WIN32
>ms\do_nasm（如果不使用汇编代码实现，则可>ms\do_ms）
>nmake-fms\ntdll.mak
>cdout32dll
>..\ms\test
编译结果得到头文件、链接库、运行库和openssl.exe工具。
头文件位于./inc32或者./inculde目录，有一个openssl子目录，内有几十个.h文件。
链接库即./out32dll目录中的libeay32.lib和ssleay32.lib，分别是密码算法相关的和ssl协议相关的。
运行库是./out32dll目录中的libeay32.dll和ssleay32.dll，和链接库相对应。
在./out32dll中还有一个工具openssl.exe，可以直接用来测试性能、产生RSA密钥、加解密文件，甚至可以用来维护一个测试用的CA。
在Linux中的编译和安装步骤较简单：
$./config
$make
$maketest
$makeinstall
在Linux下，头文件、库文件、工具都已被安装放到了合适的位置。
库文件是.a或.so格式。
3．使用OpenSSL.exe
使用OpenSSL.exe（Linux中可执行文件名是openssl）可以做很多工作，是一个很好的测试或调试工具。
3.1版本和编译参数
显示版本和编译参数：
>opensslversion-a
3.2支持的子命令、密码算法
查看支持的子命令：
>openssl?
SSL密码组合列表：
>opensslciphers
3.3测试密码算法速度
测试所有算法速度：
>opensslspeed
测试RSA速度：
>opensslspeedrsa
测试DES速度：
>opensslspeeddes
3.4RSA密钥操作
产生RSA密钥对：
>opensslgenrsa-out1.key1024
取出RSA公钥：
>opensslrsa-in1.key-pubout-out1.pubkey
3.5加密文件
加密文件：
>opensslenc-e-rc4-in1.key-out1.key.enc
解密文件：
>opensslenc-d-rc4-in1.key.enc-out1.key.dec
3.6计算Hash值
计算文件的MD5值：
>opensslmd5<1.key
计算文件的SHA1值：
>opensslsha1<1.key
4．算法编程API
OpenSSL中支持众多的密码算法，并提供了很好的封装和接口。
密码算法主要分为如下几类：
对称算法、公钥算法、散列算法、随机数产生算法等。
OpenSSL的目标是实现安全协议。
其中相关协议和标准包括：
SSL/TLS、PKCS#1、PCKS#10、X.509、PEM、OCSP等。
4.1对称算法接口
OpenSSL中实现的对称算法太多，举三个例子：
DES、AES、RC4。
4.1.1DES
DES加密算法是分组算法。
DES的基本操作是把64比特明文在56比特密钥指引下加密成64比特密文。
在实际使用中把密钥看作64比特可以更方便。
DES（IN，KEY）=OUT
（1）DESECB模式
在OpenSSL中ECB操作模式对应的函数是DES_ecb_encrypt（），该函数把一个8字节明文分组input加密成为一个8字节密文分组output。
参数中密钥结构ks是用函数DES_set_key（）准备好的，而密钥key是用随机数算法产生的64个随机比特。
参数enc指示是加密还是解密。
该函数每次只加密一个分组，因此用来加密很多数据时不方便使用。
voidDES_ecb_encrypt（const_DES_cblock*input,DES_cblock*output,DES_key_schedule*ks,intenc）;
intDES_set_key（const_DES_cblock*key,DES_key_schedule*schedule）;
（2）DESCBC模式
DES算法CBC操作模式加解密函数是DES_ncbc_encrypt（）。
参数length指示输入字节长度。
如果长度不是8字节的倍数，则会被用0填充到8字节倍数。
因此，输出可能比length长，而且必然是8字节的倍数。
voidDES_ncbc_encrypt（constunsignedchar*input,unsignedchar*output,longlength,DES_key_schedule*schedule,DES_cblock*ivec,intenc）;
（3）DESCFB模式
DES算法CFB操作模式加解密函数是DES_cfb_encrypt（）。
参数length指示输入字节长度。
参数numbits则指示了CFB每次循环加密多少明文比特，也即密文反馈的比特数目。
ivec是初始向量，被看做第0个密文分组，是不用保密但应随机取值的8个字节。
如果在一次会话中数次调用DES_cfb_encrypt（），则应该记忆ivec。
由于CFB模式中每次DES基本操作只加密numbits比特明文，因此如果numbits太小则效率太低。
voidDES_cfb_encrypt（constunsignedchar*in,unsignedchar*out,intnumbits,longlength,DES_key_schedule*schedule,DES_cblock*ivec,intenc）;
另有一个numbit是64比特的版本，既高效又没有填充的麻烦，推荐使用。
num中的返回值指示了ivec中的状态，是和下次调用衔接的。
voidDES_cfb64_encrypt（constunsignedchar*in,unsignedchar*out,longlength,DES_key_schedule*schedule,DES_cblock*ivec,int*num,intenc）；
（4）DESOFB模式
OFB和CFB类似，也有两个函数，用法一样。
voidDES_ofb_encrypt（constunsignedchar*in,unsignedchar*out,intnumbits,longlength,DES_key_schedule*schedule,DES_cblock*ivec）;
voidDES_ofb64_encrypt（constunsignedchar*in,unsignedchar*out,longlength,DES_key_schedule*schedule,DES_cblock*ivec,int*num）;
（5）DES函数示例程序
见附件A.1。
4.1.2AES
AES加密算法是分组算法。
典型参数的AES的基本操作是把128比特明文在128比特密钥指引下加密成128比特密文。
AES（IN，KEY）=OUT
OpenSSL中关于AES的函数名和参数接口和DES的雷同。
相关函数名如下（参数略）。
intAES_set_encrypt_key（）;
intAES_set_decrypt_key（）;
voidAES_ecb_encrypt（）;
voidAES_cbc_encrypt（）;
voidAES_cfb128_encrypt（）;
voidAES_ofb128_encrypt（）;
AES示例程序见附件A.2。
4.1.3RC4
RC4密码算法是流算法，也叫序列算法。
流算法是从密钥作为种子产生密钥流，明文比特流和密钥流异或即加密。
RC4算法由于算法简洁，速度极快，密钥长度可变，而且也没有填充的麻烦，因此在很多场合值得大力推荐。
OpenSSL中RC4算法有两个函数:
RC4_set_key（）设置密钥，RC4（）加解密。
可以把RC4看作异或，因此加密两次即解密。
voidRC4_set_key（RC4_KEY*key,intlen,constunsignedchar*data）;
voidRC4（RC4_KEY*key,unsignedlonglen,constunsignedchar*indata,unsignedchar*outdata）;
RC4示例程序见附件A.3。
例子A.3.
（1）是利用OpenSSL动态库函数。
例子A.3.
（2）是把RC4的实现代码从OpenSSL中分离出来的。
例子A.3.（3）是另一个演示实现。
4.2公钥算法
OpenSSL中实现了RSA、DSA、ECDSA等公钥算法。
4.2.1RSA
RSA是分组算法，典型的密钥模长度1024比特时，分组即是1024比特，即128字节。
（1）RSA密钥
RSA密钥产生函数RSA_generate_key（），需要指定模长比特数bits和公钥指数e。
另外两个参数为NULL即可。
RSA*RSA_generate_key（intbits,unsignedlonge,void（*callback）（int,int,void*）,void*cb_arg）;
如果从文件中读取密钥，可使用函数PEM_read_bio_PrivateKey（）/PEM_read_bio_PUBKEY（）;EVP_PKEY中包含一个RSA结构，可以引用。
EVP_PKEY*PEM_read_bio_PrivateKey（BIO*bp,EVP_PKEY**x,pem_password_cb*cb,void*u）;
（2）RSA加密解密
RSA加密函数RSA_public_encrypt（）使用公钥部分，解密函数RSA_private_decrypt（）使用私钥。
填充方式常用的有两种RSA_PKCS1_PADDING和RSA_PKCS1_OAEP_PADDING。
出错时返回-1。
输入必须比RSA钥模长短至少11个字节（在RSA_PKCS1_PADDING时？
）。
输出长度等于RSA钥的模长。
intRSA_public_encrypt（intflen,constunsignedchar*from,unsignedchar*to,RSA*rsa,intpadding）;
intRSA_private_decrypt（intflen,constunsignedchar*from,unsignedchar*to,RSA*rsa,intpadding）;
（3）签名和验证
签名使用私钥，验证使用公钥。
RSA签名是把被签署消息的散列值编码后用私钥加密，因此函数中参数type用来指示散列函数的类型，一般是NID_md5或NID_sha1。
正确情况下返回0。
intRSA_sign（inttype,constunsignedchar*m,unsignedintm_length,unsignedchar*sigret,unsignedint*siglen,RSA*rsa）;
intRSA_verify（inttype,constunsignedchar*m,unsignedintm_length,unsignedchar*sigbuf,unsignedintsiglen,RSA*rsa）;
（4）RSA函数示例程序
RSA示例程序见附件A.4。
例子A.4.
（1）是加密解密例子。
例子A.4.
（2）是签名验证例子。
4.2.2DSA
（TOBE）
4.2.2ECDSA
（orNOTTOBE）
4.3Hash算法
Hash算法举MD5和SHA1两个例子。
Hash算法重复接收用户输入，直到最后一次结束时输出散列结果。
4.3.1MD5
MD5算法输出的散列值是16字节。
intMD5_Init（MD5_CTX*c）;
intMD5_Update（MD5_CTX*c,constvoid*data,size_tlen）;
intMD5_Final（unsignedchar*md,MD5_CTX*c）;
4.3.2SHA1
SHA1算法输出的散列值是20字节。
intSHA1_Init（SHA_CTX*c）;
intSHA1_Update（SHA_CTX*c,constvoid*data,size_tlen）;
intSHA1_Final（unsignedchar*md,SHA_CTX*c）;
4.3.3MD5例子
MD5示例程序见附件A.5。
md5sum这是一个实用小工具，可以计算一个文件的MD5值。
4.4随机数算法
随机性是密码安全的基石。
为了产生安全的伪随机数，必须有好的随机因素作为种子。
OpenSSL在内部做了努力，但是仍建议在实用随机数产生函数之前添加随机因素。
函数RAND_add（）可以添加随机因素到内部状态中去。
然后，即可以使用RAND_bytes（）获得随机数。
voidRAND_add（constvoid*buf,intnum,doubleentropy）;
intRAND_bytes（unsignedchar*buf,intnum）;
5．SSL协议编程API
5.1客户端
5.2服务器端
5.3SSL示例程序
参见A.6。
6．CA和证书
6.1OpenSSL中CA的配置
6.2配置示例
参见A.7.
（1）。
6.3证书解析
6.4解析示例程序
参见A.7.
（2）。
7．
8．参考网址
SSL3.0Specification
TransportLayerSecurity（tls）Charter
http:
//www.ietf.org/html.charters/tls-charter.html
OpenSSL:
TheOpenSourcetoolkitforSSL/TLS
http:
//www.openssl.org/
SSLeay
http:
//www2.psy.uq.edu.au/~ftp/Crypto/
OpenSSL中文论坛
Perl
http:
//www.cpan.org/src/README.html
NASM
9．
A．示例程序
注:
此嵌入的文件对象可以被拖放到磁盘目录中去。
1．DES示例程序
2．AES示例程序
3．RC4示例程序
（1）．
（2）．
（3）
4．RSA示例程序
（1）．
（2）．
5．Hash算法示例程序
6．SSL示例程序
7．CA配置示例和证书解析示例程序
（1）.
（2）.
8．
B．
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