使用 OpenSSL API 進行安全編程

時間  2019-11-20
標籤 使用 openssl api 進行 安全 編程 欄目 SSL 简体版
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建立基本的安全鏈接和非安全鏈接php

Kenneth Ballard ( kenneth.ballard@ptk.org), 自由程序員
Kenneth 是 Peru State College（位於 Peru, Nebraska）計算機科學專業的大四學生。他仍是學生報 The Peru State Times 的職業做者。他擁有 Southwestern Community College （位於 Creston, Iowa）計算機編程專業的理學副學士（Associate of Science）學位，在這所大學裏，他是一名半工半讀的 PC 技術員。他的研究領域包括 Java、C++、COBOL、 Visual Basic 和網絡。

 

簡介： 學習如何使用 OpenSSL —— 用於安全通訊的最著名的開放庫 —— 的 API 有些強人所難，由於其文檔並不徹底。您能夠經過本文中的提示補充這方面的知識，並駕馭該 API。在創建基本的鏈接以後，就能夠查看如何使用 OpenSSL 的 BIO 庫來創建安全鏈接和非安全鏈接。與此同時，您還會學到一些關於錯誤檢測的知識。html

 

OpenSSL API 的文檔有些含糊不清。由於尚未多少關於 OpenSSL 使用的教程，因此對初學者來講，在應用程序中使用它可能會有一些困難。那麼怎樣才能使用 OpenSSL 實現一個基本的安全鏈接呢？本教程將幫助您解決這個問題。java

學習如何實現 OpenSSL 的困難部分在於其文檔的不徹底。不徹底的 API 文檔一般會妨礙開發人員使用該 API，而這一般意味着它註定要失敗。但 OpenSSL 仍然很活躍，並且正逐漸變得強大。這是爲何？linux

OpenSSL 是用於安全通訊的最著名的開放庫。在 google 中搜索「SSL library」獲得的返回結果中，列表最上方就是 OpenSSL。它誕生於 1998 年，源自 Eric Young 和 Tim Hudson 開發的 SSLeay 庫。其餘 SSL 工具包包括遵循 GNU General Public License 發行的 GNU TLS，以及 Mozilla Network Security Services（NSS）（請參閱本文後面的 參考資料 ，以得到其餘信息）。程序員

那麼，是什麼使得 OpenSSL 比 GNU TLS、Mozilla NSS 或其餘全部的庫都優越呢？許但是一方面因素（請參閱 參考資料）。此外，GNS TLS（迄今爲止）只支持 TLS v1.0 和 SSL v3.0 協議，僅此而已。算法

Mozilla NSS 的發行既遵循 Mozilla Public License 又遵循 GNU GPL，它容許開發人員進行選擇。不過，Mozilla NSS 比 OpenSSL 大，而且須要其餘外部庫來對庫進行編譯，而 OpenSSL 是徹底自包含的。與 OpenSSL 相同，大部分 NSS API 也沒有文檔資料。Mozilla NSS 得到了 PKCS #11 支持，該支持能夠用於諸如智能卡這樣的加密標誌。OpenSSL 就不具有這一支持。編程

先決條件api

要充分理解並利用本文，您應該：安全

  • 精通 C 編程。
  • 熟悉 Internet 通訊和支持 Internet 的應用程序的編寫。

並不絕對要求您熟悉 SSL ，由於稍後將給出對 SLL 的簡短說明；不過，若是您但願獲得詳細論述 SSL 的文章的連接，請參閱 參考資料部分。擁有密碼學方面的知識當然好，但這並非必需的。服務器

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什麼是 SSL？

SSL 是一個縮寫，表明的是 Secure Sockets Layer。它是支持在 Internet 上進行安全通訊的標準，而且將數據密碼術集成到了協議之中。數據在離開您的計算機以前就已經被加密，而後只有到達它預約的目標後才被解密。證書和密碼學算法支持了這一切的運轉，使用 OpenSSL，您將有機會切身體會它們。

理論上，若是加密的數據在到達目標以前被截取或竊聽，那些數據是不可能被破解的。不過，因爲計算機的變化一年比一年快，並且密碼翻譯方法有了新的發展，所以，SSL 中使用的加密協議被破解的可能性也在增大。

能夠將 SSL 和安全鏈接用於 Internet 上任何類型的協議，無論是 HTTP、POP3，仍是 FTP。還能夠用 SSL 來保護 Telnet 會話。雖然能夠用 SSL 保護任何鏈接，可是沒必要對每一類鏈接都使用 SSL。若是鏈接傳輸敏感信息，則應使用 SSL。

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什麼是 OpenSSL？

OpenSSL 不只僅是 SSL。它能夠實現消息摘要、文件的加密和解密、數字證書、數字簽名和隨機數字。關於 OpenSSL 庫的內容很是多，遠不是一篇文章能夠容納的。

OpenSSL 不僅是 API，它仍是一個命令行工具。命令行工具能夠完成與 API 一樣的工做，並且更進一步，能夠測試 SSL 服務器和客戶機。它還讓開發人員對 OpenSSL 的能力有一個認識。要得到關於如何使用 OpenSSL 命令行工具的資料，請參閱 參考資料部分。

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您須要什麼

首先須要的是最新版本的 OpenSSL。查閱參考資料部分，以肯定從哪裏能夠得到最新的能夠本身編譯的源代碼，或者最新版本的二進制文件（若是您不但願花費時間來編譯的話）。不過，爲了安全起見，我建議您下載最新的源代碼並本身編譯它。二進制版本一般是由第三方而不是由 OpenSSL 的開發人員來編譯和發行的。

一些 Linux 的發行版本附帶了 OpenSSL 的二進制版本，對於學習如何使用 OpenSSL 庫來講，這足夠了；不過，若是您打算去作一些實際的事情，那麼必定要獲得最新的版本，並保持該版本一直是最新的。

對於以 RPM 形式安裝的 Linux 發行版本（Red Hat、Mandrake 等），建議您經過從發行版本製造商那裏得到 RPM 程序包來更新您的 OpenSSL 發行版本。出於安全方面的緣由，建議您使用最新版本的發行版本。若是您的發行版本不能使用最新版本的 OpenSSL，那麼建議您只覆蓋庫文件，不要覆蓋可執行文件。OpenSSL 附帶的 FAQ 文檔中包含了有關這方面的細節。

還要注意的是，OpenSSL 並無在全部的平臺上都得到官方支持。雖然製造商已經盡力使其可以跨平臺兼容，但仍然存在 OpenSSL 不能用於您的計算機 和/或 操做系統的可能。請參閱 OpenSSL 的 Web 站點（ 參考資料 中的連接），以得到關於哪些平臺能夠獲得支持的信息。

若是想使用 OpenSSL 來生成證書請求和數字證書，那麼必須建立一個配置文件。在 OpenSSL 程序包的 apps 文件夾中，有一個名爲 openssl.cnf 的可用模板文件。我不會對該文件進行討論，由於這不在本文要求範圍以內。不過，該模板文件有一些很是好的註釋，並且若是在 Internet 上搜索，您能夠找到不少討論修改該文件的教程。

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頭文件和初始化

本教程所使用的頭文件只有三個：ssl.h、bio.h 和 err.h。它們都位於 openssl 子目錄中，並且都是開發您的項目所必需的。要初始化 OpenSSL 庫，只須要三個代碼行便可。清單 1 中列出了全部內容。其餘的頭文件 和/或 初始化函數多是其餘一些功能所必需的。


清單 1. 必需的頭文件 

/* OpenSSL headers */
#include "openssl/bio.h"
#include "openssl/ssl.h"
#include "openssl/err.h"
/* Initializing OpenSSL */
SSL_load_error_strings();
ERR_load_BIO_strings();
OpenSSL_add_all_algorithms();

 

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創建非安全鏈接

無論鏈接是安全的仍是不安全的，OpenSSL 都使用了一個名爲 BIO 的抽象庫來處理包括文件和套接字在內的各類類型的通訊。您還能夠將 OpenSSL 設置成爲一個過濾器，好比用於 UU 或 Base64 編碼的過濾器。

在這裏對 BIO 庫進行全面說明有點麻煩，因此我將根據須要一點一點地介紹它。首先，我將向您展現如何創建一個標準的套接字鏈接。相對於使用 BSD 套接字庫，該操做須要的代碼行更少一些。

在創建鏈接（不管安全與否）以前，要建立一個指向 BIO 對象的指針。這相似於在標準 C 中爲文件流建立 FILE 指針。


清單 2. 指針 

BIO * bio;

 

打開鏈接

建立新的鏈接須要調用 BIO_new_connect 。您能夠在同一個調用中同時指定主機名和端口號。也能夠將其拆分爲兩個單獨的調用：一個是建立鏈接並設置主機名的 BIO_new_connect 調用，另外一個是設置端口號的 BIO_set_conn_port （或者 BIO_set_conn_int_port ）調用。

無論怎樣，一旦 BIO 的主機名和端口號都已指定，該指針會嘗試打開鏈接。沒有什麼能夠影響它。若是建立 BIO 對象時遇到問題，指針將會是 NULL。爲了確保鏈接成功，必須執行 BIO_do_connect 調用。


清單 3. 建立並打開鏈接 

bio = BIO_new_connect("hostname:port");
if(bio == NULL)
{
    /* Handle the failure */
}
if(BIO_do_connect(bio) <= 0)
{
    /* Handle failed connection */
}

 

在這裏，第一行代碼使用指定的主機名和端口建立了一個新的 BIO 對象，並以所示風格對該對象進行 格式化。例如，若是您要鏈接到 www.ibm.com 的 80 端口，那麼該字符串將是 www.ibm.com:80 。調用 BIO_do_connect 檢查鏈接是否成功。若是出錯，則返回 0 或 -1。

與服務器進行通訊

無論 BIO 對象是套接字仍是文件，對其進行的讀和寫操做都是經過如下兩個函數來完成的： BIO_read 和 BIO_write 。很簡單，對吧？精彩之處就在於它始終如此。

BIO_read 將嘗試從服務器讀取必定數目的字節。它返回讀取的字節數、 0 或者 -1。在受阻塞的鏈接中，該函數返回 0，表示鏈接已經關閉，而 -1 則表示鏈接出現錯誤。在非阻塞鏈接的狀況下，返回 0 表示沒有能夠得到的數據，返回 -1 表示鏈接出錯。能夠調用 BIO_should_retry 來肯定是否可能重複出現該錯誤。


清單 4. 從鏈接讀取 

int x = BIO_read(bio, buf, len);
if(x == 0)
{
    /* Handle closed connection */
}
else if(x < 0)
{
   if(! BIO_should_retry(bio))
    {
        /* Handle failed read here */
    }
    /* Do something to handle the retry */
}

 

BIO_write 會試着將字節寫入套接字。它將返回實際寫入的字節數、0 或者 -1。同 BIO_read ，0 或 -1 不必定表示錯誤。 BIO_should_retry 是找出問題的途徑。若是須要重試寫操做，它必須使用和前一次徹底相同的參數。


清單 5. 寫入到鏈接 

if(BIO_write(bio, buf, len) <= 0)
{
    if(! BIO_should_retry(bio))
    {
        /* Handle failed write here */
    }
    /* Do something to handle the retry */
}

 

關閉鏈接

關閉鏈接也很簡單。您可使用如下兩種方式之一來關閉鏈接： BIO_reset 或 BIO_free_all 。若是您還須要從新使用對象，那麼請使用第一種方式。若是您再也不從新使用它，則可使用第二種方式。

BIO_reset 關閉鏈接並從新設置 BIO 對象的內部狀態，以即可以從新使用鏈接。若是要在整個應用程序中使用同一對象，好比使用一臺安全的聊天客戶機，那麼這樣作是有益的。該函數沒有返回值。

BIO_free_all 所作正如其所言：它釋放內部結構體，並釋放全部相關聯的內存，其中包括關閉相關聯的套接字。若是將 BIO 嵌入於一個類中，那麼應該在類的析構函數中使用這個調用。


清單 6. 關閉鏈接 

/* To reuse the connection, use this line */
BIO_reset(bio);
/* To free it from memory, use this line */
BIO_free_all(bio);

 

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創建安全鏈接

如今須要給出創建安全鏈接須要作哪些事情。唯一要改變的地方就是創建並進行鏈接。其餘全部內容都是相同的。

安全鏈接要求在鏈接創建後進行握手。在握手過程當中，服務器向客戶機發送一個證書，而後，客戶機根據一組可信任證書來覈實該證書。它還將檢查證書，以確保它沒有過時。要檢驗證書是可信任的，須要在鏈接創建以前提早加載一個可信任證書庫。

只有在服務器發出請求時，客戶機纔會向服務器發送一個證書。該過程叫作客戶機認證。使用證書，在客戶機和服務器之間傳遞密碼參數，以創建安全鏈接。儘管握手是在創建鏈接以後才進行的，可是客戶機或服務器能夠在任什麼時候刻請求進行一次新的握手。

參考資料 部分中列出的 Netscasp 文章和 RFC 2246 ，對握手以及創建安全鏈接的其餘方面的知識進行了更詳盡的論述。

爲安全鏈接進行設置

爲安全鏈接進行設置要多幾行代碼。同時須要有另外一個類型爲 SSL_CTX 的指針。該結構保存了一些 SSL 信息。您也能夠利用它經過 BIO 庫創建 SSL 鏈接。能夠經過使用 SSL 方法函數調用 SSL_CTX_new 來建立這個結構，該方法函數一般是 SSLv23_client_method 。

還須要另外一個 SSL 類型的指針來保持 SSL 鏈接結構（這是短期就能完成的一些鏈接所必需的）。之後還能夠用該 SSL 指針來檢查鏈接信息或設置其餘 SSL 參數。


清單 7. 設置 SSL 指針 

SSL_CTX * ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());
SSL * ssl;

 

加載可信任證書庫

在建立上下文結構以後，必須加載一個可信任證書庫。這是成功驗證每一個證書所必需的。若是不能確認證書是可信任的，那麼 OpenSSL 會將證書標記爲無效（但鏈接仍能夠繼續）。

OpenSSL 附帶了一組可信任證書。它們位於源文件樹的 certs 目錄中。不過，每一個證書都是一個獨立的文件 —— 也就是說，須要單獨加載每個證書。在 certs 目錄下，還有一個存放過時證書的子目錄。試圖加載這些證書將會出錯。

若是您願意，能夠分別加載每個文件，但爲了簡便起見，最新的 OpenSSL 發行版本的可信任證書一般存放在源代碼檔案文件中，這些檔案文件位於名爲「TrustStore.pem」的單個文件中。若是已經有了一個可信任證書庫，並打算將它用於特定的項目中，那麼只需使用您的文件替換清單 8 中的「TrustStore.pem」（或者使用單獨的函數調用將它們所有加載）便可。

能夠調用 SSL_CTX_load_verify_locations 來加載可信任證書庫文件。這裏要用到三個參數：上下文指針、可信任庫文件的路徑和文件名，以及證書所在目錄的路徑。必須指定可信任庫文件或證書的目錄。若是指定成功，則返回 1，若是遇到問題，則返回 0。


清單 8. 加載信任庫 

if(! SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, "/path/to/TrustStore.pem", NULL))
{
    /* Handle failed load here */
}

 

若是打算使用目錄存儲可信任庫，那麼必需要以特定的方式命名文件。OpenSSL 文檔清楚地說明了應該如何去作，不過，OpenSSL 附帶了一個名爲 c_rehash 的工具，它能夠將文件夾配置爲可用於 SSL_CTX_load_verify_locations 的路徑參數。


清單 9. 配置證書文件夾並使用它 

/* Use this at the command line */
c_rehash /path/to/certfolder
/* then call this from within the application */
if(! SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, NULL, "/path/to/certfolder"))
{
    /* Handle error here */
}

 

爲了指定全部須要的驗證證書，您能夠根據須要命名任意數量的單獨文件或文件夾。您還能夠同時指定文件和文件夾。

建立鏈接

將指向 SSL 上下文的指針做爲唯一參數，使用 BIO_new_ssl_connect 建立 BIO 對象。還須要得到指向 SSL 結構的指針。在本文中，只將該指針用於 SSL_set_mode 函數。而這個函數是用來設置 SSL_MODE_AUTO_RETRY 標記的。使用這個選項進行設置，若是服務器忽然但願進行一次新的握手，那麼 OpenSSL 能夠在後臺處理它。若是沒有這個選項，當服務器但願進行一次新的握手時，進行讀或寫操做都將返回一個錯誤，同時還會在該過程當中設置 retry 標記。


清單 10. 設置 BIO 對象 

bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);
BIO_get_ssl(bio, & ssl);
SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY);

 

設置 SSL 上下文結構以後，就能夠建立鏈接了。主機名是使用 BIO_set_conn_hostname 函數設置的。主機名和端口的指定格式與前面的相同。該函數還能夠打開到主機的鏈接。爲了確認已經成功打開鏈接，必須執行對 BIO_do_connect 的調用。該調用還將執行握手來創建安全鏈接。


清單 11. 打開安全鏈接 

/* Attempt to connect */
BIO_set_conn_hostname(bio, "hostname:port");
/* Verify the connection opened and perform the handshake */
if(BIO_do_connect(bio) <= 0)
{
    /* Handle failed connection */
}

 

鏈接創建後，必須檢查證書，以肯定它是否有效。實際上，OpenSSL 爲咱們完成了這項任務。若是證書有致命的問題（例如，哈希值無效），那麼將沒法創建鏈接。可是，若是證書的問題並非致命的（當它已通過期或者尚不合法時），那麼仍能夠繼續使用鏈接。

能夠將 SSL 結構做爲唯一參數，調用 SSL_get_verify_result 來查明證書是否經過了 OpenSSL 的檢驗。若是證書經過了包括信任檢查在內的 OpenSSL 的內部檢查，則返回 X509_V_OK。若是有地方出了問題，則返回一個錯誤代碼，該代碼被記錄在命令行工具的 verify 選項下。

應該注意的是，驗證失敗並不意味着鏈接不能使用。是否應該使用鏈接取決於驗證結果和安全方面的考慮。例如，失敗的信任驗證可能只是意味着沒有可信任的證書。鏈接仍然可用，只是須要從思想上提升安全意識。


清單 12. 檢查證書是否有效 

if(SSL_get_verify_result(ssl) != X509_V_OK)
{
    /* Handle the failed verification */
}

 

這就是所須要的所有操做。一般，與服務器進行通訊都要使用 BIO_read 和 BIO_write 。而且只需調用 BIO_free_all 或 BIO_reset ，就能夠關閉鏈接，具體調用哪個方法取決因而否重用 BIO。

必須在結束應用程序以前的某個時刻釋放 SSL 上下文結構。能夠調用 SSL_CTX_free 來釋放該結構。


清單 13. 清除 SSL 上下文 

SSL_CTX_free(ctx);

 

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錯誤檢測

顯然 OpenSSL 拋出了某種類型的錯誤。這意味着什麼？首先，您須要獲得錯誤代碼自己； ERR_get_error 能夠完成這項任務；而後，須要將錯誤代碼轉換爲錯誤字符串，它是一個指向由 SSL_load_error_strings 或 ERR_load_BIO_strings 加載到內存中的永久字符串的指針。能夠在一個嵌套調用中完成這項操做。

表 1 略述了從錯誤棧檢索錯誤的方法。清單 24 展現瞭如何打印文本字符串中的最後一個錯誤信息。

表 1. 從棧中檢索錯誤

 

ERR_reason_error_string 返回一個靜態字符串的指針，而後能夠將字符串顯示在屏幕上、寫入文件，或者以任何您但願的方式進行處理
ERR_lib_error_string 指出錯誤發生在哪一個庫中
ERR_func_error_string 返回致使錯誤的 OpenSSL 函數

 


清單 14. 打印出最後一個錯誤 

printf("Error: %s\n", ERR_reason_error_string(ERR_get_error()));

 

您還可讓庫給出預先格式化了的錯誤字符串。能夠調用 ERR_error_string 來獲得該字符串。該函數將錯誤代碼和一個預分配的緩衝區做爲參數。而這個緩衝區必須是 256 字節長。若是參數爲 NULL，則 OpenSSL 會將字符串寫入到一個長度爲 256 字節的靜態緩衝區中，並返回指向該緩衝區的指針。不然，它將返回您給出的指針。若是您選擇的是靜態緩衝區選項，那麼在下一次調用 ERR_error_string 時，該緩衝區會被覆蓋。


清單 15. 得到預先格式化的錯誤字符串 

printf("%s\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));

 

您還能夠將整個錯誤隊列轉儲到文件或 BIO 中。能夠經過 ERR_print_errors 或 ERR_print_errors_fp 來實現這項操做。隊列是以可讀格式被轉儲的。第一個函數將隊列發送到 BIO ，第二個函數將隊列發送到 FILE 。字符串格式以下（引自 OpenSSL 文檔）：

[pid]:error:[error code]:[library name]:[function name]:[reason string]:[file name]:[line]:[optional text message]

其中， [pid] 是進程 ID， [error code] 是一個 8 位十六進制代碼， [file name] 是 OpenSSL 庫中的源代碼文件， [line] 是源文件中的行號。


清單 16. 轉儲錯誤隊列 

ERR_print_errors_fp(FILE *);
ERR_print_errors(BIO *);

 

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開始作吧

使用 OpenSSL 建立基本的鏈接並不困難，可是，當試着肯定該如何去作時，文檔多是一個小障礙。本文向您介紹了一些基本概念，但 OpenSSL 還有不少靈活之處有待發掘，並且您還可能須要一些高級設置，以便項目可以充分利用 SSL 的功能。

本文中有兩個樣例。一個樣例展現了到 http://www.verisign.com/ 的非安全鏈接，另外一個則展現了到 http://www.verisign.com/ 的安全 SSL 鏈接。二者都是鏈接到服務器並下載其主頁。它們沒有進行任何安全檢查，並且庫中的全部設置都是默認值 —— 做爲本文的一部分，應該只將這些用於教學目的。

在任何支持的平臺上，源代碼的編譯都應該是很是容易的，不過我建議您使用最新版本的 OpenSSL。在撰寫本文時，OpenSSL 的最新版本是 0.9.7d。

 

參考資料

關於做者

Kenneth 是 Peru State College（位於 Peru, Nebraska）計算機科學專業的大四學生。他仍是學生報 The Peru State Times 的職業做者。他擁有 Southwestern Community College （位於 Creston, Iowa）計算機編程專業的理學副學士（Associate of Science）學位，在這所大學裏，他是一名半工半讀的 PC 技術員。他的研究領域包括 Java、C++、COBOL、 Visual Basic 和網絡。

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