OpenSSL使用指南
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。
1.1 SSL
SSL(Secure Socket Layer)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(Transport Layer Security)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。
1.2 OpenSSL
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Eric Young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 获取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：
$tar zxf openssl-0.9.8.tar.gz
在Windows中可以使用winzip或winrar解压。
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Active Perl。
C编译器可以使用gcc。在Windows下可以使用visual C++编译
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 编译与安装步骤
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：
>perl Configure VC-WIN32
>msdo_nasm(如果不使用汇编代码实现，则可>msdo_ms)
>nmake -f ms tdll.mak
>cd out32dll
>..ms est
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
$make test
$make install
在Linux下，头文件、库文件、工具都已被安装防盗了合适的位置。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： >openssl version –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： >openssl ciphers
3.3 测试密码算法速度
测试所有算法速度： >openssl speed
测试RSA速度： >openssl speed rsa
测试des速度： >openssl speed des
3.4 RSA密钥操作
产生RSA密钥对： >openssl genrsa –out 1.key 1024
取出RSA公钥： >openssl rsa –in 1.key –pubout –out 1.pubkey
3.5 加密文件
加密文件： >openssl enc –e –rc4 –in 1.key –out 1.key.enc
解密文件： >openssl enc –d –rc4 –in 1.key.enc –out 1.key.dec
3.6 计算Hash值
计算文件的MD5值： >openssl md5 < 1.key
计算文件的SHA1值： >openssl sha1 < 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。
4.1.1 DES
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
4.1.1.1 DES ECB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。
void DES_ecb_encrypt(const_DES_cblock *input,DES_cblock *output, DES_key_schedule *ks,int enc);
int DES_set_key(const_DES_cblock *key,DES_key_schedule *schedule);
4.1.1.2 DES CBC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。
void DES_ncbc_encrypt(const unsigned char *input,unsigned char *output, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int enc);
4.1.1.3 DES CFB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。
void DES_cfb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, int numbits, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int enc);
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。
void DES_cfb64_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int *num, int enc);
4.1.1.4 DES OFB模式
OFB和CFB类似，也有两个函数，用法一样。
void DES_ofb_encrypt(const unsigned char *in,unsigned char *out,int numbits,long length,DES_key_schedule *schedule,DES_cblock *ivec);
void DES_ofb64_encrypt(const unsigned char *in,unsigned char *out,long length,DES_key_schedule *schedule,DES_cblock *ivec,int *num);
4.1.1.5 DES函数实例程序
4.1.2 AES
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)。
int AES_set_encrypt_key();
int AES_set_decrypt_key();
void AES_ecb_encrypt();
void AES_cbc_encrypt();
void AES_cfb128_encrypt();
void AES_ofb128_encrypt();
AES实例程序
4.1.3 RC4
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。
void RC4_set_key(RC4_KEY *key, int len, const unsigned char *data);
void RC4(RC4_KEY *key, unsigned long len, const unsigned char *indata, unsigned char *outdata);
RC4示例程序：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include "rc4.h"
char *version = "rc4enc v0.2+naive 1:47 2003-3-13 by Linden";
int enc(char* buff, int len, char* buff2, int* len2)
{
char passwd[16];
RC4_KEY key;
memset(passwd, 0, 16);
puts("Pleasw input passwd:");
gets(passwd);
RC4_set_key(&key, 16, passwd);
RC4(&key, len, buff, buff2);
*len2 = len;
return 0;
}
main(int argc, char* argv[])
{
char* fname1;
char fname2[100];
FILE *file1, *file2;
char buff1[10*1024];
char buff2[10*1024];
int len1, len2;
if (argc!=2)
{
puts("usage: enc <filename>");
return -1;
}
fname1 = argv[1];
strcpy(fname2, fname1);
strcat(fname2, ".enc");
file1 = fopen(fname1, "rb");
file2 = fopen(fname2, "wb");
while (1)
{
len1 = fread(buff1, 1, 10*1024, file1);
if (len1<=0)
break;
enc(buff1, len1, buff2, &len2);
fwrite(buff2, 1, len2, file2);
}
fclose(file1);
fclose(file2);
}
4.2 公钥算法
OpenSSL中实现了RSA、DSA、ECDSA等公钥算法。
4.2.1 RSA
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。
4.2.1.1 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(int bits, unsigned long e, 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);
4.2.1.2 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。
int RSA_public_encrypt(int flen, const unsigned char *from,unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);
int RSA_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from,unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);
4.2.1.3 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。
int RSA_sign(int type, const unsigned char *m, unsigned int m_length, unsigned char *sigret, unsigned int *siglen, RSA *rsa);
int RSA_verify(int type, const unsigned char *m, unsigned int m_length, unsigned char *sigbuf, unsigned int siglen, RSA *rsa);
4.2.1.4 RSA函数实例程序
4.3 Hash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。
int MD5_Init(MD5_CTX *c);
int MD5_Update(MD5_CTX *c, const void *data, size_t len);
int MD5_Final(unsigned char *md, MD5_CTX *c);
4.3.2 SHA1
SHA1算法输出的散列值是20字节。
int SHA1_Init(SHA_CTX *c);
int SHA1_Update(SHA_CTX *c, const void *data, size_t len);
int SHA1_Final(unsigned char *md, SHA_CTX *c);
4.3.3 MD5例子
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。
void RAND_add(const void *buf,int num,double entropy);
int RAND_bytes(unsigned char *buf,int num);
5 SSL协议编程API
5.1 客户端
5.2服务器端
5.3 SSL实例程序
6 CA和证书
6.1 OpenSSL中CA的配置
6.2 配置实例
6.3 证书解析
6.4 解析实例程序
7 参考网址
SSL 3.0 Specification
http://www.netscape.com/eng/ssl3/
Transport Layer Security (tls) Charter
http://www.ietf.org/html.charters/tls-charter.html
OpenSSL: The Open Source toolkit for SSL/TLS
SSLeay
http://www2.psy.uq.edu.au/~ftp/Crypto/
OpenSSL中文论坛
Perl
http://www.cpan.org/src/README.html
http://www.activestate.com/Products/ActivePerl/
NASM