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用openssl编写ssl,tls程序实例

2008年12月02日 星期二 16:17

◆ 用openssl编写ssl,tls程序 

作者：yawl([e-mail]) 
日期：2000-8-15     
    
一:简介: 

ssl(secure socket layer)是netscape公司提出的主要用于web的安全通信标准,分为2.0版和3.0版.tls(transport layer security)是ietf的tls工作组在ssl3.0基础之上提出的安全通信标准,目前版本是1.0,即rfc2246.ssl/tls提供的安全机制可以保证应用层数据在互联网络传输不被监听,伪造和窜改. 

openssl(www.openssl.org)是sslv2,sslv3,tlsv1的一份完整实现,内部包含了大量加密算法程序.其命令行提供了丰富的加密,验证,证书生成等功能,甚至可以用其建立一个完整的ca.与其同时,它也提供了一套完整的库函数,可用开发用ssl/tls的通信程序. apache的https两种版本mod_ssl和apachessl均基于它实现的.openssl继承于ssleay,并做了一定的扩展,当前的版本是0.9.5a. 

openssl的缺点是文档太少,连一份完整的函数说明都没有,man page也至今没做完整:-(,如果想用它编程序,除了熟悉已有的文档(包括ssleay,mod_ssl,apachessl的文档)外,可以到它的maillist上找相关的帖子,许多问题可以在以前的文章中找到答案. 

编程: 
程序分为两部分,客户端和服务器端,我们的目的是利用ssl/tls的特性保证通信双方能够互相验证对方身份(真实性),并保证数据的完整性,私密性. 

1.客户端程序的框架为: 

meth = sslv23_client_method(); 
ctx = ssl_ctx_new (meth); 
ssl = ssl_new(ctx); 

 
fd = socket(); 
connect(); 

 
ssl_set_fd(ssl,fd); 

 
ssl_connect(ssl); 

 
ssl_write(ssl,"hello world",strlen("hello world!")); 

 
 

2.服务端程序的框架为: 

meth = sslv23_server_method(); 
ctx = ssl_ctx_new (meth); 
ssl = ssl_new(ctx); 

 
fd = socket(); 
bind(); 
listen(); 
accept(); 

 
ssl_set_fd(ssl,fd); 

 
ssl_connect(ssl); 

 
ssl_read (ssl, buf, sizeof(buf)); 

 
 

根据rfc2246(tls1.0)整个tls(ssl)的流程如下: 

client server 

clienthello --------> 
serverhello 
certificate* 
serverkeyexchange* 
certificaterequest* 
<-------- serverhellodone 
certificate* 
clientkeyexchange 
certificateverify* 
[changecipherspec] 
finished --------> 
[changecipherspec] 
<-------- finished 
application data <-------> application data 

对程序来说,openssl将整个握手过程用一对函数体现,即客户端的ssl_connect和服务端的ssl_accept.而后的应用层数据交换则用ssl_read和ssl_write来完成. 

二:证书文件生成 

除将程序编译成功外,还需生成必要的证书和私钥文件使双方能够成功验证对方,步骤如下: 

1.首先要生成服务器端的私钥(key文件): 
openssl genrsa -des3 -out server.key 1024 
运行时会提示输入密码,此密码用于加密key文件(参数des3便是指加密算法,当然也可以选用其他你认为安全的算法.),以后每当需读取此文件(通过openssl提供的命令或api)都需输入口令.如果觉得不方便,也可以去除这个口令,但一定要采取其他的保护措施! 
去除key文件口令的命令: 
openssl rsa -in server.key -out server.key 

2.openssl req -new -key server.key -out server.csr 
生成certificate signing request,生成的csr文件交给ca签名后形成服务端自己的证书.屏幕上将有提示,依照其指示一步一步输入要求的个人信息即可. 

3.对客户端也作同样的命令生成key及csr文件: 
openssl genrsa -des3 -out client.key 1024 
openssl req -new -key client.key -out client.csr 

4.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. 
首先生成ca的key文件: 
openssl -des3 -out ca.key 1024 
在生成ca自签名的证书: 
openssl req -new -x509 -key ca.key -out ca.crt 
如果想让此证书有个期限,如一年,则加上"-days 365". 
("如果非要为这个证书加上一个期限,我情愿是..一万年") 

5.用生成的ca的证书为刚才生成的server.csr,client.csr文件签名: 
可以用openssl中ca系列命令,但不是很好用(也不是多难,唉,一言难尽),一篇文章中推荐用mod_ssl中的sign.sh脚本,试了一下,确实方便了不少,如果ca.csr存在的话,只需: 
./sigh.sh server.csr 
./sign.sh client.csr 
相应的证书便生成了(后缀.crt). 

现在我们所需的全部文件便生成了. 

其实openssl中还附带了一个叫ca.pl的文件(在安装目录中的misc子目录下),可用其生成以上的文件,使用也比较方便,但此处就不作介绍了. 

三:需要了解的一些函数: 

1.int ssl_ctx_set_cipher_list(ssl_ctx *,const char *str); 
根据ssl/tls规范,在clienthello中,客户端会提交一份自己能够支持的加密方法的列表,由服务端选择一种方法后在serverhello中通知服务端,从而完成加密算法的协商. 

可用的算法为: 
edh-rsa-des-cbc3-sha 
edh-dss-des-cbc3-sha 
des-cbc3-sha 
dhe-dss-rc4-sha 
idea-cbc-sha 
rc4-sha 
rc4-md5 
exp1024-dhe-dss-rc4-sha 
exp1024-rc4-sha 
exp1024-dhe-dss-des-cbc-sha 
exp1024-des-cbc-sha 
exp1024-rc2-cbc-md5 
exp1024-rc4-md5 
edh-rsa-des-cbc-sha 
edh-dss-des-cbc-sha 
des-cbc-sha 
exp-edh-rsa-des-cbc-sha 
exp-edh-dss-des-cbc-sha 
exp-des-cbc-sha 
exp-rc2-cbc-md5 
exp-rc4-md5 
这些算法按一定优先级排列,如果不作任何指定,将选用des-cbc3-sha.用ssl_ctx_set_cipher_list可以指定自己希望用的算法(实际上只是提高其优先级,是否能使用还要看对方是否支持). 

我们在程序中选用了rc4做加密,md5做消息摘要(先进行md5运算,后进行rc4加密).即 
ssl_ctx_set_cipher_list(ctx,"rc4-md5"); 

在消息传输过程中采用对称加密(比公钥加密在速度上有极大的提高),其所用秘钥(shared secret)在握手过程中中协商(每次对话过程均不同,在一次对话中都有可能有几次改变),并通过公钥加密的手段由客户端提交服务端. 

2.void ssl_ctx_set_verify(ssl_ctx *ctx,int mode,int (*callback)(int, x509_store_ctx *)); 
缺省mode是ssl_verify_none,如果想要验证对方的话,便要将此项变成ssl_verify_peer.ssl/tls中缺省只验证server,如果没有设置ssl_verify_peer的话,客户端连证书都不会发过来. 

3.int ssl_ctx_load_verify_locations(ssl_ctx *ctx, const char *cafile,const char *capath); 
要验证对方的话,当然装要有ca的证书了,此函数用来便是加载ca的证书文件的. 

4.int ssl_ctx_use_certificate_file(ssl_ctx *ctx, const char *file, int type); 
加载自己的证书文件. 

5.int ssl_ctx_use_privatekey_file(ssl_ctx *ctx, const char *file, int type); 
加载自己的私钥,以用于签名. 

6.int ssl_ctx_check_private_key(ssl_ctx *ctx); 
调用了以上两个函数后,自己检验一下证书与私钥是否配对. 

7.void rand_seed(const void *buf,int num); 
在win32的环境中client程序运行时出错(ssl_connect返回-1)的一个主要机制便是与unix平台下的随机数生成机制不同(握手的时候用的到).具体描述可见mod_ssl的faq.解决办法就是调用此函数,其中buf应该为一随机的字符串,作为"seed". 
还可以采用一下两个函数: 
void rand_screen(void); 
int rand_event(uint, wparam, lparam); 
其中rand_screen()以屏幕内容作为"seed"产生随机数,rand_event可以捕获windows中的事件(event),以此为基础产生随机数.如果一直有用户干预的话,用这种办法产生的随机数能够"更加随机",但如果机器一直没人理(如总停在登录画面),则每次都将产生同样的数字. 

这几个函数都只在win32环境下编译时有用,各种unix下就不必调了. 
大量其他的相关函数原型,见crypto\rand\rand.h. 

8.openssl_add_ssl_algorithms()或ssleay_add_ssl_algorithms() 
其实都是调用int ssl_library_init(void) 
进行一些必要的初始化工作,用openssl编写ssl/tls程序的话第一句便应是它. 

9.void ssl_load_error_strings(void ); 
如果想打印出一些方便阅读的调试信息的话,便要在一开始调用此函数. 

10.void err_print_errors_fp(file *fp); 
如果调用了ssl_load_error_strings()后,便可以随时用err_print_errors_fp()来打印错误信息了. 

11.x509 *ssl_get_peer_certificate(ssl *s); 
握手完成后,便可以用此函数从ssl结构中提取出对方的证书(此时证书得到且已经验证过了)整理成x509结构. 

12.x509_name *x509_get_subject_name(x509 *a); 
得到证书所有者的名字,参数可用通过ssl_get_peer_certificate()得到的x509对象. 

13.x509_name *x509_get_issuer_name(x509 *a) 
得到证书签署者(往往是ca)的名字,参数可用通过ssl_get_peer_certificate()得到的x509对象. 

14.char *x509_name_oneline(x509_name *a,char *buf,int size); 
将以上两个函数得到的对象变成字符型,以便打印出来. 

15.ssl_method的构造函数,包括 
ssl_method *tls

发表者：colorrain

 

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <memory.h> 
#include <errno.h> 
#include <sys/types.h> 

#include <winsock2.h> 

#include "openssl/rsa.h" 
#include "openssl/crypto.h" 
#include "openssl/x509.h" 
#include "openssl/pem.h" 
#include "openssl/ssl.h" 
#include "openssl/err.h" 

 
#define certf "server.crt"  
#define keyf "server.key"  
#define cacert "ca.crt"  
#define port 1111  

#define chk_null(x) if ((x)==null) exit (1) 
#define chk_err(err,s) if ((err)==-1) { perror(s); exit(1); } 
#define chk_ssl(err) if ((err)==-1) { err_print_errors_fp(stderr); exit(2); } 

int main () 
{ 
	int err; 
	int listen_sd; 
	int sd; 
	struct sockaddr_in sa_serv; 
	struct sockaddr_in sa_cli; 
	int client_len; 
	ssl_ctx* ctx; 
	ssl* ssl; 
	x509* client_cert; 
	char* str; 
	char buf [4096]; 
	ssl_method *meth; 
	wsadata wsadata; 

	if(wsastartup(makeword(2,2),&wsadata) != 0){ 
		printf("wsastartup()fail:%d\n",getlasterror()); 
		return -1; 
	} 

	ssl_load_error_strings();  
	openssl_add_ssl_algorithms();  
	meth = tlsv1_server_method();  

	ctx = ssl_ctx_new (meth); 
	chk_null(ctx); 

	ssl_ctx_set_verify(ctx,ssl_verify_peer,null);  
	ssl_ctx_load_verify_locations(ctx,cacert,null);  

	if (ssl_ctx_use_certificate_file(ctx, certf, ssl_filetype_pem) <= 0) { 
		err_print_errors_fp(stderr); 
		exit(3); 
	} 
	if (ssl_ctx_use_privatekey_file(ctx, keyf, ssl_filetype_pem) <= 0) { 
		err_print_errors_fp(stderr); 
		exit(4); 
	} 

	if (!ssl_ctx_check_private_key(ctx)) { 
		printf("private key does not match the certificate public key\n"); 
		exit(5); 
	} 

	ssl_ctx_set_cipher_list(ctx,"rc4-md5"); 

 
	printf("begin tcp socket...\n"); 

	listen_sd = socket (af_inet, sock_stream, 0); 
	chk_err(listen_sd, "socket"); 
	
	memset (&sa_serv, \0, sizeof(sa_serv)); 
	sa_serv.sin_family = af_inet; 
	sa_serv.sin_addr.s_addr = inaddr_any; 
	sa_serv.sin_port = htons (port); 
	
	err = bind(listen_sd, (struct sockaddr*) &sa_serv, 
	sizeof (sa_serv)); 
	chk_err(err, "bind"); 
	
	 
	err = listen (listen_sd, 5); 
	chk_err(err, "listen"); 
	
	client_len = sizeof(sa_cli); 
	sd = accept (listen_sd, (struct sockaddr*) &sa_cli, &client_len); 
	chk_err(sd, "accept"); 
	closesocket (listen_sd); 
	
	printf ("connection from %lx, port %x\n", 
	sa_cli.sin_addr.s_addr, sa_cli.sin_port); 
	
	
 
	printf("begin server side ssl\n"); 

	ssl = ssl_new (ctx); 
	chk_null(ssl); 
	ssl_set_fd (ssl, sd); 
	err = ssl_accept (ssl); 
	printf("ssl_accept finished\n"); 
	chk_ssl(err); 


 
	printf ("ssl connection using %s\n", ssl_get_cipher (ssl)); 

 
	client_cert = ssl_get_peer_certificate (ssl); 
	if (client_cert != null) { 
		printf ("client certificate:\n"); 
	
		str = x509_name_oneline (x509_get_subject_name (client_cert), 0, 0); 
		chk_null(str); 
		printf ("\t subject: %s\n", str); 
		free (str); 
	
		str = x509_name_oneline (x509_get_issuer_name (client_cert), 0, 0); 
		chk_null(str); 
		printf ("\t issuer: %s\n", str); 
		free (str); 


		x509_free (client_cert); 
	} 
	else 
		printf ("client does not have certificate.\n"); 

 
	err = ssl_read (ssl, buf, sizeof(buf) - 1); 
	chk_ssl(err); 
	buf[err] = \0; 
	printf ("got %d chars:%s\n", err, buf); 
	
	err = ssl_write (ssl, "i hear you.", strlen("i hear you.")); 
	chk_ssl(err); 

 
	shutdown (sd,2); 
	ssl_free (ssl); 
	ssl_ctx_free (ctx); 

	return 0; 
} 

 

五.参考文献 

1.ssl规范(draft302) 
2.tls标准(rfc2246) 
3.openssl源程序及文档 
4.ssleay programmer reference 
5.introducing ssl and certificates using ssleay