diff --git a/published/20190619 Getting started with OpenSSL- Cryptography basics.md b/published/20190619 Getting started with OpenSSL- Cryptography basics.md new file mode 100644 index 0000000000..d7cd09934e --- /dev/null +++ b/published/20190619 Getting started with OpenSSL- Cryptography basics.md @@ -0,0 +1,333 @@ +[#]: collector: (lujun9972) +[#]: translator: (wxy) +[#]: reviewer: (wxy) +[#]: publisher: (wxy) +[#]: url: (https://linux.cn/article-11810-1.html) +[#]: subject: (Getting started with OpenSSL: Cryptography basics) +[#]: via: (https://opensource.com/article/19/6/cryptography-basics-openssl-part-1) +[#]: author: (Marty Kalin https://opensource.com/users/mkalindepauledu/users/akritiko/users/clhermansen) + +OpenSSL 入门：密码学基础知识 +====== + +> 想要入门密码学的基础知识，尤其是有关 OpenSSL 的入门知识吗？继续阅读。 + +![](https://img.linux.net.cn/data/attachment/album/202001/23/142249fpnhyqz9y2cz1exe.jpg) + +本文是使用 [OpenSSL][2] 的密码学基础知识的两篇文章中的第一篇，OpenSSL 是在 Linux 和其他系统上流行的生产级库和工具包。（要安装 OpenSSL 的最新版本，请参阅[这里][3]。）OpenSSL 实用程序可在命令行使用，程序也可以调用 OpenSSL 库中的函数。本文的示例程序使用的是 C 语言，即 OpenSSL 库的源语言。 + +本系列的两篇文章涵盖了加密哈希、数字签名、加密和解密以及数字证书。你可以从[我的网站][4]的 ZIP 文件中找到这些代码和命令行示例。 + +让我们首先回顾一下 OpenSSL 名称中的 SSL。 + +### OpenSSL 简史 + +[安全套接字层][5]Secure Socket Layer（SSL）是 Netscape 在 1995 年发布的一种加密协议。该协议层可以位于 HTTP 之上，从而为 HTTPS 提供了 S：安全secure。SSL 协议提供了各种安全服务，其中包括两项在 HTTPS 中至关重要的服务： + +* 对等身份验证Peer authentication（也称为相互质询）：连接的每一边都对另一边的身份进行身份验证。如果 Alice 和 Bob 要通过 SSL 交换消息，则每个人首先验证彼此的身份。 +* 机密性Confidentiality：发送者在通过通道发送消息之前先对其进行加密。然后，接收者解密每个接收到的消息。此过程可保护网络对话。即使窃听者 Eve 截获了从 Alice 到 Bob 的加密消息（即*中间人*攻击），Eve 会发现他无法在计算上解密此消息。 + +反过来，这两个关键 SSL 服务与其他不太受关注的服务相关联。例如，SSL 支持消息完整性，从而确保接收到的消息与发送的消息相同。此功能是通过哈希函数实现的，哈希函数也随 OpenSSL 工具箱一起提供。 + +SSL 有多个版本（例如 SSLv2 和 SSLv3），并且在 1999 年出现了一个基于 SSLv3 的类似协议传输层安全性Transport Layer Security（TLS）。TLSv1 和 SSLv3 相似，但不足以相互配合工作。不过，通常将 SSL/TLS 称为同一协议。例如，即使正在使用的是 TLS（而非 SSL），OpenSSL 函数也经常在名称中包含 SSL。此外，调用 OpenSSL 命令行实用程序以 `openssl` 开始。 + +除了 man 页面之外，OpenSSL 的文档是零零散散的，鉴于 OpenSSL 工具包很大，这些页面很难以查找使用。命令行和代码示例可以将主要主题集中起来。让我们从一个熟悉的示例开始（使用 HTTPS 访问网站），然后使用该示例来选出我们感兴趣的加密部分进行讲述。 + +### 一个 HTTPS 客户端 + +此处显示的 `client` 程序通过 HTTPS 连接到 Google： + +``` +/* compilation: gcc -o client client.c -lssl -lcrypto */ +#include +#include +#include /* BasicInput/Output streams */ +#include /* errors */ +#include /* core library */ +#define BuffSize 1024 + +void report_and_exit(const char* msg) { + perror(msg); + ERR_print_errors_fp(stderr); + exit(-1); +} + +void init_ssl() { + SSL_load_error_strings(); + SSL_library_init(); +} + +void cleanup(SSL_CTX* ctx, BIO* bio) { + SSL_CTX_free(ctx); + BIO_free_all(bio); +} + +void secure_connect(const char* hostname) { + char name[BuffSize]; + char request[BuffSize]; + char response[BuffSize]; + + const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method(); + if (NULL == method) report_and_exit("TLSv1_2_client_method..."); + + SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method); + if (NULL == ctx) report_and_exit("SSL_CTX_new..."); + + BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx); + if (NULL == bio) report_and_exit("BIO_new_ssl_connect..."); + + SSL* ssl = NULL; + + /* 链路 bio 通道，SSL 会话和服务器端点 */ + + sprintf(name, "%s:%s", hostname, "https"); + BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 会话 */ + SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 鲁棒性 */ + BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 准备连接 */ + + /* 尝试连接 */ + if (BIO_do_connect(bio) <= 0) { + cleanup(ctx, bio); + report_and_exit("BIO_do_connect..."); + } + + /* 验证信任库，检查证书 */ + if (!SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, + "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt", /* 信任库 */ + "/etc/ssl/certs/")) /* 其它信任库 */ + report_and_exit("SSL_CTX_load_verify_locations..."); + + long verify_flag = SSL_get_verify_result(ssl); + if (verify_flag != X509_V_OK) + fprintf(stderr, + "##### Certificate verification error (%i) but continuing...\n", + (int) verify_flag); + + /* 获取主页作为示例数据 */ + sprintf(request, + "GET / HTTP/1.1\x0D\x0AHost: %s\x0D\x0A\x43onnection: Close\x0D\x0A\x0D\x0A", + hostname); + BIO_puts(bio, request); + + /* 从服务器读取 HTTP 响应并打印到输出 */ + while (1) { + memset(response, '\0', sizeof(response)); + int n = BIO_read(bio, response, BuffSize); + if (n <= 0) break; /* 0 代表流结束，< 0 代表有错误 */ + puts(response); + } + + cleanup(ctx, bio); +} + +int main() { + init_ssl(); + + const char* hostname = "www.google.com:443"; + fprintf(stderr, "Trying an HTTPS connection to %s...\n", hostname); + secure_connect(hostname); + +return 0; +} +``` + +可以从命令行编译和执行该程序（请注意 `-lssl` 和 `-lcrypto` 中的小写字母 `L`）： + +``` +gcc -o client client.c -lssl -lcrypto +``` + +该程序尝试打开与网站 [www.google.com][13] 的安全连接。在与 Google Web 服务器的 TLS 握手过程中，`client` 程序会收到一个或多个数字证书，该程序会尝试对其进行验证（但在我的系统上失败了）。尽管如此，`client` 程序仍继续通过安全通道获取 Google 主页。该程序取决于前面提到的安全工件，尽管在上述代码中只着重突出了数字证书。但其它工件仍在幕后发挥作用，稍后将对它们进行详细说明。 + +通常，打开 HTTP（非安全）通道的 C 或 C++ 的客户端程序将使用诸如*文件描述符*或*网络套接字*之类的结构，它们是两个进程（例如，这个 `client` 程序和 Google Web 服务器）之间连接的端点。另一方面，文件描述符是一个非负整数值，用于在程序中标识该程序打开的任何文件类的结构。这样的程序还将使用一种结构来指定有关 Web 服务器地址的详细信息。 + +这些相对较低级别的结构不会出现在客户端程序中，因为 OpenSSL 库会将套接字基础设施和地址规范等封装在更高层面的安全结构中。其结果是一个简单的 API。下面首先看一下 `client` 程序示例中的安全性详细信息。 + +* 该程序首先加载相关的 OpenSSL 库，我的函数 `init_ssl` 中对 OpenSSL 进行了两次调用： + + ``` +SSL_load_error_strings(); +SSL_library_init(); +``` +* 下一个初始化步骤尝试获取安全*上下文*，这是建立和维护通往 Web 服务器的安全通道所需的信息框架。如对 OpenSSL 库函数的调用所示，在示例中使用了 TLS 1.2： + + ``` +const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method(); /* TLS 1.2 */ +``` + + 如果调用成功，则将 `method` 指针被传递给库函数，该函数创建类型为 `SSL_CTX` 的上下文： + + ``` +SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method); +``` + + `client` 程序会检查每个关键的库调用的错误，如果其中一个调用失败，则程序终止。 +* 现在还有另外两个 OpenSSL 工件也在发挥作用：SSL 类型的安全会话，从头到尾管理安全连接；以及类型为 BIO（基本输入/输出Basic Input/Output）的安全流，用于与 Web 服务器进行通信。BIO 流是通过以下调用生成的： + + ``` +BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx); +``` + + 请注意，这个最重要的上下文是其参数。`BIO` 类型是 C 语言中 `FILE` 类型的 OpenSSL 封装器。此封装器可保护 `client` 程序与 Google 的网络服务器之间的输入和输出流的安全。 +* 有了 `SSL_CTX` 和 `BIO`，然后程序在 SSL 会话中将它们组合在一起。三个库调用可以完成工作： + + ``` +BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 会话 */ +SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 鲁棒性 */ +BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 准备连接 */ +``` + + 安全连接本身是通过以下调用建立的： + + ``` +BIO_do_connect(bio); +``` + + 如果最后一个调用不成功，则 `client` 程序终止；否则，该连接已准备就绪，可以支持 `client` 程序与 Google Web 服务器之间的机密对话。 + +在与 Web 服务器握手期间，`client` 程序会接收一个或多个数字证书，以认证服务器的身份。但是，`client` 程序不会发送自己的证书，这意味着这个身份验证是单向的。（Web 服务器通常配置为**不**需要客户端证书）尽管对 Web 服务器证书的验证失败，但 `client` 程序仍通过了连接到 Web 服务器的安全通道继续获取 Google 主页。 + +为什么验证 Google 证书的尝试会失败？典型的 OpenSSL 安装目录为 `/etc/ssl/certs`，其中包含 `ca-certificates.crt` 文件。该目录和文件包含着 OpenSSL 自带的数字证书，以此构成信任库truststore。可以根据需要更新信任库，尤其是可以包括新信任的证书，并删除不再受信任的证书。 + +`client` 程序从 Google Web 服务器收到了三个证书，但是我的计算机上的 OpenSSL 信任库并不包含完全匹配的证书。如目前所写，`client` 程序不会通过例如验证 Google 证书上的数字签名（一个用来证明该证书的签名）来解决此问题。如果该签名是受信任的，则包含该签名的证书也应受信任。尽管如此，`client` 程序仍继续获取页面，然后打印出 Google 的主页。下一节将更详细地介绍这些。 + +### 客户端程序中隐藏的安全性 + +让我们从客户端示例中可见的安全工件（数字证书）开始，然后考虑其他安全工件如何与之相关。数字证书的主要格式标准是 X509，生产级的证书由诸如 [Verisign][14] 的证书颁发机构Certificate Authority（CA）颁发。 + +数字证书中包含各种信息（例如，激活日期和失效日期以及所有者的域名），也包括发行者的身份和*数字签名*（这是加密过的*加密哈希*值）。证书还具有未加密的哈希值，用作其标识*指纹*。 + +哈希值来自将任意数量的二进制位映射到固定长度的摘要。这些位代表什么（会计报告、小说或数字电影）无关紧要。例如，消息摘要版本 5Message Digest version 5（MD5）哈希算法将任意长度的输入位映射到 128 位哈希值，而 SHA1（安全哈希算法版本 1Secure Hash Algorithm version 1）算法将输入位映射到 160 位哈希值。不同的输入位会导致不同的（实际上在统计学上是唯一的）哈希值。下一篇文章将会进行更详细的介绍，并着重介绍什么使哈希函数具有加密功能。 + +数字证书的类型有所不同（例如根证书、中间证书和最终实体证书），并形成了反映这些证书类型的层次结构。顾名思义，*根*证书位于层次结构的顶部，其下的证书继承了根证书所具有的信任。OpenSSL 库和大多数现代编程语言都具有 X509 数据类型以及处理此类证书的函数。来自 Google 的证书具有 X509 格式，`client` 程序会检查该证书是否为 `X509_V_OK`。 + +X509 证书基于公共密钥基础结构public-key infrastructure（PKI），其中包括的算法（RSA 是占主导地位的算法）用于生成*密钥对*：公共密钥及其配对的私有密钥。公钥是一种身份：[Amazon][15] 的公钥对其进行标识，而我的公钥对我进行标识。私钥应由其所有者负责保密。 + +成对出现的密钥具有标准用途。可以使用公钥对消息进行加密，然后可以使用同一个密钥对中的私钥对消息进行解密。私钥也可以用于对文档或其他电子工件（例如程序或电子邮件）进行签名，然后可以使用该对密钥中的公钥来验证签名。以下两个示例补充了一些细节。 + +在第一个示例中，Alice 将她的公钥分发给全世界，包括 Bob。然后，Bob 用 Alice 的公钥加密邮件，然后将加密的邮件发送给 Alice。用 Alice 的公钥加密的邮件将可以用她的私钥解密（假设是她自己的私钥），如下所示： + +``` + +------------------+ encrypted msg +-------------------+ +Bob's msg--->|Alice's public key|--------------->|Alice's private key|---> Bob's msg + +------------------+ +-------------------+ +``` + +理论上可以在没有 Alice 的私钥的情况下解密消息，但在实际情况中，如果使用像 RSA 这样的加密密钥对系统，则在计算上做不到。 + +现在，第二个示例，请对文档签名以证明其真实性。签名算法使用密钥对中的私钥来处理要签名的文档的加密哈希： + +``` + +-------------------+ +Hash of document--->|Alice's private key|--->Alice's digital signature of the document + +-------------------+ +``` + +假设 Alice 以数字方式签署了发送给 Bob 的合同。然后，Bob 可以使用 Alice 密钥对中的公钥来验证签名： + +``` + +------------------+ +Alice's digital signature of the document--->|Alice's public key|--->verified or not + +------------------+ +``` + +假若没有 Alice 的私钥，就无法轻松伪造 Alice 的签名：因此，Alice 有必要保密她的私钥。 + +在 `client` 程序中，除了数字证书以外，这些安全性都没有明确展示。下一篇文章使用使用 OpenSSL 实用程序和库函数的示例填充更多详细的信息。 + +### 命令行的 OpenSSL + +同时，让我们看一下 OpenSSL 命令行实用程序：特别是在 TLS 握手期间检查来自 Web 服务器的证书的实用程序。调用 OpenSSL 实用程序可以使用 `openssl` 命令，然后添加参数和标志的组合以指定所需的操作。 + +看看以下命令： + +``` +openssl list-cipher-algorithms +``` + +该输出是组成加密算法套件cipher suite的相关算法的列表。下面是列表的开头，加了澄清首字母缩写词的注释： + +``` +AES-128-CBC ## Advanced Encryption Standard, Cipher Block Chaining +AES-128-CBC-HMAC-SHA1 ## Hash-based Message Authentication Code with SHA1 hashes +AES-128-CBC-HMAC-SHA256 ## ditto, but SHA256 rather than SHA1 +... +``` + +下一条命令使用参数 `s_client` 将打开到 [www.google.com][13] 的安全连接，并在屏幕上显示有关此连接的所有信息： + +``` +openssl s_client -connect www.google.com:443 -showcerts +``` + +端口号 443 是 Web 服务器用于接收 HTTPS（而不是 HTTP 连接）的标准端口号。（对于 HTTP，标准端口为 80）Web 地址 www.google.com:443 也出现在 `client` 程序的代码中。如果尝试连接成功，则将显示来自 Google 的三个数字证书以及有关安全会话、正在使用的加密算法套件以及相关项目的信息。例如，这是开头的部分输出，它声明*证书链*即将到来。证书的编码为 base64： + + +``` +Certificate chain + 0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google LLC/CN=www.google.com + i:/C=US/O=Google Trust Services/CN=Google Internet Authority G3 +-----BEGIN CERTIFICATE----- +MIIEijCCA3KgAwIBAgIQdCea9tmy/T6rK/dDD1isujANBgkqhkiG9w0BAQsFADBU +MQswCQYDVQQGEwJVUzEeMBwGA1UEChMVR29vZ2xlIFRydXN0IFNlcnZpY2VzMSUw +... +``` + +诸如 Google 之类的主要网站通常会发送多个证书进行身份验证。 + +输出以有关 TLS 会话的摘要信息结尾，包括加密算法套件的详细信息： + +``` +SSL-Session: +    Protocol : TLSv1.2 +    Cipher : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256 +    Session-ID: A2BBF0E4991E6BBBC318774EEE37CFCB23095CC7640FFC752448D07C7F438573 +... +``` + +`client` 程序中使用了协议 TLS 1.2，`Session-ID` 唯一地标识了 `openssl` 实用程序和 Google Web 服务器之间的连接。`Cipher` 条目可以按以下方式进行解析： + +* `ECDHE`（椭圆曲线 Diffie-Hellman（临时）Elliptic Curve Diffie Hellman Ephemeral）是一种用于管理 TLS 握手的高效的有效算法。尤其是，ECDHE 通过确保连接双方（例如，`client` 程序和 Google Web 服务器）使用相同的加密/解密密钥（称为*会话密钥*）来解决“密钥分发问题”。后续文章会深入探讨该细节。 +* `RSA`（Rivest Shamir Adleman）是主要的公共密钥密码系统，并以 1970 年代末首次描述了该系统的三位学者的名字命名。这个正在使用的密钥对是使用 RSA 算法生成的。 +* `AES128`（高级加密标准Advanced Encryption Standard）是一种块式加密算法block cipher，用于加密和解密位块blocks of bits。（另一种算法是流式加密算法stream cipher，它一次加密和解密一个位。）这个加密算法是对称加密算法，因为使用同一个密钥进行加密和解密，这首先引起了密钥分发问题。AES 支持 128（此处使用）、192 和 256 位的密钥大小：密钥越大，安全性越好。 + + 通常，像 AES 这样的对称加密系统的密钥大小要小于像 RSA 这样的非对称（基于密钥对）系统的密钥大小。例如，1024 位 RSA 密钥相对较小，而 256 位密钥则当前是 AES 最大的密钥。 +* `GCM`（伽罗瓦计数器模式Galois Counter Mode）处理在安全对话期间重复应用的加密算法（在这种情况下为 AES128）。AES128 块的大小仅为 128 位，安全对话很可能包含从一侧到另一侧的多个 AES128 块。GCM 非常有效，通常与 AES128 搭配使用。 +* `SHA256`（256 位安全哈希算法Secure Hash Algorithm 256 bits）是我们正在使用的加密哈希算法。生成的哈希值的大小为 256 位，尽管使用 SHA 甚至可以更大。 + +加密算法套件正在不断发展中。例如，不久前，Google 使用 RC4 流加密算法（RSA 的 Ron Rivest 后来开发的 Ron's Cipher 版本 4）。 RC4 现在有已知的漏洞，这大概部分导致了 Google 转换为 AES128。 + +### 总结 + +我们通过安全的 C Web 客户端和各种命令行示例对 OpenSSL 做了首次了解，使一些需要进一步阐明的主题脱颖而出。[下一篇文章会详细介绍][17]，从加密散列开始，到对数字证书如何应对密钥分发挑战为结束的更全面讨论。 + +-------------------------------------------------------------------------------- + +via: https://opensource.com/article/19/6/cryptography-basics-openssl-part-1 + +作者：[Marty Kalin][a] +选题：[lujun9972][b] +译者：[wxy](https://github.com/wxy) +校对：[wxy](https://github.com/wxy) + +本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出 + +[a]: https://opensource.com/users/mkalindepauledu/users/akritiko/users/clhermansen +[b]: https://github.com/lujun9972 +[1]: https://opensource.com/sites/default/files/styles/image-full-size/public/lead-images/BUSINESS_3reasons.png?itok=k6F3-BqA (A lock on the side of a building) +[2]: https://www.openssl.org/ +[3]: https://www.howtoforge.com/tutorial/how-to-install-openssl-from-source-on-linux/ +[4]: http://condor.depaul.edu/mkalin +[5]: https://en.wikipedia.org/wiki/Transport_Layer_Security +[6]: https://en.wikipedia.org/wiki/Netscape +[7]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/perror.html +[8]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/exit.html +[9]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/sprintf.html +[10]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/fprintf.html +[11]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/memset.html +[12]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/puts.html +[13]: http://www.google.com +[14]: https://www.verisign.com +[15]: https://www.amazon.com +[16]: http://www.google.com:443 +[17]: https://opensource.com/article/19/6/cryptography-basics-openssl-part-2 diff --git a/translated/tech/20190619 Getting started with OpenSSL- Cryptography basics.md b/translated/tech/20190619 Getting started with OpenSSL- Cryptography basics.md deleted file mode 100644 index 3fa15783dd..0000000000 --- a/translated/tech/20190619 Getting started with OpenSSL- Cryptography basics.md +++ /dev/null @@ -1,333 +0,0 @@ -[#]: collector: (lujun9972) -[#]: translator: (wxy) -[#]: reviewer: ( ) -[#]: publisher: ( ) -[#]: url: ( ) -[#]: subject: (Getting started with OpenSSL: Cryptography basics) -[#]: via: (https://opensource.com/article/19/6/cryptography-basics-openssl-part-1) -[#]: author: (Marty Kalin https://opensource.com/users/mkalindepauledu/users/akritiko/users/clhermansen) - -OpenSSL 入门：密码学基础知识 -====== - -> 需要有关基础的密码学入门知识，尤其是有关 OpenSSL 的入门知识吗？继续阅读。 - -![A lock on the side of a building][1] - -本文是两篇使用 [OpenSSL][2] 的密码学基础知识的第一篇，OpenSSL 是在 Linux 和其他系统上流行的生产级库和工具包。（要安装 OpenSSL 的最新版本，请参阅[这里][3]。）OpenSSL 实用程序可在命令行使用，而程序可以从 OpenSSL 库中调用函数。本文的示例程序使用 C 语言，即 OpenSSL 库的源语言。 - -本系列的两篇文章共同介绍了加密哈希、数字签名、加密和解密以及数字证书。你可以从[我的网站][4]的 ZIP 文件中找到代码和命令行示例。 - -让我们首先回顾一下 OpenSSL 名称中的 SSL。 - -### OpenSSL 简史 - -[安全套接字层][5]（SSL）是 Netscape 在 1995 年发布的一种加密协议。该协议层可以位于 HTTP 之上，从而为 HTTPS 提供了 S：安全。SSL 协议提供了各种安全服务，其中包括两项在 HTTPS 中至关重要的服务： - -* 对等身份验证Peer authentication（也称为相互挑战）：连接的每一边都对另一边的身份进行身份验证。如果 Alice 和 Bob 要通过 SSL 交换消息，则每个人首先验证彼此的身份。 -* 机密性Confidentiality：发送者在通过通道发送消息之前先对其进行加密。接收者然后解密每个接收到的消息。此过程可保护网络对话。即使窃听者 Eve 截获了从 Alice 到 Bob 的加密消息（*中间人*攻击），Eve 仍发现他在计算上无法解密此消息。 -   -反过来，这两个关键 SSL 服务与其他获得较少关注的服务捆绑在一起。例如，SSL 支持消息完整性，从而确保接收到的消息与发送的消息相同。此功能是通过散列函数实现的，散列函数也随 OpenSSL 工具箱一起提供。 - -SSL 已版本化（例如 SSLv2 和 SSLv3），并且在 1999 年，传输层安全性Transport Layer Security（TLS）成为基于 SSLv3 的类似协议。TLSv1 和 SSLv3 相似，但不足以相互配合。 但是，通常将 SSL/TLS 称为同一协议。例如，即使正在使用的是 TLS（而非 SSL），OpenSSL 函数也经常在名称中包含 SSL。此外，调用 OpenSSL 命令行实用程序以术语 `openssl` 开始。 - -OpenSSL 在其 man 页面之外的文档是零散的，鉴于 OpenSSL 工具包有多大，这些页面变得难以查找使用。命令行和代码示例是将主要主题集中起来的一种方法。让我们从一个熟悉的示例开始（使用 HTTPS 访问网站），然后使用该示例来挑选我们感兴趣的加密部分。 - - - -### 一个 HTTPS 客户端 - -此处显示的 `client` 程序通过 HTTPS 连接到 Google： - -``` -/* compilation: gcc -o client client.c -lssl -lcrypto */ -#include -#include -#include /* BasicInput/Output streams */ -#include /* errors */ -#include /* core library */ -#define BuffSize 1024 - -void report_and_exit(const char* msg) { - perror(msg); - ERR_print_errors_fp(stderr); - exit(-1); -} - -void init_ssl() { - SSL_load_error_strings(); - SSL_library_init(); -} - -void cleanup(SSL_CTX* ctx, BIO* bio) { - SSL_CTX_free(ctx); - BIO_free_all(bio); -} - -void secure_connect(const char* hostname) { - char name[BuffSize]; - char request[BuffSize]; - char response[BuffSize]; - - const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method(); - if (NULL == method) report_and_exit("TLSv1_2_client_method..."); - - SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method); - if (NULL == ctx) report_and_exit("SSL_CTX_new..."); - - BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx); - if (NULL == bio) report_and_exit("BIO_new_ssl_connect..."); - - SSL* ssl = NULL; - - /* link bio channel, SSL session, and server endpoint */ - - sprintf(name, "%s:%s", hostname, "https"); - BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* session */ - SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* robustness */ - BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* prepare to connect */ - - /* try to connect */ - if (BIO_do_connect(bio) <= 0) { - cleanup(ctx, bio); - report_and_exit("BIO_do_connect..."); - } - - /* verify truststore, check cert */ - if (!SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, - "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt", /* truststore */ - "/etc/ssl/certs/")) /* more truststore */ - report_and_exit("SSL_CTX_load_verify_locations..."); - - long verify_flag = SSL_get_verify_result(ssl); - if (verify_flag != X509_V_OK) - fprintf(stderr, - "##### Certificate verification error (%i) but continuing...\n", - (int) verify_flag); - - /* now fetch the homepage as sample data */ - sprintf(request, - "GET / HTTP/1.1\x0D\x0AHost: %s\x0D\x0A\x43onnection: Close\x0D\x0A\x0D\x0A", - hostname); - BIO_puts(bio, request); - - /* read HTTP response from server and print to stdout */ - while (1) { - memset(response, '\0', sizeof(response)); - int n = BIO_read(bio, response, BuffSize); - if (n <= 0) break; /* 0 is end-of-stream, < 0 is an error */ - puts(response); - } - - cleanup(ctx, bio); -} - -int main() { - init_ssl(); - - const char* hostname = "www.google.com:443"; - fprintf(stderr, "Trying an HTTPS connection to %s...\n", hostname); - secure_connect(hostname); - -return 0; -} -``` - -可以从命令行编译和执行该程序（请注意 `-lssl` 和 `-lcrypto` 中的小写字母 `L`）： - - -``` -gcc -o client client.c -lssl -lcrypto -``` - -该程序尝试打开与网站 [www.google.com][13] 的安全连接。作为与 Google Web 服务器的 TLS 握手的一部分，`client` 程序会接收一个或多个数字证书，该程序会尝试对其进行验证（但在我的系统上失败了）。尽管如此，`client` 程序仍继续通过安全通道获取 Google 主页。该程序取决于前面提到的安全工件，尽管在代码中只突出了数字证书。其他工件仍在幕后，稍后将对其进行详细说明。 - -通常，打开 HTTP（非安全）通道的 C 或 C++ 客户端程序将使用诸如*文件描述符*或*网络套接字*之类的结构，这些是两个进程（例如，客户端程序和 Google Web 服务器）之间连接的端点。另一方面，文件描述符是一个非负整数值，它在程序中标识该程序打开的任何文件类的结构。这样的程序还将使用一种结构来指定有关 Web 服务器地址的详细信息。 - -这些相对较低级别的结构都不会出现在客户端程序中，因为 OpenSSL 库会将套接字基础设施和地址规范等封装在高级的安全结构中。其结果是一个简单的 API。下面首先看一下 `client` 程序示例中的安全性详细信息。 - -* 该程序首先加载相关的 OpenSSL 库，而我的函数 `init_ssl` 则对 OpenSSL 进行了两次调用： - - ``` -SSL_library_init(); SSL_load_error_strings(); -``` -* 下一个初始化步骤尝试获取安全*上下文*，这是建立和维护通往 Web 服务器的安全通道所需的信息框架。 在示例中使用了 TLS 1.2，如对 OpenSSL 库函数的调用所示： - - ``` -const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method(); /* TLS 1.2 */ -``` - - 如果调用成功，则将 `method ` 指针被传递给库函数，该函数创建类型为 `SSL_CTX` 的上下文： - - ``` -SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method); -``` - - `client` 程序检查每个关键库调用中的错误，然后如果其中一个调用失败，则程序终止。 -* 现在还有另外两个 OpenSSL 工件在起作用：SSL 类型的安全会话，从头到尾管理安全连接；以及类型为BIO（基本输入/输出）的安全流，用于与 Web 服务器进行通信。BIO 流是通过以下调用生成的： - - ``` -BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx); -``` - 请注意，最重要的上下文是参数。`BIO` 类型是 C 语言中 `FILE` 类型的 OpenSSL 封装器。此封装器可保护 `client` 程序与 Google 的网络服务器之间的输入和输出流。 -* 有了 `SSL_CTX` 和 `BIO`，然后程序在 SSL 会话中将它们组合在一起。三个库调用可以完成工作： - - ``` -BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* get a TLS session */ -SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* for robustness */ -BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* prepare to connect to Google */ -``` - 安全连接本身是通过以下调用建立的： - - ``` -BIO_do_connect(bio); -``` - 如果最后一次调用不成功，则 `client` 程序终止；否则，该连接已准备就绪，可以支持 `client` 程序与Google Web 服务器之间的机密对话。 - - -在与 Web 服务器握手期间，`client` 程序会接收一个或多个数字证书，以认证服务器的身份。 但是，`client` 程序不会发送自己的证书，这意味着身份验证是单向的。（通常将 Web 服务器配置为**不**需要客户端证书。）尽管对 Web 服务器证书的验证失败，但 `client` 程序仍通过到 Web 服务器的安全通道继续获取 Google 主页。 - -为什么验证 Google 证书的尝试失败？典型的 OpenSSL 安装目录为 `/etc/ssl/certs`，其中包含 `ca-certificates.crt` 文件。该目录和文件包含着 OpenSSL 自带的数字证书，以此构成信任库。可以根据需要更新信任库，尤其是可以包括新信任的证书，并删除不再受信任的证书。 - -`client` 程序从 Google Web 服务器接收了三个证书，但是我的计算机上的 OpenSSL 信任库不包含完全匹配项。如目前所写，`client` 程序不会通过例如验证 Google 证书上的数字签名（一个用来证明该证书的签名）来解决此问题。如果该签名是受信任的，则包含该签名的证书也应受信任。尽管如此，`client` 程序仍继续进行获取页面，然后打印 Google 的主页。下一节将更详细地介绍。 - -### 客户端程序中隐藏的安全性 - -让我们从客户端示例中的可见安全工件（数字证书）开始，然后考虑其他安全工件如何与之相关。数字证书的主要布局标准是 X509，生产级证书由诸如 [Verisign][14] 的证书颁发机构（CA）颁发。 - -数字证书包含各种信息（例如，激活和有效日期以及所有者的域名），包括发行者的身份和*数字签名*（这是加密过的*加密哈希*值）。证书还具有未加密的哈希值，用作其标识*指纹*。 - -哈希值来自将任意数量的位映射到固定长度的摘要。这些位代表什么（会计报告、小说或数字电影）无关紧要。例如，消息摘要版本 5Message Digest version 5（MD5）哈希算法将任意长度的输入位映射到 128 位哈希值，而 SHA1（安全哈希算法版本 1Secure Hash Algorithm version 1）算法将输入位映射到 160 位值。不同的输入位会导致不同的（实际上是统计学上唯一的）哈希值。下一篇文章将进行更详细的介绍，并着重介绍什么使哈希函数具有加密功能。 - -数字证书的类型有所不同（例如根证书、中间证书和最终实体证书），并形成了反映这些类型的层次结构。 顾名思义，*根*证书位于层次结构的顶部，其下的证书继承了根证书所具有的信任。OpenSSL 库和大多数现代编程语言都具有 X509 类型以及处理此类证书的函数。来自 Google 的证书具有 X509 格式，`client` 程序会检查该证书是否为 `X509_V_OK`。 - -X509 证书基于公共密钥基础结构public-key infrastructure（PKI），其中包括的算法（RSA 是占主导地位的算法）用于生成*密钥对*：公共密钥及其配对的私有密钥。公钥是一种身份：[Amazon][15] 的公钥对其进行标识，而我的公钥对我进行标识。私钥应由其所有者保密。 - -成对出现的密钥具有标准用途。可以使用公钥对消息进行加密，然后可以使用同一个密钥对中的私钥对消息进行解密。私钥也可以用于对文档或其他电子产品（例如程序或电子邮件）进行签名，然后可以使用该对密钥中的公钥来验证签名。以下两个示例填充了一些细节。 - -在第一个示例中，Alice 将她的公钥分发给世界，包括 Bob。然后，Bob 用 Alice 的公钥加密邮件，然后将加密的邮件发送给 Alice。用 Alice 的公钥加密的邮件将用她的私钥解密（假设是她自己的私钥），如下所示： - -``` - +------------------+ encrypted msg +-------------------+ -Bob's msg--->|Alice's public key|--------------->|Alice's private key|---> Bob's msg - +------------------+ +-------------------+ -``` - -原则上可以在没有 Alice 的私钥的情况下解密消息，但在实际情况下，如果使用像 RSA 这样的加密密钥对系统，则无法实现。 - -现在，对于第二个示例，请考虑对文档签名以证明其真实性。签名算法使用密钥对中的私钥来处理要签名的文档的加密哈希： - -``` - +-------------------+ -Hash of document--->|Alice's private key|--->Alice's digital signature of the document - +-------------------+ -``` - -假设 Alice 以数字方式签署了发送给 Bob 的合同。然后，Bob 可以使用密钥对中的 Alice 的公钥来验证签名： - -``` - +------------------+ -Alice's digital signature of the document--->|Alice's public key|--->verified or not - +------------------+ -``` - -假若没有 Alice 的私钥，就无法伪造 Alice 的签名：因此，Alice 有必要保密她的私钥。 - -在 `client` 程序中，除了数字证书以外，这些安全性都没有明确规定。下一篇文章使用使用 OpenSSL 实用程序和库函数的示例填充详细信息。 - -### 命令行的 OpenSSL - -同时，让我们看一下 OpenSSL 命令行实用程序：特别是在 TLS 握手期间检查来自 Web 服务器的证书的实用程序。调用 OpenSSL 实用程序从`openssl` 命令开始，然后添加参数和标志的组合以指定所需的操作。 - -看看以下命令： - -``` -openssl list-cipher-algorithms -``` - -该输出是组成加密算法套件cipher suite的相关算法的列表。下面是列表的开头，注释以澄清首字母缩写词： - -``` -AES-128-CBC ## Advanced Encryption Standard, Cipher Block Chaining -AES-128-CBC-HMAC-SHA1 ## Hash-based Message Authentication Code with SHA1 hashes -AES-128-CBC-HMAC-SHA256 ## ditto, but SHA256 rather than SHA1 -... -``` - -使用参数 `s_client` 的下一条命令将打开到 [www.google.com][13] 的安全连接，并在屏幕上显示有关此连接的所有信息： - -``` -openssl s_client -connect www.google.com:443 -showcerts -``` - -端口号 443 是 Web 服务器用于接收 HTTPS 而不是 HTTP 连接的标准端口号。（对于 HTTP，标准端口为 80）网络地址 [www.google.com:443 也出现在 `client` 程序的代码中。如果尝试的连接成功，则将显示来自 Google 的三个数字证书以及有关安全会话、正在使用的加密算法套件以及相关项目的信息。例如，这是从头开始的一部分输出，它声明*证书链*即将到来。证书的编码为 base64： - - -``` -Certificate chain - 0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google LLC/CN=www.google.com - i:/C=US/O=Google Trust Services/CN=Google Internet Authority G3 ------BEGIN CERTIFICATE----- -MIIEijCCA3KgAwIBAgIQdCea9tmy/T6rK/dDD1isujANBgkqhkiG9w0BAQsFADBU -MQswCQYDVQQGEwJVUzEeMBwGA1UEChMVR29vZ2xlIFRydXN0IFNlcnZpY2VzMSUw -... -``` - -诸如 Google 之类的主要网站通常会发送多个证书进行身份验证。 - -输出以有关 TLS 会话的摘要信息结尾，包括加密算法套件的详细信息： - -``` -SSL-Session: -    Protocol : TLSv1.2 -    Cipher : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256 -    Session-ID: A2BBF0E4991E6BBBC318774EEE37CFCB23095CC7640FFC752448D07C7F438573 -... -``` - -`client` 程序中使用了协议 TLS 1.2，`Session-ID` 唯一地标识了 `openssl` 实用程序和 Google Web 服务器之间的连接。 `Cipher` 条目可以按以下方式进行解析： - -* `ECDHE`（Elliptic Curve Diffie Hellman Ephemeral椭圆曲线 Diffie-Hellman（临时））是一种用于管理 TLS 握手的有效而高效的算法。尤其是，ECDHE 通过确保连接双方（例如，`client` 程序和 Google Web 服务器）使用相同的加密/解密密钥（称为*会话密钥*）来解决“密钥分发问题”。后续文章会深入探讨该细节。 -* `RSA`（Rivest Shamir Adleman）是主要的公共密钥密码系统，并以 1970 年代后期首次描述该系统的三位学者的名字命名。这个正在使用的密钥对是使用 RSA 算法生成的。 -* `AES128`（高级加密标准Advanced Encryption Standard）是一种块式加密算法block cipher，用于加密和解密位块blocks of bits。（另一种算法是流式加密算法stream cipher，它一次加密和解密一个位。）该加密算法是对称加密算法，因为使用同一个密钥进行加密和解密，这首先引起了密钥分发问题。AES 支持 128（此处使用）、192 和 256 位的密钥大小：密钥越大，保护越好。 - - 通常，像 AES 这样的对称加密系统的密钥大小要小于像 RSA 这样的非对称（基于密钥对）系统的密钥大小。例如，1024 位 RSA 密钥相对较小，而 256 位密钥当前是 AES 最大的密钥。 -* `GCM`（伽罗瓦计数器模式Galois Counter Mode）处理在安全对话期间重复应用加密算法（在这种情况下为 AES128）。AES128 块的大小仅为 128 位，安全对话很可能包含从一侧到另一侧的多个 AES128 块。GCM 非常有效，通常与 AES128 搭配使用。 -* `SHA256` （256 位安全哈希算法Secure Hash Algorithm 256 bits）是正在使用的加密哈希算法。生成的哈希值的大小为 256 位，尽管使用 SHA 甚至可以更大。 - -加密算法套件正在不断发展中。例如，不久前，Google 使用 RC4 流加密算法（是 RSA 的 Ron Rivest 后来开发的 Ron's Cipher 版本 4）。 RC4 现在有已知的漏洞，这至少部分导致了 Google 转换为 AES128。 - -### 总结 - -通过安全的 C Web 客户端和各种命令行示例对 OpenSSL 的首次了解，使一些需要进一步阐明的主题脱颖而出。[下一篇文章会详细介绍][17]，从加密散列开始，到结束时对数字证书如何应对密钥分发挑战的更全面讨论。 - --------------------------------------------------------------------------------- - -via: https://opensource.com/article/19/6/cryptography-basics-openssl-part-1 - -作者：[Marty Kalin][a] -选题：[lujun9972][b] -译者：[wxy](https://github.com/wxy) -校对：[校对者ID](https://github.com/校对者ID) - -本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出 - -[a]: https://opensource.com/users/mkalindepauledu/users/akritiko/users/clhermansen -[b]: https://github.com/lujun9972 -[1]: https://opensource.com/sites/default/files/styles/image-full-size/public/lead-images/BUSINESS_3reasons.png?itok=k6F3-BqA (A lock on the side of a building) -[2]: https://www.openssl.org/ -[3]: https://www.howtoforge.com/tutorial/how-to-install-openssl-from-source-on-linux/ -[4]: http://condor.depaul.edu/mkalin -[5]: https://en.wikipedia.org/wiki/Transport_Layer_Security -[6]: https://en.wikipedia.org/wiki/Netscape -[7]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/perror.html -[8]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/exit.html -[9]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/sprintf.html -[10]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/fprintf.html -[11]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/memset.html -[12]: http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/puts.html -[13]: http://www.google.com -[14]: https://www.verisign.com -[15]: https://www.amazon.com -[16]: http://www.google.com:443 -[17]: https://opensource.com/article/19/6/cryptography-basics-openssl-part-2