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使用 OpenSSL API 进行安全编程
文章来源: IBM developerWorks 文章作者: Kenneth Ballard 发布时间: 2006-07-06   字体: [ ]
 

创建基本的安全连接和非安全连接

 

级别: 初级

Kenneth Ballard, 自由程序员

2004 年 8 月 09 日

学习如何使用 OpenSSL —— 用于安全通信的最著名的开放库 —— 的 API 有些强人所难,因为其文档并不完全。您可以通过本文中的提示补充这方面的知识,并驾驭该 API。在建立基本的连接之后,就可以查看如何使用 OpenSSL 的 BIO 库来建立安全连接和非安全连接。与此同时,您还会学到一些关于错误检测的知识。

OpenSSL API 的文档有些含糊不清。因为还没有多少关于 OpenSSL 使用的教程,所以对初学者来说,在应用程序中使用它可能会有一些困难。那么怎样才能使用 OpenSSL 实现一个基本的安全连接呢?本教程将帮助您解决这个问题。

学习如何实现 OpenSSL 的困难部分在于其文档的不完全。不完全的 API 文档通常会妨碍开发人员使用该 API,而这通常意味着它注定要失败。但 OpenSSL 仍然很活跃,而且正逐渐变得强大。这是为什么?

OpenSSL 是用于安全通信的最著名的开放库。在 google 中搜索“SSL library”得到的返回结果中,列表最上方就是 OpenSSL。它诞生于 1998 年,源自 Eric Young 和 Tim Hudson 开发的 SSLeay 库。其他 SSL 工具包包括遵循 GNU General Public License 发行的 GNU TLS,以及 Mozilla Network Security Services(NSS)(请参阅本文后面的 参考资料 ,以获得其他信息)。

那么,是什么使得 OpenSSL 比 GNU TLS、Mozilla NSS 或其他所有的库都优越呢?许可是一方面因素(请参阅 参考资料)。此外,GNS TLS(迄今为止)只支持 TLS v1.0 和 SSL v3.0 协议,仅此而已。

Mozilla NSS 的发行既遵循 Mozilla Public License 又遵循 GNU GPL,它允许开发人员进行选择。不过,Mozilla NSS 比 OpenSSL 大,并且需要其他外部库来对库进行编译,而 OpenSSL 是完全自包含的。与 OpenSSL 相同,大部分 NSS API 也没有文档资料。Mozilla NSS 获得了 PKCS #11 支持,该支持可以用于诸如智能卡这样的加密标志。OpenSSL 就不具备这一支持。

先决条件

要充分理解并利用本文,您应该:

  • 精通 C 编程。
  • 熟悉 Internet 通信和支持 Internet 的应用程序的编写。

并不绝对要求您熟悉 SSL ,因为稍后将给出对 SLL 的简短说明;不过,如果您希望得到详细论述 SSL 的文章的链接,请参阅 参考资料部分。拥有密码学方面的知识固然好,但这并不是必需的。





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什么是 SSL?

SSL 是一个缩写,代表的是 Secure Sockets Layer。它是支持在 Internet 上进行安全通信的标准,并且将数据密码术集成到了协议之中。数据在离开您的计算机之前就已经被加密,然后只有到达它预定的目标后才被解密。证书和密码学算法支持了这一切的运转,使用 OpenSSL,您将有机会切身体会它们。

理论上,如果加密的数据在到达目标之前被截取或窃听,那些数据是不可能被破解的。不过,由于计算机的变化一年比一年快,而且密码翻译方法有了新的发展,因此,SSL 中使用的加密协议被破解的可能性也在增大。

可以将 SSL 和安全连接用于 Internet 上任何类型的协议,不管是 HTTP、POP3,还是 FTP。还可以用 SSL 来保护 Telnet 会话。虽然可以用 SSL 保护任何连接,但是不必对每一类连接都使用 SSL。如果连接传输敏感信息,则应使用 SSL。





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什么是 OpenSSL?

OpenSSL 不仅仅是 SSL。它可以实现消息摘要、文件的加密和解密、数字证书、数字签名和随机数字。关于 OpenSSL 库的内容非常多,远不是一篇文章可以容纳的。

OpenSSL 不只是 API,它还是一个命令行工具。命令行工具可以完成与 API 同样的工作,而且更进一步,可以测试 SSL 服务器和客户机。它还让开发人员对 OpenSSL 的能力有一个认识。要获得关于如何使用 OpenSSL 命令行工具的资料,请参阅 参考资料部分。





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您需要什么

首先需要的是最新版本的 OpenSSL。查阅参考资料部分,以确定从哪里可以获得最新的可以自己编译的源代码,或者最新版本的二进制文件(如果您不希望花费时间来编译的话)。不过,为了安全起见,我建议您下载最新的源代码并自己编译它。二进制版本通常是由第三方而不是由 OpenSSL 的开发人员来编译和发行的。

一些 Linux 的发行版本附带了 OpenSSL 的二进制版本,对于学习如何使用 OpenSSL 库来说,这足够了;不过,如果您打算去做一些实际的事情,那么一定要得到最新的版本,并保持该版本一直是最新的。

对于以 RPM 形式安装的 Linux 发行版本(Red Hat、Mandrake 等),建议您通过从发行版本制造商那里获得 RPM 程序包来更新您的 OpenSSL 发行版本。出于安全方面的原因,建议您使用最新版本的发行版本。如果您的发行版本不能使用最新版本的 OpenSSL,那么建议您只覆盖库文件,不要覆盖可执行文件。OpenSSL 附带的 FAQ 文档中包含了有关这方面的细节。

还要注意的是,OpenSSL 并没有在所有的平台上都获得官方支持。虽然制造商已经尽力使其能够跨平台兼容,但仍然存在 OpenSSL 不能用于您的计算机 和/或 操作系统的可能。请参阅 OpenSSL 的 Web 站点( 参考资料 中的链接),以获得关于哪些平台可以得到支持的信息。

如果想使用 OpenSSL 来生成证书请求和数字证书,那么必须创建一个配置文件。在 OpenSSL 程序包的 apps 文件夹中,有一个名为 openssl.cnf 的可用模板文件。我不会对该文件进行讨论,因为这不在本文要求范围之内。不过,该模板文件有一些非常好的注释,而且如果在 Internet 上搜索,您可以找到很多讨论修改该文件的教程。





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头文件和初始化

本教程所使用的头文件只有三个:ssl.h、bio.h 和 err.h。它们都位于 openssl 子目录中,而且都是开发您的项目所必需的。要初始化 OpenSSL 库,只需要三个代码行即可。清单 1 中列出了所有内容。其他的头文件 和/或 初始化函数可能是其他一些功能所必需的。


清单 1. 必需的头文件

/* 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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建立非安全连接

不管连接是安全的还是不安全的,OpenSSL 都使用了一个名为 BIO 的抽象库来处理包括文件和套接字在内的各种类型的通信。您还可以将 OpenSSL 设置成为一个过滤器,比如用于 UU 或 Base64 编码的过滤器。

在这里对 BIO 库进行全面说明有点麻烦,所以我将根据需要一点一点地介绍它。首先,我将向您展示如何建立一个标准的套接字连接。相对于使用 BSD 套接字库,该操作需要的代码行更少一些。

在建立连接(无论安全与否)之前,要创建一个指向 BIO 对象的指针。这类似于在标准 C 中为文件流创建 FILE 指针。


清单 2. 指针

BIO * bio;

打开连接

创建新的连接需要调用 BIO_new_connect 。您可以在同一个调用中同时指定主机名和端口号。也可以将其拆分为两个单独的调用:一个是创建连接并设置主机名的 BIO_new_connect 调用,另一个是设置端口号的 BIO_set_conn_port (或者 BIO_set_conn_int_port )调用。

不管怎样,一旦 BIO 的主机名和端口号都已指定,该指针会尝试打开连接。没有什么可以影响它。如果创建 BIO 对象时遇到问题,指针将会是 NULL。为了确保连接成功,必须执行 BIO_do_connect 调用。


清单 3. 创建并打开连接

bio = BIO_new_connect("hostname:port");
if(bio == NULL)
{
    /* Handle the failure */
}

if(BIO_do_connect(bio) <= 0)
{
    /* Handle failed connection */
}

在这里,第一行代码使用指定的主机名和端口创建了一个新的 BIO 对象,并以所示风格对该对象进行 格式化。例如,如果您要连接到 www.ibm.com 的 80 端口,那么该字符串将是 www.ibm.com:80 。调用 BIO_do_connect 检查连接是否成功。如果出错,则返回 0 或 -1。

与服务器进行通信

不管 BIO 对象是套接字还是文件,对其进行的读和写操作都是通过以下两个函数来完成的: BIO_readBIO_write 。很简单,对吧?精彩之处就在于它始终如此。

BIO_read 将尝试从服务器读取一定数目的字节。它返回读取的字节数、 0 或者 -1。在受阻塞的连接中,该函数返回 0,表示连接已经关闭,而 -1 则表示连接出现错误。在非阻塞连接的情况下,返回 0 表示没有可以获得的数据,返回 -1 表示连接出错。可以调用 BIO_should_retry 来确定是否可能重复出现该错误。


清单 4. 从连接读取

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 会试着将字节写入套接字。它将返回实际写入的字节数、0 或者 -1。同 BIO_read ,0 或 -1 不一定表示错误。 BIO_should_retry 是找出问题的途径。如果需要重试写操作,它必须使用和前一次完全相同的参数。


清单 5. 写入到连接

if(BIO_write(bio, buf, len) <= 0)
{
    if(! BIO_should_retry(bio))
    {
        /* Handle failed write here */
    }

    /* Do something to handle the retry */
}

关闭连接

关闭连接也很简单。您可以使用以下两种方式之一来关闭连接: BIO_resetBIO_free_all 。如果您还需要重新使用对象,那么请使用第一种方式。如果您不再重新使用它,则可以使用第二种方式。

BIO_reset 关闭连接并重新设置 BIO 对象的内部状态,以便可以重新使用连接。如果要在整个应用程序中使用同一对象,比如使用一台安全的聊天客户机,那么这样做是有益的。该函数没有返回值。

BIO_free_all 所做正如其所言:它释放内部结构体,并释放所有相关联的内存,其中包括关闭相关联的套接字。如果将 BIO 嵌入于一个类中,那么应该在类的析构函数中使用这个调用。


清单 6. 关闭连接

/* 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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建立安全连接

现在需要给出建立安全连接需要做哪些事情。惟一要改变的地方就是建立并进行连接。其他所有内容都是相同的。

安全连接要求在连接建立后进行握手。在握手过程中,服务器向客户机发送一个证书,然后,客户机根据一组可信任证书来核实该证书。它还将检查证书,以确保它没有过期。要检验证书是可信任的,需要在连接建立之前提前加载一个可信任证书库。

只有在服务器发出请求时,客户机才会向服务器发送一个证书。该过程叫做客户机认证。使用证书,在客户机和服务器之间传递密码参数,以建立安全连接。尽管握手是在建立连接之后才进行的,但是客户机或服务器可以在任何时刻请求进行一次新的握手。

参考资料 部分中列出的 Netscasp 文章和 RFC 2246 ,对握手以及建立安全连接的其他方面的知识进行了更详尽的论述。

为安全连接进行设置

为安全连接进行设置要多几行代码。同时需要有另一个类型为 SSL_CTX 的指针。该结构保存了一些 SSL 信息。您也可以利用它通过 BIO 库建立 SSL 连接。可以通过使用 SSL 方法函数调用 SSL_CTX_new 来创建这个结构,该方法函数通常是 SSLv23_client_method

还需要另一个 SSL 类型的指针来保持 SSL 连接结构(这是短时间就能完成的一些连接所必需的)。以后还可以用该 SSL 指针来检查连接信息或设置其他 SSL 参数。


清单 7. 设置 SSL 指针

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

加载可信任证书库

在创建上下文结构之后,必须加载一个可信任证书库。这是成功验证每个证书所必需的。如果不能确认证书是可信任的,那么 OpenSSL 会将证书标记为无效(但连接仍可以继续)。

OpenSSL 附带了一组可信任证书。它们位于源文件树的 certs 目录中。不过,每个证书都是一个独立的文件 —— 也就是说,需要单独加载每一个证书。在 certs 目录下,还有一个存放过期证书的子目录。试图加载这些证书将会出错。

如果您愿意,可以分别加载每一个文件,但为了简便起见,最新的 OpenSSL 发行版本的可信任证书通常存放在源代码档案文件中,这些档案文件位于名为“TrustStore.pem”的单个文件中。如果已经有了一个可信任证书库,并打算将它用于特定的项目中,那么只需使用您的文件替换清单 8 中的“TrustStore.pem”(或者使用单独的函数调用将它们全部加载)即可。

可以调用 SSL_CTX_load_verify_locations 来加载可信任证书库文件。这里要用到三个参数:上下文指针、可信任库文件的路径 和文件名,以及证书所在目录的路径。必须指定可信任库文件或证书的目录。如果指定成功,则返回 1,如果遇到问题,则返回 0。


清单 8. 加载信任库

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

如果打算使用目录存储可信任库,那么必须要以特定的方式命名文件。OpenSSL 文档清楚地说明了应该如何去做,不过,OpenSSL 附带了一个名为 c_rehash 的工具,它可以将文件夹配置为可用于 SSL_CTX_load_verify_locations 的路径参数。


清单 9. 配置证书文件夹并使用它

/* 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 */
}

为了指定所有需要的验证证书,您可以根据需要命名任意数量的单独文件或文件夹。您还可以同时指定文件和文件夹。

创建连接

将指向 SSL 上下文的指针作为惟一参数,使用 BIO_new_ssl_connect 创建 BIO 对象。还需要获得指向 SSL 结构的指针。在本文中,只将该指针用于 SSL_set_mode 函数。而这个函数是用来设置 SSL_MODE_AUTO_RETRY 标记的。使用这个选项进行设置,如果服务器突然希望进行一次新的握手,那么 OpenSSL 可以在后台处理它。如果没有这个选项,当服务器希望进行一次新的握手时,进行读或写操作都将返回一个错误,同时还会在该过程中设置 retry 标记。


清单 10. 设置 BIO 对象

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

设置 SSL 上下文结构之后,就可以创建连接了。主机名是使用 BIO_set_conn_hostname 函数设置的。主机名和端口的指定格式与前面的相同。该函数还可以打开到主机的连接。为了确认已经成功打开连接,必须执行对 BIO_do_connect 的调用。该调用还将执行握手来建立安全连接。


清单 11. 打开安全连接

/* 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 */
}

连接建立后,必须检查证书,以确定它是否有效。实际上,OpenSSL 为我们完成了这项任务。如果证书有致命的问题(例如,哈希值无效),那么将无法建立连接。但是,如果证书的问题并不是致命的(当它已经过期或者尚不合法时),那么仍可以继续使用连接。

可以将 SSL 结构作为惟一参数,调用 SSL_get_verify_result 来查明证书是否通过了 OpenSSL 的检验。如果证书通过了包括信任检查在内的 OpenSSL 的内部检查,则返回 X509_V_OK。如果有地方出了问题,则返回一个错误代码,该代码被记录在命令行工具的 verify 选项下。

应该注意的是,验证失败并不意味着连接不能使用。是否应该使用连接取决于验证结果和安全方面的考虑。例如,失败的信任验证可能只是意味着没有可信任的证书。连接仍然可用,只是需要从思想上提高安全意识。


清单 12. 检查证书是否有效

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

这就是所需要的全部操作。通常,与服务器进行通信都要使用 BIO_readBIO_write 。并且只需调用 BIO_free_allBIO_reset ,就可以关闭连接,具体调用哪一个方法取决于是否重用 BIO。

必须在结束应用程序之前的某个时刻释放 SSL 上下文结构。可以调用 SSL_CTX_free 来释放该结构。


清单 13. 清除 SSL 上下文

SSL_CTX_free(ctx);





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错误检测

显然 OpenSSL 抛出了某种类型的错误。这意味着什么?首先,您需要得到错误代码本身; ERR_get_error 可以完成这项任务;然后,需要将错误代码转换为错误字符串,它是一个指向由 SSL_load_error_stringsERR_load_BIO_strings 加载到内存中的永久字符串的指针。可以在一个嵌套调用中完成这项操作。

表 1 略述了从错误栈检索错误的方法。清单 24 展示了如何打印文本字符串中的最后一个错误信息。

表 1. 从栈中检索错误

ERR_reason_error_string 返回一个静态字符串的指针,然后可以将字符串显示在屏幕上、写入文件,或者以任何您希望的方式进行处理
ERR_lib_error_string 指出错误发生在哪个库中
ERR_func_error_string 返回导致错误的 OpenSSL 函数


清单 14. 打印出最后一个错误

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

您还可以让库给出预先格式化了的错误字符串。可以调用 ERR_error_string 来得到该字符串。该函数将错误代码和一个预分配的缓冲区作为参数。而这个缓冲区必须是 256 字节长。如果参数为 NULL,则 OpenSSL 会将字符串写入到一个长度为 256 字节的静态缓冲区中,并返回指向该缓冲区的指针。否则,它将返回您给出的指针。如果您选择的是静态缓冲区选项,那么在下一次调用 ERR_error_string 时,该缓冲区会被覆盖。


清单 15. 获得预先格式化的错误字符串

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

您还可以将整个错误队列转储到文件或 BIO 中。可以通过 ERR_print_errorsERR_print_errors_fp 来实现这项操作。队列是以可读格式被转储的。第一个函数将队列发送到 BIO ,第二个函数将队列发送到 FILE 。字符串格式如下(引自 OpenSSL 文档):

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

其中, [pid] 是进程 ID, [error code] 是一个 8 位十六进制代码, [file name] 是 OpenSSL 库中的源代码文件, [line] 是源文件中的行号。


清单 16. 转储错误队列

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





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开始做吧

使用 OpenSSL 创建基本的连接并不困难,但是,当试着确定该如何去做时,文档可能是一个小障碍。本文向您介绍了一些基本概念,但 OpenSSL 还有很多灵活之处有待发掘,而且您还可能需要一些高级设置,以便项目能够充分利用 SSL 的功能。

本文中有两个样例。一个样例展示了到 http://www.verisign.com/ 的非安全连接,另一个则展示了到 http://www.verisign.com/ 的安全 SSL 连接。两者都是连接到服务器并下载其主页。它们没有进行任何安全检查,而且库中的所有设置都是默认值 —— 作为本文的一部分,应该只将这些用于教学目的。

在任何支持的平台上,源代码的编译都应该是非常容易的,不过我建议您使用最新版本的 OpenSSL。在撰写本文时,OpenSSL 的最新版本是 0.9.7d。





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参考资料





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关于作者

Kenneth 是 Peru State College(位于 Peru, Nebraska)计算机科学专业的大四学生。他还是学生报 The Peru State Times 的职业作者。他拥有 Southwestern Community College (位于 Creston, Iowa)计算机编程专业的理学副学士(Associate of Science)学位,在这所大学里,他是一名半工半读的 PC 技术员。他的研究领域包括 Java、C++、COBOL、 Visual Basic 和网络。






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※ 链接:
http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-openssl.html

 
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