OpenSSL 入门：密码学基础知识

本文是使用 OpenSSL 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 。）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 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。

安全套接字层 (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：

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 页面之外基腔，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。

此处显示的 client 程序通过 HTTPS 连接到 Google：

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）：

该程序尝试打开与网站 www.google.com 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缺盯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。这样的程序还将使搏扮衫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。

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。

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 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 5(Message 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 1(Secure 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 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：

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：

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：

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。

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：

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：

下一条命令使用参数 s_client 将打开到 www.google.com 的安全连接，并在屏幕上显示有关此连接的所有信息：

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：

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：

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。

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 ，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。

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作者： Marty Kalin 选题： lujun9972 译者： wxy 校对： wxy