openssl教程完全版.doc

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Openssl程式設計

Openssl程式設計

第一章 基础知识 8

1.1 对称算法 8

1.2 摘要算法 9

1.3 公钥算法 9

1.4 回调函数 11

第二章 openssl简介 13

2.1 openssl简介 13

2.2 openssl安装 13

2.2.1 linux下的安装 13

2.2.2 windows编译与安装 14

2.3 openssl源代码 14

2.4 openssl学习方法 16

第三章 堆栈 17

3.1 openssl堆栈 17

3.2 数据结构 17

3.3 源码 18

3.4 定义用户自己的堆栈函数 18

3.5 编程示例 19

第四章 哈希表 21

4.1 哈希表 21

4.2 哈希表数据结构 21

4.3 函数说明 23

4.4 编程示例 25

第五章 内存分配 27

5.1 openssl内存分配 27

5.2 内存数据结构 27

5.3 主要函数 28

5.4 编程示例 29

第六章 动态模块加载 30

6.1 动态库加载 30

6.2 DSO概述 30

6.3 数据结构 31

6.4 编程示例 32

第七章 抽象IO 34

7.1 openssl抽象IO 34

7.2 数据结构 34

7.3 BIO函数 36

7.4 编程示例 36

7.4.1 membio 36

7.4.2 filebio 37

7.4.3 socketbio 38

7.4.4 mdBIO 39

7.4.5 cipherBIO 40

7.4.6 sslBIO 41

7.4.7 其他示例 42

第八章 配置文件 43

8.1 概述 43

8.2 openssl配置文件读取 43

8.3 主要函数 44

8.4 编程示例 44

第九章 随机数 46

9.1 随机数 46

9.2 openssl随机数数据结构与源码 46

9.3 主要函数 48

9.4 编程示例 48

第十章 文本数据库 50

10.1 概述 50

10.2 数据结构 51

10.3 函数说明 51

10.4 编程示例 52

第十一章 大数 54

11.1 介绍 54

11.2 openssl大数表示 54

11.3 大数函数 55

11.4 使用示例 58

第十二章 BASE64编解码 64

12.1 BASE64编码介绍 64

12.2 BASE64编解码原理 64

12.3 主要函数 65

12.4 编程示例 66

第十三章 ASN1库 68

13.1 ASN1简介 68

13.2 DER编码 70

13.3 ASN1基本类型示例 70

13.4 openssl的ASN.1库 73

13.5 用openssl的ASN.1库DER编解码 74

13.6 Openssl的ASN.1宏 74

13.7 ASN1常用函数 75

13.8 属性证书编码 89

第十四章 错误处理 93

14.1 概述 93

14.2 数据结构 93

14.3 主要函数 95

14.4 编程示例 97

第十五章 摘要与HMAC 100

15.1 概述 100

15.2 openssl摘要实现 100

15.3 函数说明 101

15.4 编程示例 101

15.5 HMAC 103

第十六章 数据压缩 104

16.1 简介 104

16.2 数据结构 104

16.3 函数说明 105

16.4 openssl中压缩算法协商 106

16.5 编程示例 106

第十七章 RSA 107

17.1RSA介绍 107

17.2 openssl的RSA实现 107

17.3 RSA签名与验证过程 108

17.4 数据结构 109

17.4.1RSA_METHOD 109

17.4.2 RSA 110

17.5 主要函数 110

17.6编程示例 112

17.6.1密钥生成 112

17.6.2 RSA加解密运算 113

17.6.3签名与验证 116

第十八章 DSA 119

18.1 DSA简介 119

18.2 openssl的DSA实现 120

18.3 DSA数据结构 120

18.4 主要函数 121

18.5 编程示例 122

18.5.1密钥生成 122

18.5.2签名与验证 124

第十九章DH 126

19.1 DH算法介绍 126

19.2 openssl的DH实现 127

19.3数据结构 127

19.4 主要函数 128

19.5 编程示例 129

第二十章 椭圆曲线 132

20.1 ECC介绍 132

20.2 openssl的ECC实现 133

20.3 主要函数 135

20.3.1参数设置 135

20.3.2参数获取 136

20.3.3转化函数 137

20.3.4其他函数 137

20.4 编程示例 139

第二十一章 EVP 143

21.1EVP简介 143

21.2数据结构 143

21.2.1 EVP_PKEY 144

21.2.2 EVP_MD 144

21.2.3 EVP_CIPHER 145

21.2.4 EVP_CIPHER_CTX 146

21.3源码结构 147

21.4摘要函数 147

21.5对称加解密函数 148

21.6非对称函数 149

21.7 BASE64编解码函数 149

21.8其他函数 150

21.9对称加密过程 152

21.10 编程示例 152

第二十二章 PEM格式 159

22.1 PEM概述 159

22.2 openssl的PEM实现 160

22.3 PEM函数 161

22.4 编程示例 161

第二十三章 Engine 165

23.1 Engine概述 165

23.2 Engine支持的原理 165

23.3 Engine数据结构 166

23.4 openssl的Engine源码 167

23.5 Engine函数 167

23.6 实现Engine示例 169

第二十四章 通用数据结构 182

24.1通用数据结构 182

24.2 X509_ALGOR 182

24.3 X509_VAL 184

24.4 X509_SIG 185

24.5 X509_NAME_ENTRY 186

24.6 X509_NAME 187

24.7 X509_EXTENSION 193

24.8 X509_ATTRIBUTE 199

24.9 GENERAL_NAME 200

第二十五章 证书申请 203

25.1 证书申请介绍 203

25.2 数据结构 203

25.3 主要函数 204

25.4 编程示例 206

25.4.1生成证书请求文件 206

25.4.2 解码证书请求文件 208

第二十六章 X509数字证书 210

26.1 X509数字证书 210

26.2 opessl实现 210

26.3 X509数据结构 210

26.4 X509_TRUST与X509_CERT_AUX 214

26.5 X509_PURPOSE 215

26.6 主要函数 218

26.7 证书验证 221

26.7.1证书验证项 221

26.7.2 Openssl中的证书验证 221

第二十七章 OCSP 222

27.1 概述 222

27.2 openssl实现 222

27.3 主要函数 222

27.4编程示例 227

第二十八章 CRL 228

28.1 CRL介绍 228

28.2 数据结构 228

28.3 CRL函数 230

28.4 编程示例 231

第二十九章 PKCS7 233

29.1概述 233

29.2 数据结构 233

29.3 函数 234

29.4 消息编解码 235

29.4.1 data 235

29.4.2 signeddata 236

29.4.3 enveloped 237

29.4.4 signed_and_enveloped 238

29.4.5 digest 238

29.4.6 encrypted 239

29.4.7 读取PEM 239

29.4.8 解码pkcs7 240

第三十章 PKCS12 241

30.1 概述 241

30.2 openss实现 241

30.3数据结构 242

30.4函数 243

30.5 编程示例 245

第三十一章 SSL实现 254

31.1概述 254

31.2 openssl实现 254

31.3 建立SSL测试环境 254

31.4 数据结构 256

31.5 加密套件 256

31.6 密钥信息 257

31.7 SESSION 258

31.8 多线程支持 258

31.9 编程示例 259

31.10 函数 270

第三十二章 Openssl命令 272

32.1概述 272

32.2 asn1parse 272

32.3 dgst 274

32.4 gendh 275

32.5 passwd 276

32.6 rand 276

32.7 genrsa 277

32.8 req 278

32.9 x509 280

32.10 version 283

32.11 speed 283

32.12 sess_id 284

32.13 s_server 284

32.14 s_client 286

32.15 rsa 288

32.16 pkcs7 289

32.17 dsaparam 290

32.18 gendsa 291

32.19 enc 291

32.20 ciphers 292

32.21 CA 293

32.22 verify 296

32.23 rsatul 297

32.24 crl 299

32.25 crl2pkcs7 300

32.26 errstr 300

32.27ocsp 301

32.28 pkcs12 304

32.29 pkcs8 306

32.30 s_time 307

32.31dhparam和dh 308

32.32 ecparam 309

32.33 ec 310

32.34 dsa 311

32.35 nseq 312

32.36 prime 313

32.37 smime 313

第一章 基礎知識

1.1 對稱演算法

對稱演算法使用一個金鑰。

給定一個明文和一個金鑰，加密產生密文，其長度和明文大致相同。

解密時，使用讀金鑰與加密金鑰相同。

對稱演算法主要有四種加密模式：

（1） 電子密碼本模式  ElectronicCodeBook（ECB）

這種模式是最早採用和最簡單的模式，它將加密的資料分成若干組，每組的大小跟加密金鑰長度相同，然後每組都用相同的金鑰進行加密。

其缺點是：

電子編碼薄模式用一個金鑰加密消息的所有塊，如果原消息中重複明文塊，則加密消息中的相應密文塊也會重複，因此，電子編碼薄模式適於加密小消息。

（2）加密塊鏈模式 CipherBlockChaining（CBC）

CBC模式的加密首先也是將明文分成固定長度的塊，然後將前面一個加密塊輸出的密文與下一個要加密的明文塊進行異或操作，將計算結果再用金鑰進行加密得到密文。

第一明文塊加密的時候，因為前面沒有加密的密文，所以需要一個初始化向量。

跟ECB方式不一樣，通過連接關係，使得密文跟明文不再是一一對應的關係，破解起來更困難，而且克服了只要簡單調換密文塊可能達到目的的攻擊。

（3）加密回饋模式         CipherFeedbackMode（CFB）

面向字元的應用程式的加密要使用流加密法，可以使用加密回饋模式。

在此模式下，資料用更小的單元加密，如可以是8位，這個長度小於定義的塊長（通常是64位）。

其加密步驟是：

a） 使用64位的初始化向量。

初始化向量放在移位暫存器中，在第一步加密，產生相應的64位初始化密文；

b） 始化向量最左邊的8位與明文前8位進行異或運算，產生密文第一部分（假設為c），然後將c傳輸到接收方；

c） 向量的位（即初始化向量所在的移位暫存器內容）左移8位元，使移位暫存器最右邊的8位元為不可預測的資料，在其中填入c的內容；

d） 第1-3步，直到加密所有的明文單元。

解密過程相反

4）輸出回饋模式         OutputFeedbackMode（OFB）

輸出回饋模式與CFB相似，惟一差別是，CFB中密文填入加密過程下一階段，而在OFB中，初始化向量加密過程的輸入填入加密過程下一階段。

1.2 摘要演算法

摘要演算法是一種能產生特殊輸出格式的演算法，這種演算法的特點是：

無論使用者輸入什麼長度的原始資料，經過計算後輸出的密文都是固定長度的，這種演算法的原理是根據一定的運算規則對原資料進行某種形式的提取，這種提取就是摘要，被摘要的資料內容與原資料有密切聯繫，只要原資料稍有改變，輸出的“摘要”便完全不同，因此，基於這種原理的演算法便能對資料完整性提供較為健全的保障。

但是，由於輸出的密文是提取原資料經過處理的定長值，所以它已經不能還原為原資料，即消息摘要演算法是不可逆的，理論上無法通過反向運算取得原資料內容，因此它通常只能被用來做資料完整性驗證。

如今常用的“消息摘要”演算法經歷了多年驗證發展而保留下來的演算法已經不多，這其中包括MD2、MD4、MD5、SHA、SHA-1/256/383/512等。

常用的摘要演算法主要有MD5和SHA1。

D5的輸出結果為16位元組，sha1的輸出結果為20位元組。

1.3 公開金鑰演算法

在公開金鑰密碼系統中，加密和解密使用的是不同的金鑰，這兩個金鑰之間存在著相互依存關係：

即用其中任一個金鑰加密的資訊只能用另一個金鑰進行解密。

這使得通信雙方無需事先交換金鑰就可進行保密通信。

其中加密金鑰和演算法是對外公開的，人人都可以通過這個金鑰加密檔然後發給收信者，這個加密金鑰又稱為公開金鑰；而收信者收到加密檔後,它可以使用他的解密金鑰解密，這個金鑰是由他自己私人掌管的，並不需要分發，因此又成稱為私密金鑰，這就解決了金鑰分發的問題。

主要的公開金鑰演算法有：

RSA、DSA、DH和ECC。

（1）RSA演算法

當前最著名、應用最廣泛的公開金鑰系統RSA是在1978年，由美國麻省理工學院（MIT）的Rivest、Shamir和Adleman在題為《獲得數位簽章和公開鑰密碼系統的方法》的論文中提出的。

它是一個基於數論的非對稱（公開鑰）密碼體制，是一種區塊編碼器體制。

其名稱來自於三個發明者的姓名首字母。

它的安全性是基於大整數素因數分解的困難性，而大整數因數分解問題是數學上的著名難題，至今沒有有效的方法予以解決，因此可以確保RSA演算法的安全性。

RSA系統是公開金鑰系統的最具有典型意義的方法，大多數使用公開金鑰密碼進行加密和數位簽章的產品和標準使用的都是RSA演算法。

RSA演算法是第一個既能用於資料加密也能用於數位簽章的演算法，因此它為公用網絡上資訊的加密和鑒別提供了一種基本的方法。

它通常是先生成一對RSA金鑰，其中之一是保密金鑰，由用戶保存；另一個為公開金鑰，可對外公開，甚至可在網路服務器中註冊，人們用公開金鑰加密檔發送給個人，個人就可以用私密金鑰解密接受。

為提高保密強度，RSA金鑰至少為500位長，一般推薦使用1024位。

RSA演算法是R.Rivest、A.Shamir和L.Adleman于1977年在美國麻省理工學院開發，於1978年首次公佈。

RSA公開金鑰密碼演算法是目前網路上進行保密通信和數位簽章的最有效的安全演算法之一。

RSA演算法的安全性基於數論中大素數分解的困難性，所以，RSA需採用足夠大的整數。

因數分解越困難，密碼就越難以破譯，加密強度就越高。

其演算法如下：

A.選擇兩質數p、q

B.計算n=p*q

C.計算n的歐拉函數Φ（n）=（p-1）（q-1）

D.選擇整數e，使e與Φ（n）互質，且1

E.計算d，使d*e=1modΦ（n）

其中，公開金鑰KU＝{e,n}，私密金鑰KR={d,n}。

加密/解密過程：

利用RSA加密，首先需將明文數位化，取長度小於log2n位元的數位作為明文塊。

對於明文塊M和密文塊C，加/解密的形式如下：

加密：

C=Memodn

解密：

M=Cdmodn=（Me）dmodn=Medmodn

RSA的安全性基於大數分解質因數的困難性。

因為若n被分解為n=p*q，則Φ（n）、e、d可依次求得。

目前，因式分解速度最快的方法的時間複雜性為exp（sqrt（ln（n）lnln（n）））。

統計資料表明，在重要應用中，使用512位的金鑰已不安全，需要採用1024位元的金鑰。

（2）DSA演算法

DSA（Digital Signature Algorithm，數位簽章演算法，用作數位簽章標準的一部分），它是另一種公開金鑰演算法，它不能用作加密，只用作數位簽章。

DSA使用公開金鑰，為接受者驗證資料的完整性和資料發送者的身份。

它也可用於由協力廠商去確定簽名和所簽資料的真實性。

DSA演算法的安全性基於解離散對數的困難性，這類簽字標準具有較大的相容性和適用性，成為網路安全體系的基本構件之一。

DSA簽名演算法中用到了以下參數：

p是L位長的素數，其中L從512到1024且是64的倍數。

q是160位長且與p-1互素的因數 ，其中h是小於p-1並且滿足 大於1的任意數。

x是小於q的數。

另外，演算法使用一個單向散列函數H（m）。

標準指定了安全散列演算法（SHA）。

三個參數p，q和g是公開的，且可以被網路中所有的使用者公有。

私人金鑰是x，公開金鑰是y。

對消息m簽名時：

（1） 發送者產生一個小於q的亂數k。

（2） 發送者產生：

r和s就是發送者的簽名，發送者將它們發送給接受者。

（3） 接受者通過計算來驗證簽名：

如果v=r，則簽名有效。

（3）Diffie-Hellman金鑰交換

DH演算法是W.Diffie和M.Hellman提出的。

此演算法是最早的公開金鑰演算法。

它實質是一個通信雙方進行金鑰協定的協議：

兩個實體中的任何一個使用自己的私密金鑰和另一實體的公開金鑰，得到一個對稱金鑰，這一對稱金鑰其它實體都計算不出來。

DH演算法的安全性基於有限域上計算離散對數的困難性。

離散對數的研究現狀表明：

所使用的DH金鑰至少需要1024位元，才能保證有足夠的中、長期安全。

（4） 橢圓曲線密碼體制（ECC）

1985年，N.Koblitz和V.Miller分別獨立提出了橢圓曲線密碼體制（ECC），其依據就是定義在橢圓曲線點群上的離散對數問題的難解性。

為了用橢圓曲線構造密碼系統，首先需要找到一個單向陷門函數，橢圓曲線上的數量乘就是這樣的單向陷門函數。

橢圓曲線的數量乘是這樣定義的：

設E為域K上的橢圓曲線，G為E上的一點，這個點被一個正整數k相乘的乘法定義為k個G相加，因而有

kG=G+G+…+G（共有k個G）

若存在橢圓曲線上的另一點N≠G，滿足方程kG=N。

容易看出，給定k和G，計算N相對容易。

而給定N和G，計算k=logGN相對困難。

這就是橢圓曲線離散對數問題。

離散對數求解是非常困難的。

橢圓曲線離散對數問題比有限域上的離散對數問題更難求解。

對於有理點數有大素數因數的橢圓離散對數問題，目前還沒有有效的攻擊方法。

1.4 回呼函數

Openssl中大量用到了回呼函數。

回呼函數一般定義在資料結構中，是一個函數指標。

通過回呼函數，客戶可以自行編寫函數，讓openssl函數來調用它，即使用者調用openssl提供的函數，openssl函數再回檔使用者提供的函數。

這樣方便了使用者對openssl函數操作的控制。

在openssl實現函數中，它一般會實現一個預設的函數來進行處理，如果用戶不設置回呼函數，則採用它預設的函數。

回呼函數舉例：

標頭檔：

#ifndefRANDOM_H

#defineRANDOM_H1

typedefint*callback_random（char*random,intlen）;

void    set_callback（callback_random*cb）;

int    genrate_random（char*random,intlen）;

#endif

原始程式碼：

#include"random.h"

#include

callback_random*cb_rand=NULL;

staticintdefault_random（char*random,intlen

{

        memset（random,0x01,len）;

        return0;

}

void    set_callback（callback_random*cb）

{

        cb_rand=cb;

}

int    genrate_random（char*random,intlen）

{

        if（cb_rand==NULL）

                returndefault_random（random,len）;

        else

                returncb_rand（random,len）;

        return0;

}

測試代碼：

#include"random.h"

staticintmy_rand（char*rand,intlen）

{

        memset（rand,0x02,len）;

        return0;

}

int    main（）

{

        char    random[10];

        int    ret;

set_callback（my_rand）;

        ret=genrate_random（random,10）;

        return0;

}

本例子用來生產簡單的亂數，如果用戶提供了生成亂數回呼函數，則生成亂數採用用戶的方法，否則採用默認的方法。

第二章 openssl簡介

2.1 openssl簡介

openssl是一個功能豐富且自包含的開源安全工具箱。

它提供的主要功能有：

SSL協議實現（包括SSLv2、SSLv3和TLSv1）、大量軟演算法（對稱/非對稱/摘要）、大數運算、非對稱演算法金鑰生成、ASN.1編解碼庫、證書請求（PKCS10）編解碼、數位憑證編解碼、CRL編解碼、OCSP協議、數位憑證驗證、PKCS7標準實現和PKCS12個人數位憑證格式實現等功能。

openssl採用C語言作為開發語言，這使得它具有優秀的跨平臺性能。

openssl支援Linux、UNIX、windows、Mac等平臺。

openssl目前最新的版本