OpenSSL使用

起源和含义

SSL(Secure Socket Layer)安全协议是由Netscape公司首先提出，最初用在保护Navigator浏览器和Web服务器之间的HTTP通信(即HTTPS)。后来SSL协议成为传输层安全通信事实上的标准，并被IETF吸收改进为TLS(Transport Layer Security)协议。
SSL/TLS协议位于TCP协议和应用层协议之间，为传输双方提供认证、加密和完整性保护等安全服务。SSL作为一个协议框架，通信双方可以选用合适的对称算法、公钥算法、MAC算法等密码算法实现安全服务。

OpenSSL是著名的SSL的开源实现，是用C语言实现的。
OpenSSL的前身是SSLeay，一个由Eric Young开发的SSL的开源实现，支持SSLv2/v3和TLSv1。
伴随着SSL协议的普及应用，OpenSSL被广泛应用在基于TCP/Socket的网络程序中，尤其是OpenSSL和Apache相结合，是很多电子商务网站服务器的典型配置。

三个组件：

• openssl：多用途的命令行工具
• libcrypto：加密算法库
• libssl：加密模块应用库，实现了ssl及tls

openssl可以实现：秘钥证书管理、对称加密和非对称加密

命令行使用

对称加密

openssl enc -ciphername [-in filename] [-out filename] [-pass arg] [-e] [-d] [-a/-base64] [-A] [-k password] [-kfile filename] [-K key] [-iv IV] [-S salt] [-salt] [-nosalt] [-z] [-md] [-p] [-P] [-bufsize number] [-nopad] [-debug] [-none] [-engine id]

常用选项有：
-in filename：指定要加密的文件存放路径

-out filename：指定加密后的文件存放路径

-salt：自动插入一个随机数作为文件内容加密，默认选项

-e：可以指明一种加密算法，若不指的话将使用默认加密算法

-d：解密，解密时也可以指定算法，若不指定则使用默认算法，但一定要与加密时的算法一致

-a/-base64：使用-base64位编码格式

单向加密

单向加密需要使用的标准命令为 dgst

单向加密除了 openssl dgst 工具还有： md5sum，sha1sum，sha224sum，sha256sum ，sha384sum，sha512sum

openssl dgst [-md5|-md4|-md2|-sha1|-sha|-mdc2|-ripemd160|-dss1] [-c] [-d] [-hex] [-binary] [-out filename] [-sign filename] [-keyform arg] [-passin arg] [-verify filename] [-prverify filename] [-signature filename] [-hmac key] [file...]

常用选项有：

[-md5|-md4|-md2|-sha1|-sha|-mdc2|-ripemd160|-dss1] ：指定一种加密算法

-out filename：将加密的内容保存到指定文件中

生成密码

生成密码需要使用的标准命令为 passwd

openssl passwd [-crypt] [-1] [-apr1] [-salt string] [-in file] [-stdin] [-noverify] [-quiet] [-table] {password}

>
-1：使用md5加密算法
>
-salt string：加入随机数，最多8位随机数
>
-in file：对输入的文件内容进行加密
>
-stdion：对标准输入的内容进行加密

生成秘钥对

首先需要先使用 genrsa 标准命令生成私钥，然后再使用 rsa 标准命令从私钥中提取公钥。

openssl genrsa [-out filename] [-passout arg] [-des] [-des3] [-idea] [-f4] [-3] [-rand file(s)] [-engine id] [numbits]

-out filename：将生成的私钥保存至指定的文件中

-des|-des3|-idea：不同的加密算法

numbits：指定生成私钥的大小，默认是512

一般情况下秘钥文件的权限一定要控制好，只能自己读写，因此可以使用 umask 命令设置生成的私钥权限

创建CA和申请证书

使用openssl工具创建CA证书和申请证书时，需要先查看配置文件，因为配置文件中对证书的名称和存放位置等相关信息都做了定义，具体可参考 /etc/pki/tls/openssl.cnf 文件。

（1）、创建自签证书

第一步：创建为 CA 提供所需的目录及文件

第二步：指明证书的开始编号

]# echo 01 >> serial

第三步：生成私钥，私钥的文件名与存放位置要与配置文件中的设置相匹配；

第四步：生成自签证书，自签证书的存放位置也要与配置文件中的设置相匹配，生成证书时需要填写相应的信息；

命令中用到的选项解释：

-new：表示生成一个新证书签署请求

-x509：专用于CA生成自签证书，如果不是自签证书则不需要此项

-key：生成请求时用到的私钥文件

-out：证书的保存路径

-days：证书的有效期限，单位是day（天），默认是365天

（2）颁发证书

在需要使用证书的主机上生成证书请求，以 httpd 服务为例，步骤如下：

第一步：在需要使用证书的主机上生成私钥，这个私钥文件的位置可以随意定

第二步：生成证书签署请求

第三步：将请求通过可靠方式发送给 CA 主机

第四步：CA 服务器拿到证书签署请求文件后颁发证书，这一步是在 CA 服务器上做的

查看证书信息的命令为：

（3）吊销证书

吊销证书的步骤也是在CA服务器上执行的，以刚才新建的 httpd.crt 证书为例，吊销步骤如下：

第一步：在客户机上获取要吊销证书的 serial 和 subject 信息

第二步：根据客户机提交的 serial 和 subject 信息，对比其余本机数据库 index.txt 中存储的是否一致

第三步：执行吊销操作

第四步：生成吊销证书的吊销编号 （第一次吊销证书时执行）

]# echo 01 > /etc/pki/CA/crlnumber

第五步：更新证书吊销列表

]# openssl ca -gencrl -out /etc/pki/CA/crl/ca.crl

查看 crl 文件命令：

]# openssl crl -in /etc/pki/CA/crl/ca.crl -noout -text

算法编程API

OpenSSL中支持众多的密码算法，并提供了很好的封装和接口。密码算法主要分为如下几类：对称算法、公钥算法、散列算法、随机数产生算法等。
OpenSSL的目标是实现安全协议。其中相关协议和标准包括：SSL/TLS、PKCS#1、PCKS#10、X.509、PEM、OCSP等。

DES

在OpenSSL中ECB操作模式对应的函数是DES_ecb_encrypt()，该函数把一个8字节明文分组input加密成为一个8字节密文分组output。参数中密钥结构ks是用函数DES_set_key()准备好的，而密钥key是用随机数算法产生的64个随机比特。参数enc指示是加密还是解密。该函数每次只加密一个分组，因此用来加密很多数据时不方便使用。

CBC

void DES_ecb_encrypt(const_DES_cblock *input,DES_cblock *output, DES_key_schedule *ks,int enc);

int DES_set_key(const_DES_cblock *key,DES_key_schedule *schedule);

CBC(带填充)

DES算法CBC操作模式加解密函数是DES_ncbc_encrypt()。参数length指示输入字节长度。如果长度不是8字节的倍数，则会被用0填充到8字节倍数。因此，输出可能比length长，而且必然是8字节的倍数。

void DES_ncbc_encrypt(const unsigned char *input,unsigned char *output, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int enc);

CFB

DES算法CFB操作模式加解密函数是DES_cfb_encrypt()。参数length指示输入字节长度。参数numbits则指示了CFB每次循环加密多少明文比特，也即密文反馈的比特数目。ivec是初始向量，被看做第0个密文分组，是不用保密但应随机取值的8个字节。如果在一次会话中数次调用DES_cfb_encrypt()，则应该记忆ivec。由于CFB模式中每次DES基本操作只加密numbits比特明文，因此如果numbits太小则效率太低。

void DES_cfb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, int numbits, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int enc);

另有一个numbit是64比特的版本，既高效又没有填充的麻烦，推荐使用。num中的返回值指示了ivec中的状态，是和下次调用衔接的。

void DES_cfb64_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, long length, DES_key_schedule *schedule, DES_cblock *ivec, int *num, int enc);

OFB

OFB和CFB类似，也有两个函数，用法一样。

void DES_ofb_encrypt(const unsigned char *in,unsigned char *out,int numbits,long length,DES_key_schedule *schedule,DES_cblock *ivec);
void DES_ofb64_encrypt(const unsigned char *in,unsigned char *out,long length,DES_key_schedule *schedule,DES_cblock *ivec,int *num);

AES

AES加密算法是分组算法。典型参数的AES的基本操作是把128比特明文在128比特密钥指引下加密成128比特密文。

AES（IN，KEY）= OUT

OpenSSL中关于AES的函数名和参数接口和DES的雷同。相关函数名如下(参数略)。

int AES_set_encrypt_key();
int AES_set_decrypt_key();
void AES_ecb_encrypt();
void AES_cbc_encrypt();
void AES_cfb128_encrypt();
void AES_ofb128_encrypt();

RSA密钥

RSA密钥产生函数RSA_generate_key()，需要指定模长比特数bits和公钥指数e。另外两个参数为NULL即可。

RSA * RSA_generate_key(int bits, unsigned long e, void (*callback) (int,int,void *),void *cb_arg);

如果从文件中读取密钥，可使用函数

PEM_read_bio_PrivateKey() PEM_read_bio_PUBKEY();

EVP_PKEY 中包含一个RSA结构，可以引用。

EVP_PKEY *PEM_read_bio_PrivateKey(BIO *bp, EVP_PKEY **x, pem_password_cb *cb, void *u);

RSA加密函数

RSA_public_encrypt()使用公钥部分，解密函数RSA_private_decrypt()使用私钥。

填充方式常用的有两种

• RSA_PKCS1_PADDING
• RSA_PKCS1_OAEP_PADDING。

出错时返回-1。输入必须比RSA钥模长短至少11个字节（在RSA_PKCS1_PADDING时？）。输出长度等于RSA钥的模长。

int RSA_public_encrypt(int flen, const unsigned char *from,unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);
int RSA_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from,unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);

签名和验证

签名使用私钥，验证使用公钥。RSA签名是把被签署消息的散列值编码后用私钥加密，因此函数中参数type用来指示散列函数的类型，一般是NID_md5或NID_sha1。正确情况下返回0。

int RSA_sign(int type, const unsigned char *m, unsigned int m_length, unsigned char *sigret, unsigned int *siglen, RSA *rsa);
int RSA_verify(int type, const unsigned char *m, unsigned int m_length, unsigned char *sigbuf, unsigned int siglen, RSA *rsa);

Hash算法

MD5

MD5算法输出的散列值是16字节。

int MD5_Init(MD5_CTX *c);
int MD5_Update(MD5_CTX *c, const void *data, size_t len);
int MD5_Final(unsigned char *md, MD5_CTX *c);
4.3.2 SHA1

SHA1算法输出的散列值是20字节。

int SHA1_Init(SHA_CTX *c);
int SHA1_Update(SHA_CTX *c, const void *data, size_t len);
int SHA1_Final(unsigned char *md, SHA_CTX *c);

随机数算法

随机性是密码安全的基石。为了产生安全的伪随机数，必须有好的随机因素作为种子。OpenSSL在内部做了努力，但是仍建议在实用随机数产生函数之前添加随机因素。
函数RAND_add()可以添加随机因素到内部状态中去。然后，即可以使用RAND_bytes()获得随机数。
void RAND_add(const void buf,int num,double entropy);
int RAND_bytes(unsigned char buf,int num);