Openssl编程初探

来源：互联网发布：雨露计划软件下载编辑：程序博客网时间：2024/06/11 01:16

一、安全通信系统--OpenSSL的安装编译、证书生成

1.下载编译并且安装配置

从OpenSSLd的官网上(www.openssl.org)下载最新版本或者稳定版本的OpenSSL(本次实验的版本是openssl-1.0.1c)，然后解压压缩包。加压之后，由于环境是windows平台的，打开根目录下的windows安装帮助文件(INSTALL.W32)，根据文件描述编译即可。需要注意的是，编译的时候需要安装Perl编译器，同时由于本次试验使用的是VS2012，所以选择VC的编译选项即可。在编译的时候选择的目录(使用编译命令是perl Configure VC-WIN32 --prefix=C:\OpenSSL)是C:\OpenSSL，所以安装的时候需要在此目录下操作。安装工作如下：

建立“C:\OpenSSL”目录，并建立“Bin”,“Lib”，“Include”，“SSL”目录；
将apps目录下的openssl.conf文件复制到Bin和SSL目录下；
将out32dll目录下的openssl.exe，libeay32.dll和ssleay32.dll复制到Bin目录下；
将out32dll目录下的libeay32.lib和ssleay.lib复制到Lib目录下；
将inc32目录下的openssl目录复制到Include目录下；
将apps目录下的demoCA目录以及根目录下的crypto目录复制到Bin目录下；
由于接下来还需要使用OpenSSL进行程序设计，所以还需要进行程序设计环境的配置，把inc32目录下的include目录复制到VS2012的VC目录下的include目录，把out32dll目录下的libeay32.lib和ssleay.lib复制到VS2012的VC目录下的lib目录下，同时把ibeay32.dll和ssleay32.dll复制到系统目录(C:\windows\system32)下。

2.生成证书

由于OpenSSL的安全通信系统是需要对应的证书的，所以需要在程序设计之前准备好相对应的证书，程序运行过程中需要3个证书和两个key文件，分别是ca证书、服务器证书、客户端证书、服务器的key文件和客户端的key文件，文件名和扩展名自定义，不过推荐使用常见的。进入C:\OpenSSL\Bin目录下执行对于命令即可完成证书的生成，步骤如下所示：

生成服务器端的私钥(key文件)，执行命令
[cpp] view plaincopyprint?
1. openssl genrsa -des3 -out server.key 1024
命令成功执行之后，会在Bin目录下面生成server.key文件。
生成服务器端的csr文件
[cpp] view plaincopyprint?
1. openssl req -new -key server.key -out server.csr -config openssl.cnf
命令成功执行之后，会在目录Bin下面生成server.csr文件
客户端生成key文件
[cpp] view plaincopyprint?
1. openssl genrsa -des3 -out client.key 1024
命令成功执行之后，会在Bin目录下面生成client.key文件。
生成客户端的csr文件
[cpp] view plaincopyprint?
1. openssl req -new -key client.key -out client.csr -config openssl.cnf
命令成功执行之后，会在目录Bin下面生成client.csr文件
生成自己的CA
[cpp] view plaincopyprint?
1. openssl req -new -x509 -keyout ca.key -out ca.crt -config openssl.cnf
命令成功执行之后，会在Bin目录下生成ca.key和ca.crt证书文
用生成的ca给服务器的csr文件签名，生成服务器端的证书
[cpp] view plaincopyprint?
1. Openssl ca -in server.csr -out server.crt -cert ca.crt -keyfile ca.key -config openssl.cnf
执行成功后会生成证书文件server.crt
用生成的ca给客户端的csr文件签名，生成客户端的证书
[cpp] view plaincopyprint?
1. Openssl ca -in client.csr -out client.crt -cert ca.crt -keyfile ca.key -config openssl.cnf
执行成功后会生成文件client.csr证书

3.证书文件说明

对于上面的证书生成过程中，在本次的安全通信系统中所需要使用的只有五个文件，分别是ca.crt，client.crt，client.key，server.crt和server.key。使用的时候客户端需要ca.crt，client.crt，client.key这三个文件，服务器端需要ca.crt，server.crt，server.key这三个文件。

在实际程序里面，如果程序是控制台程序，那么证书检查的时候由于证书密码可以输入，所以证书可是使用；但是，如果使用的窗体程序，那么检查设置证书的时候由于不能输入密码，所以导致证书检查设置会失败，此时如果想要使用证书，那么就需要去掉key文件的密码，如此才能在窗体程序中使用证书。去掉key文件的命令为：

[cpp] view plaincopyprint?

openssl rsa -in server.key -out server.key

二、ssl初始化

这一步主要使用OpenSSL提供的函数设置算法、证书等，一般步骤都固定了的，初始化流程示意图如下所示：

SSL初始化流程图

主要代码为：

[cpp] view plaincopyprint?
SSL_load_error_strings(); /*为打印调试信息作准备*/  
OpenSSL_add_ssl_algorithms(); /*初始化*/  
  
//meth = TLSv1_server_method(); /*采用什么协议(SSLv2/SSLv3/TLSv1)在此指定*/  
//注意这里是server，客户端那里会是client  
ctx = SSL_CTX_new (TLSv1_server_method());   
CHK_NULL(ctx);  
  
SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER,NULL); /*验证与否*/  
SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CACERT,NULL); /*若验证,则放置CA证书*/  
  
if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, CERTF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {  
    ERR_print_errors_fp(stderr);  
    getchar();  
    exit(3);  
}  
  
if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, KEYF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {  
    ERR_print_errors_fp(stdout);  
    getchar();  
    exit(4);  
}  
  
if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {  
    printf("Private key does not match the certificate public keyn");  
    getchar();  
    exit(5);  
}  
  
  
SSL_CTX_set_cipher_list(ctx,"RC4-MD5");   

三、 SSL连接通信

建立TCP套接字，并且进入监听，当接收到客户端连接请求后，使用accept建立和客户端通信的套接字s，从初始化的SSL_CTX创建一个SSL，将该SSL和与客户端通信的套接字s绑定，然后使用SSL_accept建立和客户端的SSL连接，如果建立成功就可以检查客户端的证书并获取客户端的证书信息，实现相互认证。之后，可以使用异步通信机制处理该SSL连接的消息。原理图如下图所示：

控制台的非异步通信的SSL通信代码如下所示。(非异步通信的代码原理看起来原理更好理解)

服务器端代码
[cpp] view plaincopyprint?
//创建监听套接字
sListen = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sListen == INVALID_SOCKET)
{
    cout << "监听套接字创建失败" << endl;
    exit(0);
}
//创建地址
sockaddr_in sin = {0};
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
sin.sin_port = htons (PORT);

//套接字绑定
err = bind(sListen, (struct sockaddr*) &sin,sizeof(sin));
if(err == -1)
{
    cout << "监听套接字绑定失败" << endl;
    exit(0);
}

/*接受TCP链接*/
err = listen (sListen, 5);
if(err == -1)
{
    cout << "监听套接字开启监听失败" << endl;
    exit(0);
}

//接受客户端连接
SOCKET sd = accept(sListen, (struct sockaddr *)&sa_cli, (socklen_t*)&client_len);

if(err == -1)
{
    cout << "监听套接字accept失败" << endl;
    exit(0);
}
closesocket (sListen);


/*TCP连接已建立,进行服务端的SSL过程. */
cout << "TCP连接建立，创建SSL连接中....\n" << endl;
//从初始化的ctx新建SSL
ssl = SSL_new (ctx);
if(ssl == NULL)
{
    cout << "SSL创建失败" << endl;
    exit(0);
}
//套接字和SSL绑定
SSL_set_fd (ssl, sd);
//SSL连接建立
err = SSL_accept (ssl);
if(err == -1)
{
    cout << "创建SSL连接失败" << endl;
    exit(0);
}
else
{
    cout << "创建SSL连接成功" << endl;
    exit(0);
}

/*打印所有加密算法的信息(可选)*/
cout << "SSL连接算法信息:" << SL_get_cipher (ssl) << endl;

/*得到服务端的证书并打印些信息(可选) */
client_cert = SSL_get_peer_certificate (ssl);
if (client_cert != NULL) {
    cout << "客户端证书:" << endl;

    cout << "subject:" << X509_get_subject_name (client_cert), 0, 0) << endl;


    cout << "issuer:" << X509_NAME_oneline (X509_get_issuer_name (client_cert),0,0) << endl;
    CHK_NULL(str);
    X509_free (client_cert);/*如不再需要,需将证书释放 */
}
else cout << "客户端没有证书信息！" << endl; //客户端认证失败

//SSL通信，用SSL_write,SSL_read代替send和recv
while(true)
{
    //接收消息
    err = SSL_read (ssl, buf, sizeof(buf) - 1);
    if(err == -1)
    {
        cout << "SSL_read接收消息失败" << endl;
        exit(0);
    }
    buf[err] = '\0';
    cout << "【客户端】:" << buf << endl;

    cin >> buf;
    //发送消息
    err = SSL_write(ssl, buf, strlen(ssl));
    if(err == -1)
    {
        cout << "SSL_write发送消息失败" << endl;
        exit(0);
    }
    cout << "【服务器】:" << buf << endl;
}

//关闭套接字和ssl
shutdown (sd,2);
SSL_free (ssl);
SSL_CTX_free (ctx);
客户端代码
[cpp] view plaincopyprint?
//
#include "openssl/rsa.h"
#include "openssl/crypto.h"
#include "openssl/x509.h"
#include "openssl/pem.h"
#include "openssl/ssl.h"
#include "openssl/err.h"
#include "openssl/rand.h"

#pragma comment(lib, "libeay32.lib")
#pragma comment(lib, "ssleay32.lib")

/*所有需要的参数信息都在此处以#define的形式提供*/

#define CERTF "C:\\client.crt" /*服务端的证书(需经CA签名)*/
#define KEYF "C:\\client.key" /*服务端的私钥(建议加密存储)*/
#define CACERT "C:\\ca.crt" /*CA 的证书*/
#define PORT 7758 /*服务端的端口*/

int main ()
{
    int err;

    int sd;
    struct sockaddr_in sa;
    SSL_CTX* ctx;
    SSL* ssl;
    X509* server_cert;
    char* str;
    char buf [4096] = {0};
    char szMsg[4096] = {0};
    //SSL_METHOD *meth;
    int seed_int[100]; /*存放随机序列*/

    WSADATA wsaData;

    if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData) != 0){
        printf("WSAStartup()fail:%d\n",GetLastError());
        return -1;
    }

    OpenSSL_add_ssl_algorithms(); /*初始化*/
    SSL_load_error_strings(); /*为打印调试信息作准备*/

    //注意这里是client和和服务器不同
    ctx = SSL_CTX_new (TLSv1_client_method());
    CHK_NULL(ctx);

    SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER,NULL); /*验证与否*/
    SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CACERT,NULL); /*若验证,则放置CA证书*/


    if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, CERTF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)
    {
        cout << "客户端证书检查失败！" << endl;
        exit(0);
    }

    if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, KEYF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)
    {
        cout << "客户端key检查失败！" << endl;
        exit(0);
    }

    if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx))
    {
        cout << "客户端证书和key不匹配！" << endl;
        exit(0);
    }

    /*构建随机数生成机制,WIN32平台必需*/
    srand( (unsigned)time( NULL ) );
    for( int i = 0; i < 100;i++ ) seed_int[i] = rand();

    RAND_seed(seed_int, sizeof(seed_int));

    //创建TCP连接请求
    sd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sd == INVALID_SOCKET)
    {
        cout << "套接字创建失败！" << endl;
        exit(0);
    }
    memset(&sa,'\0', sizeof(sa));
    sa.sin_family = AF_INET;
    sa.sin_addr.s_addr = inet_addr ("127.0.0.1");
    sa.sin_port = htons (PORT); /* Server Port number */

    //TCP连接
    err = connect(sd, (struct sockaddr*) &sa,
    if(err == -1)
    {
        cout << "TCP连接失败！" << endl;
        exit(0);
    }
    else
    {
        cout << "SSL连接成功！" << endl;
        exit(0);
    }
    //SSL连接
    //新建SSL
    ssl = SSL_new (ctx);
    if(ssl == NULL)
    {
        cout << "新建SSL失败!" << endl;
        exit(0);
    }
    //套接字和SSL绑定
    SSL_set_fd (ssl, sd);
    //SLL连接
    err = SSL_connect (ssl);
    if(err == -1)
    {
        cout << "SSL连接失败" << endl;
        exit(0);
    }
    else
    {
        cout << "SSL连接成功" << endl;
        exit(0);
    }
    //打印连接信息
    cout << "SSL连接算法信息：" << SSL_get_cipher (ssl) << endl;

    /*得到服务端的证书并打印些信息(可选) */
    server_cert = SSL_get_peer_certificate (ssl);
    if (server_cert != NULL) {
        cout << "服务器证书:" << endl;

        cout << "subject:" << X509_get_subject_name (server_cert), 0, 0) << endl;


        cout << "issuer:" << X509_NAME_oneline (X509_get_issuer_name (server_cert),0,0) << endl;
        CHK_NULL(str);
        X509_free (server_cert);/*如不再需要,需将证书释放 */
    }
    else cout << "服务器没有证书信息！" << endl; //服务器端认证失败

    //SSL通信，用SSL_write,SSL_read代替send和recv
    while(true)
    {
        cout << "请输入要发送的消息:";
        cin >> buf;
        //发送消息
        err = SSL_write(ssl, buf, strlen(ssl));
        if(err == -1)
        {
            cout << "SSL_write发送消息失败" << endl;
            exit(0);
        }
        cout << "【客户端】:" << buf << endl;
        //接收消息
        err = SSL_read (ssl, buf, sizeof(buf) - 1);
        if(err == -1)
        {
            cout << "SSL_read接收消息失败" << endl;
            exit(0);
        }
        buf[err] = '\0';
        cout << "【服务器】:" << buf << endl;
    }

    /* 收尾工作 */
    SSL_shutdown (ssl);
    shutdown (sd,2);
    SSL_free (ssl);
    SSL_CTX_free (ctx);

    return 0;
}

0 0