SSL原理介绍

SSL——安全套接字层（Secure Sockers Layer）协议由著名的Netscape公司开发。为了保证通信双方建立安全可靠的传输隧道，SSL使用PKI中的数字证书技术对通信双方进行身份认证；使用对称加密来保证数据保密性；使用消息认证码（MAC）来保证数据完整性。

SSL位于TCP/IP和各种应用层协议间，如图1所示，分为记录层协议和握手层协议。

图1

握手层负责对服务器和客户进行认证，并确定数据加密传输采用的密钥、加密参数和加密算法等。记录层负责具体的加密解密、计算和验证MAC等操作，然后将加密后的数据交付给传输层。

在具体的应用场景里，某个客户端试图接入服务器时，它将通过握手层与服务器进行算法协商、身份认证、确定通信密钥等操作。然后，记录层根据协商的压缩算法，对数据进行分片压缩处理；用共享密钥，根据下面公式计算MAC：hash(MAC_write_secret+pad_2+hash(MAC_write_secret+pad_1+seq_num+SSLCompressed.type+SSLCompressed.length+SSLCompressed.fragment))。计算MAC后，加密压缩数据和MAC 形成密文。服务器方做相反的处理，在此就不赘述了。

安全通信程序设计

这里我们采用C/S模式，上层应用只是简单的收发数据，目的主要是介绍如何利用OPENSSL函数接口，编程实现SSL/TLS协议，用户可以根据自己的需要跟上层应用相结合，如HTTPS等。涉及到的代码以服务器端为例子，服务端流程图如图2所示，客户端类似，不再赘述。

图2

常用函数及数据结构介绍

1）初始化SSL算法库函数：“int SSL_library_init(void)；”。

2）初始化SSL上下文环境变量函数：“SSL_CTX *SSL_CTX_new(SSL_METHOD *meth)；”。传入SSL协议算法，调用成功后返回SSL_CTX结构体指针，否则返回空。这里涉及到了一个重要的数据结构 SSL_CTX，这个数据结构定义的内容非常多，主要是SSL上下文环境，包括SSL握手中的证书文件和私钥、协议版本、随机数、主密钥、读写MAC密钥等信息，后面通过完整代码可以看出来。

3）以文件形式设置SSL证书函数。
int SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx,const char *file,int type)；

这里， file用于设置证书文件的路径；type则是设置证书的编码类型。证书的编码类型一般分为两种：PEM格式和ASN1格式，即Base64编码格式和DER编码文件，它们分别传入SSL_FILETYPE_PEM、SSL_FILETYPE_ASN1。

4）以文件形式设置SSL私钥。
int SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx,const char *file,int type)；

参数与设置证书一样，这里就不重复了。这里是SSL初始化时涉及到的重要的函数。下面以服务器为例，给出初始化的代码。初始化后，就可以开始建立SSL连接了。

//初始化OpenSSL环境
 SSL_load_error_strings();
 SSLeay_add_ssl_algorithms();
 SSL_METHOD *meth;
 meth = SSLv23_server_method();
 //使用SSL V2或V3协议
 ctx = SSL_CTX_new (meth);
 //初始化SSL上下文
 if (!ctx)
 {
 return FALSE;
 }
 //设置验证客户端（SSL中，服务器对客户端的验证时可选的，默认模式是不验证客户端证书的）
 //SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER|SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT,verify_callback_server//验证回调函数);//如果验证客户端
 SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT,0);
 //如果不验证客户端
 SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,ROOTCERTF,NULL);
 //若验证，则放置CA证书
 SSL_CTX_set_verify_depth(ctx,1);
 SSL_CTX_set_cipher_list(ctx,"RC4-MD5");
 //设置服务器证书
 if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, CERTF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)
 {
 return FALSE;
 }
 //设置服务器私钥
 if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, KEYF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)
 {
 return FALSE;
 }
 //检查服务器私钥和证书是否匹配
 if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx))
 {
 return FALSE;
 }

5）新建SSL句柄函数：“SSL* SSL_new（SSL_CTX* ctx）；”。这个函数利用前面初始化好的SSL_CTX数据结构，来形成一个SSL数据结构，用于后面的通信。

6）绑定SSL与Socket句柄函数：“int SSL_set_fd(SSL* ssl,int fd)；”。参数中，ssl就是用调用SSL_new后返回的SSL结构体指针，fd为Socket链接句柄。

7）建立SSL连接函数，其中“int SSL_accept(SSL *ssl);”用于服务器，接受一个SSL链接，类似Socket中的accept函数；“int SSL_connect(SSL *ssl);”用于客户端，连接服务器，类似Socket中的connect函数。

传入上述绑定完成的SSL结构体指针后，则可建立SSL连接。如果成功，返回1，否则为0。下面以服务器为例，给出创建连接的代码。

//新建socket句柄
 listen_sd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 //初始化sockaddr_in结构体，设置TCP协议和端口
 memset (&sa_serv, '\0', sizeof(sa_serv));
 sa_serv.sin_family = AF_INET;
 sa_serv.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
 sa_serv.sin_port = htons (port);
 //绑定端口
 err = bind(listen_sd, (struct sockaddr*) &sa_serv,
 sizeof (sa_serv));
 if(err < 0)
 {
 //错误处理……
 return;
 }
 //侦听，TCP连接
 err = listen (listen_sd, 5); 
 if(err < 0)
 {
 //错误处理……
 return;
 }
 //接收连接
 clientFd = accept(sockFd, NULL, NULL);
 ……
 //新建SSL连接句柄
 if((ssl = SSL_new(ctx)) == NULL)
 {
 return;
 }
 //设置SSL连接Socket句柄
 SSL_set_fd(ssl, clientFd);
 //接收SSL连接
 if(SSL_accept(ssl) == 0)
 {
 return;
 }

客户端与服务器核心部分代码类似，在此就不赘述了。建立SSL安全连接后，我们可以进行数据交换。

8）发送SSL读取/数据函数。

int SSL_write(SSL *ssl,const void *buf,int num)；
 int SSL_read(SSL *ssl,const void *buf,int num)；

上述函数类似Socket编程中的write和read函数，其中ssl为SSL连接句柄，buf为数据缓冲区指针，num为长度。

最后调用SSL_free(SSL *ssl)函数释放连接。到此为止，一个SSL协议基本搭建完成，加上多线程技术，一个基于SSL的安全通信软件就完成了。

此外还可以通过OPENSSL中的函数，读取对方证书名称、单位以及协议的安全指标等具体内容。服务器端代码如下：

/*打印所有加密算法的信息(可选)*/
 strcpy(msg,SSL_get_cipher (ssl));
 //自定义显示……
 /*得到客户端的证书并打印些信息(可选) */
 client_cert = SSL_get_peer_certificate (ssl);
 if (client_cert != NULL)
 {
 strcpy(msg,"Client certificate:");
 //自定义显示……
 }
 //得到对方证书信息
 str=X509_NAME_oneline (X509_get_subject_name (client_cert), 0, 0);
 strcpy(msg,"subject:");
 //自定义显示……
 OPENSSL_free (str);
 str = X509_NAME_oneline (X509_get_issuer_name  (client_cert), 0, 0);
 strcpy(msg,"issuer:");
 //自定义显示……
 OPENSSL_free (str);

总结

本文主要向大家介绍了利用OPENSSL实现SSL/TLS编程。本文附带的程序是一个多线程的通信软件，因为代码过长，上文只贴出了涉及到SSL/TLS的核心部分，具体代码见附带工程文件。为了方便区分，我还设计了一个连接状态栏和数据交换栏，运行界面如图3和图4所示。

图3

图4

对于身份验证用到的数字证书，文中没有介绍，我会在以后单独介绍数字证书的原理和应用，以及OPENSSL中对数字证书的操作，敬请关注。