【转】使用 OpenSSL API 进行安全编程

本文转自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-openssl.html

创建基本的安全连接和非安全连接


您需要什么

首先需要的是最新版本的 OpenSSL。查阅参考资料部分，以确定从哪里可以获得最新的可以自己编译的源代码，或者最新版本的二进制文件（如果您不希望花费时间来编译的话）。不过，为了安全起见，我建议您下载最新的源代码并自己编译它。二进制版本通常是由第三方而不是由 OpenSSL 的开发人员来编译和发行的。

一些 Linux 的发行版本附带了 OpenSSL 的二进制版本，对于学习如何使用 OpenSSL 库来说，这足够了；不过，如果您打算去做一些实际的事情，那么一定要得到最新的版本，并保持该版本一直是最新的。

对于以 RPM 形式安装的 Linux 发行版本（Red Hat、Mandrake 等），建议您通过从发行版本制造商那里获得 RPM 程序包来更新您的 OpenSSL 发行版本。出于安全方面的原因，建议您使用最新版本的发行版本。如果您的发行版本不能使用最新版本的 OpenSSL，那么建议您只覆盖库文件，不要覆盖可执行文件。OpenSSL 附带的 FAQ 文档中包含了有关这方面的细节。

还要注意的是，OpenSSL 并没有在所有的平台上都获得官方支持。虽然制造商已经尽力使其能够跨平台兼容，但仍然存在 OpenSSL 不能用于您的计算机 和/或 操作系统的可能。请参阅 OpenSSL 的 Web 站点（
参考资料 中的链接），以获得关于哪些平台可以得到支持的信息。

如果想使用 OpenSSL 来生成证书请求和数字证书，那么必须创建一个配置文件。在 OpenSSL 程序包的

apps

文件夹中，有一个名为

openssl.cnf

的可用模板文件。我不会对该文件进行讨论，因为这不在本文要求范围之内。不过，该模板文件有一些非常好的注释，而且如果在 Internet 上搜索，您可以找到很多讨论修改该文件的教程。









回页首

头文件和初始化

本教程所使用的头文件只有三个：ssl.h、bio.h 和 err.h。它们都位于 openssl 子目录中，而且都是开发您的项目所必需的。要初始化 OpenSSL 库，只需要三个代码行即可。清单 1 中列出了所有内容。其他的头文件 和/或 初始化函数可能是其他一些功能所必需的。

清单 1. 必需的头文件

/* OpenSSL headers */#include "openssl/bio.h"#include "openssl/ssl.h"#include "openssl/err.h"/* Initializing OpenSSL */SSL_load_error_strings();ERR_load_BIO_strings();OpenSSL_add_all_algorithms();









回页首

建立非安全连接

不管连接是安全的还是不安全的，OpenSSL 都使用了一个名为 BIO 的抽象库来处理包括文件和套接字在内的各种类型的通信。您还可以将 OpenSSL 设置成为一个过滤器，比如用于 UU 或 Base64 编码的过滤器。

在这里对 BIO 库进行全面说明有点麻烦，所以我将根据需要一点一点地介绍它。首先，我将向您展示如何建立一个标准的套接字连接。相对于使用 BSD 套接字库，该操作需要的代码行更少一些。

在建立连接（无论安全与否）之前，要创建一个指向 BIO 对象的指针。这类似于在标准 C 中为文件流创建 FILE 指针。

清单 2. 指针

BIO * bio;

打开连接

创建新的连接需要调用

BIO_new_connect

。您可以在同一个调用中同时指定主机名和端口号。也可以将其拆分为两个单独的调用：一个是创建连接并设置主机名的

BIO_new_connect

调用，另一个是设置端口号的

BIO_set_conn_port

（或者

BIO_set_conn_int_port

）调用。

不管怎样，一旦 BIO 的主机名和端口号都已指定，该指针会尝试打开连接。没有什么可以影响它。如果创建 BIO 对象时遇到问题，指针将会是 NULL。为了确保连接成功，必须执行

BIO_do_connect

调用。

清单 3. 创建并打开连接

bio = BIO_new_connect("hostname:port");if(bio == NULL){ /* Handle the failure */}if(BIO_do_connect(bio) <= 0){ /* Handle failed connection */}

在这里，第一行代码使用指定的主机名和端口创建了一个新的 BIO 对象，并以所示风格对该对象进行 格式化。例如，如果您要连接到 www.ibm.com 的 80 端口，那么该字符串将是

www.ibm.com:80

。调用

BIO_do_connect

检查连接是否成功。如果出错，则返回 0 或 -1。

与服务器进行通信

不管 BIO 对象是套接字还是文件，对其进行的读和写操作都是通过以下两个函数来完成的：

BIO_read

和

BIO_write

。很简单，对吧？精彩之处就在于它始终如此。

BIO_read

将尝试从服务器读取一定数目的字节。它返回读取的字节数、 0 或者 -1。在受阻塞的连接中，该函数返回 0，表示连接已经关闭，而 -1 则表示连接出现错误。在非阻塞连接的情况下，返回 0 表示没有可以获得的数据，返回 -1 表示连接出错。可以调用

BIO_should_retry

来确定是否可能重复出现该错误。

清单 4. 从连接读取

int x = BIO_read(bio, buf, len);if(x == 0){ /* Handle closed connection */}else if(x < 0){ if(! BIO_should_retry(bio)) { /* Handle failed read here */ } /* Do something to handle the retry */}

BIO_write

会试着将字节写入套接字。它将返回实际写入的字节数、0 或者 -1。同

BIO_read

，0 或 -1 不一定表示错误。

BIO_should_retry

是找出问题的途径。如果需要重试写操作，它必须使用和前一次完全相同的参数。

清单 5. 写入到连接

if(BIO_write(bio, buf, len) <= 0){ if(! BIO_should_retry(bio)) { /* Handle failed write here */ } /* Do something to handle the retry */}

关闭连接

关闭连接也很简单。您可以使用以下两种方式之一来关闭连接：

BIO_reset

或

BIO_free_all

。如果您还需要重新使用对象，那么请使用第一种方式。如果您不再重新使用它，则可以使用第二种方式。

BIO_reset

关闭连接并重新设置 BIO 对象的内部状态，以便可以重新使用连接。如果要在整个应用程序中使用同一对象，比如使用一台安全的聊天客户机，那么这样做是有益的。该函数没有返回值。

BIO_free_all

所做正如其所言：它释放内部结构体，并释放所有相关联的内存，其中包括关闭相关联的套接字。如果将 BIO 嵌入于一个类中，那么应该在类的析构函数中使用这个调用。

清单 6. 关闭连接

/* To reuse the connection, use this line */BIO_reset(bio);/* To free it from memory, use this line */BIO_free_all(bio);









回页首

建立安全连接

现在需要给出建立安全连接需要做哪些事情。惟一要改变的地方就是建立并进行连接。其他所有内容都是相同的。

安全连接要求在连接建立后进行握手。在握手过程中，服务器向客户机发送一个证书，然后，客户机根据一组可信任证书来核实该证书。它还将检查证书，以确保它没有过期。要检验证书是可信任的，需要在连接建立之前提前加载一个可信任证书库。

只有在服务器发出请求时，客户机才会向服务器发送一个证书。该过程叫做客户机认证。使用证书，在客户机和服务器之间传递密码参数，以建立安全连接。尽管握手是在建立连接之后才进行的，但是客户机或服务器可以在任何时刻请求进行一次新的握手。

参考资料 部分中列出的 Netscasp 文章和 RFC 2246 ，对握手以及建立安全连接的其他方面的知识进行了更详尽的论述。

为安全连接进行设置

为安全连接进行设置要多几行代码。同时需要有另一个类型为 SSL_CTX 的指针。该结构保存了一些 SSL 信息。您也可以利用它通过 BIO 库建立 SSL 连接。可以通过使用 SSL 方法函数调用 SSL_CTX_new 来创建这个结构，该方法函数通常是

SSLv23_client_method

。

还需要另一个 SSL 类型的指针来保持 SSL 连接结构（这是短时间就能完成的一些连接所必需的）。以后还可以用该 SSL 指针来检查连接信息或设置其他 SSL 参数。

清单 7. 设置 SSL 指针

SSL_CTX * ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());SSL * ssl;

加载可信任证书库

在创建上下文结构之后，必须加载一个可信任证书库。这是成功验证每个证书所必需的。如果不能确认证书是可信任的，那么 OpenSSL 会将证书标记为无效（但连接仍可以继续）。

OpenSSL 附带了一组可信任证书。它们位于源文件树的

certs

目录中。不过，每个证书都是一个独立的文件 —— 也就是说，需要单独加载每一个证书。在

certs

目录下，还有一个存放过期证书的子目录。试图加载这些证书将会出错。

如果您愿意，可以分别加载每一个文件，但为了简便起见，最新的 OpenSSL 发行版本的可信任证书通常存放在源代码档案文件中，这些档案文件位于名为“TrustStore.pem”的单个文件中。如果已经有了一个可信任证书库，并打算将它用于特定的项目中，那么只需使用您的文件替换清单 8 中的“TrustStore.pem”（或者使用单独的函数调用将它们全部加载）即可。

可以调用

SSL_CTX_load_verify_locations

来加载可信任证书库文件。这里要用到三个参数：上下文指针、可信任库文件的路径和文件名，以及证书所在目录的路径。必须指定可信任库文件或证书的目录。如果指定成功，则返回 1，如果遇到问题，则返回 0。

清单 8. 加载信任库

if(! SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, "/path/to/TrustStore.pem", NULL)){ /* Handle failed load here */}

如果打算使用目录存储可信任库，那么必须要以特定的方式命名文件。OpenSSL 文档清楚地说明了应该如何去做，不过，OpenSSL 附带了一个名为

c_rehash

的工具，它可以将文件夹配置为可用于

SSL_CTX_load_verify_locations

的路径参数。

清单 9. 配置证书文件夹并使用它

/* Use this at the command line */c_rehash /path/to/certfolder/* then call this from within the application */if(! SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, NULL, "/path/to/certfolder")){ /* Handle error here */}

为了指定所有需要的验证证书，您可以根据需要命名任意数量的单独文件或文件夹。您还可以同时指定文件和文件夹。

创建连接

将指向 SSL 上下文的指针作为惟一参数，使用

BIO_new_ssl_connect

创建 BIO 对象。还需要获得指向 SSL 结构的指针。在本文中，只将该指针用于

SSL_set_mode

函数。而这个函数是用来设置 SSL_MODE_AUTO_RETRY 标记的。使用这个选项进行设置，如果服务器突然希望进行一次新的握手，那么 OpenSSL 可以在后台处理它。如果没有这个选项，当服务器希望进行一次新的握手时，进行读或写操作都将返回一个错误，同时还会在该过程中设置 retry 标记。

清单 10. 设置 BIO 对象

bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);BIO_get_ssl(bio, & ssl);SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY);

设置 SSL 上下文结构之后，就可以创建连接了。主机名是使用

BIO_set_conn_hostname

函数设置的。主机名和端口的指定格式与前面的相同。该函数还可以打开到主机的连接。为了确认已经成功打开连接，必须执行对

BIO_do_connect

的调用。该调用还将执行握手来建立安全连接。

清单 11. 打开安全连接

/* Attempt to connect */BIO_set_conn_hostname(bio, "hostname:port");/* Verify the connection opened and perform the handshake */if(BIO_do_connect(bio) <= 0){ /* Handle failed connection */}

连接建立后，必须检查证书，以确定它是否有效。实际上，OpenSSL 为我们完成了这项任务。如果证书有致命的问题（例如，哈希值无效），那么将无法建立连接。但是，如果证书的问题并不是致命的（当它已经过期或者尚不合法时），那么仍可以继续使用连接。

可以将 SSL 结构作为惟一参数，调用

SSL_get_verify_result

来查明证书是否通过了 OpenSSL 的检验。如果证书通过了包括信任检查在内的 OpenSSL 的内部检查，则返回 X509_V_OK。如果有地方出了问题，则返回一个错误代码，该代码被记录在命令行工具的

verify

选项下。

应该注意的是，验证失败并不意味着连接不能使用。是否应该使用连接取决于验证结果和安全方面的考虑。例如，失败的信任验证可能只是意味着没有可信任的证书。连接仍然可用，只是需要从思想上提高安全意识。

清单 12. 检查证书是否有效

if(SSL_get_verify_result(ssl) != X509_V_OK){ /* Handle the failed verification */}

这就是所需要的全部操作。通常，与服务器进行通信都要使用

BIO_read

和

BIO_write

。并且只需调用

BIO_free_all

或

BIO_reset

，就可以关闭连接，具体调用哪一个方法取决于是否重用 BIO。

必须在结束应用程序之前的某个时刻释放 SSL 上下文结构。可以调用

SSL_CTX_free

来释放该结构。

清单 13. 清除 SSL 上下文

SSL_CTX_free(ctx);









回页首

错误检测

显然 OpenSSL 抛出了某种类型的错误。这意味着什么？首先，您需要得到错误代码本身；

ERR_get_error

可以完成这项任务；然后，需要将错误代码转换为错误字符串，它是一个指向由

SSL_load_error_strings

或

ERR_load_BIO_strings

加载到内存中的永久字符串的指针。可以在一个嵌套调用中完成这项操作。

表 1 略述了从错误栈检索错误的方法。清单 24 展示了如何打印文本字符串中的最后一个错误信息。

表 1. 从栈中检索错误

ERR_reason_error_string

返回一个静态字符串的指针，然后可以将字符串显示在屏幕上、写入文件，或者以任何您希望的方式进行处理

ERR_lib_error_string

指出错误发生在哪个库中

ERR_func_error_string

返回导致错误的 OpenSSL 函数

清单 14. 打印出最后一个错误

printf("Error: %s\n", ERR_reason_error_string(ERR_get_error()));

您还可以让库给出预先格式化了的错误字符串。可以调用

ERR_error_string

来得到该字符串。该函数将错误代码和一个预分配的缓冲区作为参数。而这个缓冲区必须是 256 字节长。如果参数为 NULL，则 OpenSSL 会将字符串写入到一个长度为 256 字节的静态缓冲区中，并返回指向该缓冲区的指针。否则，它将返回您给出的指针。如果您选择的是静态缓冲区选项，那么在下一次调用

ERR_error_string

时，该缓冲区会被覆盖。

清单 15. 获得预先格式化的错误字符串

printf("%s\n", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));

您还可以将整个错误队列转储到文件或 BIO 中。可以通过

ERR_print_errors

或

ERR_print_errors_fp

来实现这项操作。队列是以可读格式被转储的。第一个函数将队列发送到

BIO

，第二个函数将队列发送到

FILE

。字符串格式如下（引自 OpenSSL 文档）：

[pid]:error:[error code]:[library name]:[function name]:[reason string]:[file name]:[line]:[optional text message]

其中，

[pid]

是进程 ID，

[error code]

是一个 8 位十六进制代码，

[file name]

是 OpenSSL 库中的源代码文件，

[line]

是源文件中的行号。

清单 16. 转储错误队列

ERR_print_errors_fp(FILE *);ERR_print_errors(BIO *);









回页首

开始做吧

使用 OpenSSL 创建基本的连接并不困难，但是，当试着确定该如何去做时，文档可能是一个小障碍。本文向您介绍了一些基本概念，但 OpenSSL 还有很多灵活之处有待发掘，而且您还可能需要一些高级设置，以便项目能够充分利用 SSL 的功能。

本文中有两个样例。一个样例展示了到 http://www.verisign.com/ 的非安全连接，另一个则展示了到 http://www.verisign.com/ 的安全 SSL 连接。两者都是连接到服务器并下载其主页。它们没有进行任何安全检查，而且库中的所有设置都是默认值 —— 作为本文的一部分，应该只将这些用于教学目的。

在任何支持的平台上，源代码的编译都应该是非常容易的，不过我建议您使用最新版本的 OpenSSL。在撰写本文时，OpenSSL 的最新版本是 0.9.7d。

关于作者





Kenneth 是 Peru State College（位于 Peru, Nebraska）计算机科学专业的大四学生。他还是学生报 The Peru State Times 的职业作者。他拥有 Southwestern Community College （位于 Creston, Iowa）计算机编程专业的理学副学士（Associate of Science）学位，在这所大学里，他是一名半工半读的 PC 技术员。他的研究领域包括 Java、C++、COBOL、 Visual Basic
和网络。