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SSL协议的分析及实现
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来源：中国IT实验室整理 时间：2007-4-18 作者：佚名
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1.引言 OpenSSL是一个支持SSL认证的服务器．它是一个源码开放的自由软件，支持多种操作系统。OpenSSL软件的目的是实现一个完整的、健壮的、商业级的开放源码工具，通过强大的加密算法来实现建立在传输层之上的安全性。OpenSSL包含一套SSL协议的完整接口，应用程序应用它们可以很方便的建立起安全套接层，进而能够通过网络进行安全的数据传输。 2.SSL协议概述 SSL 以对称密码技术和公开密码技术相结合，可以实现如下三个通信目标： (1)秘密性: SSL客户机和服务器之间传送的数据都经过了加密处理,网络中的非法窃听者所获取的信息都将是无意义的密文信息。 (2)完整性: SSL利用密码算法和散列(HASH)函数,通过对传输信息特征值的提取来保证信息的完整性,确保要传输的信息全部到达目的地,可以避免服务器和客户机之间的信息受到破坏。 (3)认证性:利用证书技术和可信的第三方认证,可以让客户机和服务器相互识别对方的身份。为了验证证书持有者是其合法用户(而不是冒名用户), SSL要求证书持有者在握手时相互交换数字证书,通过验证来保证对方身份的合法性。 3.SSL协议的体系结构 SSL协议位于TCP/IP协议模型的网络层和应用层之间,使用TCP来提供一种可靠的端到端的安全服务,它是客户/服务器应用之间的通信不被攻击窃听,并且始终对服务器进行认证,还可以选择对客户进行认证。SSL协议在应用层通信之前就已经完成加密算法、通信密钥的协商以及服务器认证工作,在此之后,应用层协议所传送的数据都被加密。SSL实际上是共同工作的两层协议组成,如图1所示。从体系结构图可以看出SSL安全协议实际是SSL握手协议、SSL修改密文协议、SSL警告协议和SSL记录协议组成的一个协议族。
SSL记录协议为SSL连接提供了两种服务:一是机密性,二是消息完整性。为了实现这两种服务, SSL记录协议对接收的数据和被接收的数据工作过程是如何实现的呢? SSL记录协议接收传输的应用报文,将数据分片成可管理的块,进行数据压缩(可选),应用MAC,接着利用IDEA、DES、3DES或其他加密算法进行数据加密,最后增加由内容类型、主要版本、次要版本和压缩长度组成的首部。被接收的数据刚好与接收数据工作过程相反,依次被解密、验证、解压缩和重新装配,然后交给更高级用户。 SSL修改密文协议是使用SSL记录协议服务的SSL高层协议的3个特定协议之一,也是其中最简单的一个。协议由单个消息组成,该消息只包含一个值为1的单个字节。该消息的唯一作用就是使未决状态拷贝为当前状态,更新用于当前连接的密码组。为了保障SSL传输过程的安全性,双方应该每隔一段时间改变加密规范。 SSL告警协议是用来为对等实体传递SSL的相关警告。如果在通信过程中某一方发现任何异常,就需要给对方发送一条警示消息通告。警示消息有两种:一种是 Fatal错误,如传递数据过程中,发现错误的MAC,双方就需要立即中断会话,同时消除自己缓冲区相应的会话记录;第二种是Warning消息,这种情况,通信双方通常都只是记录日志,而对通信过程不造成任何影响。SSL握手协议可以使得服务器和客户能够相互鉴别对方,协商具体的加密算法和MAC算法以及保密密钥,用来保护在SSL记录中发送的数据。 SSL握手协议允许通信实体在交换应用数据之前协商密钥的算法、加密密钥和对客户端进行认证（可选）的协议，为下一步记录协议要使用的密钥信息进行协商，使客户端和服务器建立并保持安全通信的状态信息。SSL握手协议是在任何应用程序数据传输之前使用的。SSL握手协议包含四个阶段:第一个阶段建立安全能力;第二个阶段服务器鉴别和密钥交换;第三个阶段客户鉴别和密钥交换;第四个阶段完成握手协议。 4.SSL协议的实现 基于OpenSSL的程序可以被分为两个部分：客户机和服务器，使用SSL协议使通信双方可以相互验证对方身份的真实性，并且能够保证数据的完整性和机密性。建立SSL通信的过程如图2所示。
(1) OpenSSL初始化 在使用OpenSSL之前，必须进行相应的协议初始化工作，这可以通过下面的函数实现： int SSL_library_int(void); (2) 选择会话协议 在利用OpenSSL开始SSL会话之前，需要为客户端和服务器制定本次会话采用的协议，目前能够使用的协议包括TLSv1.0、SSLv2、SSLv3、SSLv2/v3。 需要注意的是，客户端和服务器必须使用相互兼容的协议，否则SSL会话将无法正常进行。 (3) 创建会话环境 在OpenSSL中创建的SSL会话环境称为CTX，使用不同的协议会话，其环境也不一样的。申请SSL会话环境的OpenSSL函数是： SSL_CTX *SSL_CTX_new(SSL_METHOD * method); 当SSL会话环境申请成功后，还要根据实际的需要设置CTX的属性，通常的设置是指定SSL握手阶段证书的验证方式和加载自己的证书。制定证书验证方式的函数是： int SSL_CTX_set_verify(SSL_CTX *ctx,int mode,int(*verify_callback),int(X509_STORE_CTX *)); 为SSL会话环境加载CA证书的函数是： SSL_CTX_load_verify_location(SSL_CTX *ctx,const char *Cafile,const char *Capath); 为SSL会话加载用户证书的函数是： SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file,int type); 为SSL会话加载用户私钥的函数是： SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx,const char* file,int type); 在将证书和私钥加载到SSL会话环境之后，就可以调用下面的函数来验证私钥和证书是否相符： int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx); (4) 建立SSL套接字 SSL套接字是建立在普通的TCP套接字基础之上，在建立SSL套接字时可以使用下面的一些函数： SSL *SSl_new(SSL_CTX *ctx); //申请一个SSL套接字 int SSL_set_fd(SSL *ssl,int fd);) //绑定读写套接字 int SSL_set_rfd(SSL *ssl,int fd); //绑定只读套接字 int SSL_set_wfd(SSL *ssl,int fd); //绑定只写套接字 (5) 完成SSL握手 在成功创建SSL套接字后，客户端应使用函数SSL_connect( )替代传统的函数connect( )来完成握手过程: int SSL_connect(SSL *ssl); 而对服务器来讲，则应使用函数SSL_ accept ( )替代传统的函数accept ( )来完成握手过程: int SSL_accept(SSL *ssl); 握手过程完成之后，通常需要询问通信双方的证书信息，以便进行相应的验证，这可以借助于 下面的函数来实现: X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *ssl); 该函数可以从SSL套接字中提取对方的证书信息，这些信息已经被SSL验证过了。 X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a); 该函数得到证书所用者的名字。 (6) 进行数据传输 当SSL握手完成之后，就可以进行安全的数据传输了，在数据传输阶段，需要使用SSL_read( ) 和SSL_write( )来替代传统的read( )和write( )函数，来完成对套接字的读写操作： int SSL_read(SSL *ssl,void *buf,int num); int SSL_write(SSL *ssl,const void *buf,int num); (7) 结束SSL通信 当客户端和服务器之间的数据通信完成之后，调用下面的函数来释放已经申请的SSL资源： int SSL_shutdown(SSL *ssl); //关闭SSL套接字 void SSl_free(SSL *ssl); //释放SSL套接字 void SSL_CTX_free(SSL_CTX *ctx); //释放SSL会话环境 5.结束语 SSL协议采用数字证书进行双端实体认证,用非对称加密算法进行密钥协商,用对称加密算法将数据加密后进行传输以保证数据的保密性,并且通过计算数字摘要来验证数据在传输过程中是否被篡改和伪造,从而为敏感数据在Internet上的传输提供了一种安全保障手段。 OpenSSL是一个开放源代码的SSL协议的产品实现，它采用C语言作为开发语言，具备了跨系统的性能。调用OpenSSL 的函数就可以实现一个SSL加密的安全数据传输通道，从而保护客户端和服务器之间数据的安全。 |
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RSA公钥加密在计算机产业中被广泛使用在认证和加密。可以从RSA Data Security Inc.获得的RSA公钥加密许可证。公钥加密是使用一对非对称的密码加密或解密的方法。每一对密码由公钥和私钥组成。公钥被广泛发布。私钥是隐密的，不公开。用公钥加密的数据只能够被私钥解密。反过来，使用私钥加密的数据只能用公钥解密。这个非对称的特性使得公钥加密很有用。
使用公钥加密法认证
认证是一个身份认证的过程。在下列例子中包括甲和乙，公钥加密会非常轻松地校验身份。符号{数据} key意味着"数据"已经使用密码加密或解密。假如甲想校验乙的身份。乙有一对密码，一个是公开的，另一个是私有的。乙透露给甲他的公钥。甲产生一个随机信息发送给乙。 甲——〉乙：random-message
乙使用他的私钥加密消息，返回甲加密后的消息。 乙——〉甲：{random-message}乙的私钥
甲收到这个消息然后使用乙的以前公开过的公钥解密。他比较解密后的消息与他原先发给乙的消息。如果它们完全一致，就会知道在与乙说话。任意一个中间人不会知道乙的私钥，也不能正确加密甲检查的随机消息。
除非你清楚知道你加密的消息。用私钥加密消息，然后发送给其他人不是一个好主意。因为加密值可能被用来对付你，需要注意的是：因为只有你才有私钥，所以只有你才能加密消息。所以，代替加密甲发来的原始消息，乙创建了一个信息段并且加密。信息段取自随机消息（random-message）并具有以下有用的特性：
1. 这个信息段难以还原。任何人即使伪装成乙，也不能从信息段中得到原始消息；
2. 假冒者将发现不同的消息计算出相同的信息段值；
3. 使用信息段，乙能够保护自己。他计算甲发出的随机信息段，并且加密结果，并发送加密信息段返回甲。甲能够计算出相同的信息段并且解密乙的消息认证乙。
这个技术仅仅描绘了数字签名。通过加密甲产生的随机消息，乙已经在甲产生的消息签名。因此我们的认证协议还需要一次加密。一些消息由乙产生：
甲——〉乙：你好，你是乙么?
乙——〉甲：甲，我是乙
{信息段[甲，我是乙] } 乙的私钥
当你使用这个协议，乙知道他发送给乙的消息，他不介意在上面签名。他先发送不加密的信息，"甲，我是乙。"，然后发送信息段加密的消息版本。甲可以非常方便地校验乙就是乙，同时，乙还没有在他不想要的信息上签名。
提交公钥
那么，乙怎样以可信的方式提交他的公钥呢？看看认证协议如下所示：
甲——〉乙：你好
乙——〉甲：嗨，我是乙，乙的公钥
甲——〉乙：prove it
乙——〉甲：甲，我是乙 {信息段[甲，我是乙] } 乙的私钥
在这个协议下，任何人都能够成为"乙"。所有你所要的只是公钥和私钥。你发送给甲说你就是乙，这样你的公钥就代替了乙的密码。然后，你发送用你的私钥加密的消息，证明你的身份。甲却不能发觉你并不是乙。 为了解决这个问题，标准组织已经发明了证书。一个证书有以下的内容：
* 证书的发行者姓名
* 发行证书的组织
* 标题的公钥
* 邮戳
证书使用发行者的私钥加密。每一个人都知道证书发行者的公钥（这样，每个证书的发行者拥有一个证书）。证书是一个把公钥与姓名绑定的协议。通过使用证书技术，每一个人都可以检查乙的证书，判断是否被假冒。假设乙控制好他的私钥，并且他确实是得到证书的乙，就万事大吉了。
这些是修订后的协议：
甲——〉乙：你好
乙——〉甲：嗨，我是乙，乙的校验
甲——〉乙：prove it
乙——〉甲：甲，我是乙 {信息段[甲， 我是乙] } 乙的私钥
现在当甲收到乙的第一个消息，他能检查证书，签名（如上所述，使用信息段和公钥解密），然后检查标题（乙的姓名），确定是乙。他就能相信公钥就是乙的公钥和要求乙证明自己的身份。乙通过上面的过程，制作一个信息段，用一个签名版本答复甲。甲可以校验乙的信息段通过使用从证书上得到的公钥并检查结果。
如果一个黑客，叫H
甲——〉H：你好
H——〉不能建立一个令甲相信的从乙的消息。
交换密码（secret）
一旦甲已经验证乙后，他可以发送给乙一个只有乙可以解密、阅读的消息：
甲——〉乙：{secret}乙的公钥
唯一找到密码的方法只有使用乙的私钥解码上述的信息。交换密码是另一个有效使用密码加密的方法。即使在甲和乙之间的通讯被侦听，只有乙才能得到密码。
使用密码作为另一个secret-key增强了网络的安全性，但是这次这是一个对称的加密算法（例如DES、RC4、IDE甲）。因为甲在发送给乙之前产生了密码，所以甲知道密码。乙知道密码因为乙有私钥，能够解密甲的信息。但他们都知道密码，他们都能够初始化一个对称密码算法，而且开始发送加密后的信息。这儿是修定后的协议：
甲——〉乙：你好
乙——〉甲：嗨，我是乙，乙的校验
甲——〉乙：prove it
乙——〉甲：甲，我是乙 {信息段[甲，我是乙] }乙的私钥
甲——〉乙：ok 乙，here is a secret {secret}乙的公钥
乙——〉甲：{some message}secret-key
黑客窃听
那么如果有一个恶意的黑客H在甲和乙中间，虽然不能发现甲和乙已经交换的密码，但能干扰他们的交谈。他可以放过大部分信息，选择破坏一定的信息（这是非常简单的，因为他知道甲和乙通话采用的协议）。
甲——〉H：你好
H——〉乙：你好
乙——〉H：嗨，我是乙，乙的校验
H——〉甲：嗨，我是乙，乙的校验
甲——〉H：prove it
H——〉乙：prove it
乙——〉H：甲，我是乙 {信息段[甲，我是乙] }乙的私钥
H——〉甲：甲，我是乙 {信息段[甲，我是乙] }乙的私钥
甲——〉H：ok 乙，here is a secret {secret} 乙的公钥
H——〉乙：ok 乙，here is a secret {secret} 乙的公钥
乙——〉H：{some message}secret-key
H——〉甲：Garble[{some message}secret-key ]
H忽略一些数据不修改，直到甲和乙交换密码。然后H干扰乙给甲的信息。在这一点上，甲相信乙，所以他可能相信已经被干扰的消息并且尽力解密。
需要注意的是，H不知道密码，他所能做的就是毁坏使用秘钥加密后的数据。基于协议，H可能不能产生一个有效的消息。但下一次呢？
为了阻止这种破坏，甲和乙在他们的协议中产生一个校验码消息（message authentication code）。一个校验码消息（MAC）是一部分由密码和一些传输消息产生的数据。信息段算法描述的上述特性正是它们抵御H的功能：
MAC= Digest[some message，secret ]
因为H不知道密码，他不能得出正确的值。即使H随机干扰消息，只要数据量大，他成功的机会微乎其微。例如，使用HD5（一个RSA发明的好的加密算法），甲和乙能够发送128位MAC值和他们的消息。H猜测正确的MAC的几率将近1/18，446，744，073，709，551，616约等于零。
这是又一次修改后的协议：
甲——〉乙：你好
乙——〉甲：嗨，我是乙，乙的校验
甲——〉乙：prove it
乙——〉甲：嗨，我是乙，乙的校验
甲，我是乙
{信息段[甲，我是乙] } 乙的私钥
ok 乙，here is a secret {secret} 乙的公钥
{some message，MAC}secret-key
现在H已经无技可施了。他干扰了得到的所有消息，但MAC计算机能够发现他。甲和乙能够发现伪造的MAC值并且停止交谈。H不再能与乙通讯。
