OpenSSL 战略架构

介绍

该文件概述了OpenSSL的战略架构。从3.0.0版本开始，将需要多个发布版本来将当前的“现状”（1.1.1）架构迁移到未来的“目标”架构。

未来的架构预计会有大量变化。我们将提供处理最终过渡的迁移路径。OpenSSL 3.0.0版本对绝大多数现有应用程序的影响将很小，几乎所有良好的应用程序只需要重新编译即可。

随着时间的推移，当前通过引擎(engine) 接口提供的功能将替换为通过 provider 提供的接口。OpenSSL 3.0.0 将继续支持引擎(engine)。未来的架构最早要到 OpenSSL 4.0.0 才能完全实现。

当前架构

目前，OpenSSL 分为四个主要组件：

• libcrypto：这是用于提供大量加密原语实现的核心库。此外，它还提供了一组由 libssl 和 libcrypto 使用的支持服务，以及 CMS 和 OCSP 等协议的实现。

• 引擎：通过引擎API，可以扩展libcrypto的功能。
  
  通常情况下，引擎是动态可加载的模块，注册到libcrypto，并利用可用的钩子提供加密算法的实现。通常这些是对libcrypto已有算法的替代实现（例如，用于实现算法的硬件加速），但它们也可以包括默认OpenSSL中未实现的算法（例如，GOST引擎实现了GOST算法系列）。一些引擎是作为OpenSSL发行版的一部分提供的，而一些是由外部第三方提供的（同样是GOST）。

• libssl：这个库依赖于libcrypto，并实现了TLS和DTLS协议。

• 应用程序：这些应用程序是一组命令行工具，使用底层的libssl和libcrypto组件，提供一系列的加密和其他功能，比如：
  
  a. 密钥和参数的生成与检查
  
  b. 证书的生成与检查
  
  c. SSL/TLS测试工具
  
  d. ASN.1检查
  
  e. 等等
  

OpenSSL目前具有以下特点：

1. EVP：EVP（envelope）API层提供了高级抽象接口，可将加密功能与具体的实现绑定分开。不鼓励通过EVP层之外的接口直接使用具体的加密算法实现。EVP层还提供了签名和验证等组合操作。某些组合操作也作为EVP层操作提供（如HMAC-SHA256）。EVP还允许以与算法无关的方式使用加密算法（例如，EVP_DigestSign适用于RSA和ECDSA算法）。

2. 不支持FIPS 140。FIPS 140仅在OpenSSL-1.0.2中可用，它早于现行架构，不兼容API或ABI。

概念组件视图

现有架构是一个简单的4层分层结构，加密层位(crypto layer)于最底层。TLS层依赖于加密层，而应用程序则依赖于TLS和加密层。

注意：图中存在的组件并不表示该组件是公共API或用于最终用户直接访问或使用的。

包视图

上述组件被打包成库（libcrypto和libssl）和相关的引擎接口，以及一个名为“openssl”的命令行可执行文件，用于运行各种应用程序。下面的图示说明了这一点。

未来架构

未来架构具有以下特点：

• 核心服务是应用程序和提供者可用的构建模块（例如BIO、X509、SECMEM、ASN1等）。

• 提供者(provider)实现加密算法和支持服务。提供者可以有以下一项或多项实现：
  

  • 针对算法的加密原语（cryptographic primitives），例如如何进行加密/解密/签名/哈希等操作。
  • 算法的序列化，例如如何将私钥转换为PEM文件。序列化可以在与当前不支持的格式之间的转换。
  • 存储加载器后端。OpenSSL目前具有从文件中读取密钥、参数和其他项的存储加载器。提供者可以有一个从其他位置（例如LDAP目录）加载的加载器。
    

提供者可以是完全独立的，也可以使用由不同提供者或核心（Core）服务提供的服务。例如，一个应用程序可以使用由硬件加速提供者（hardware accelerated provider）实现的算法的加密原语，但使用不同提供者的序列化服务，以便将密钥导出为PKCS#12格式。

一个默认提供者（包含当前OpenSSL加密算法实现的核心部分）将被“内置”，但其他提供者可以在运行时动态加载。

传统提供者（Legacy provider）模块将为旧算法提供加密实现（例如DES、MDC2、MD2、Blowfish、CAST）。OMC将发布一个策略，说明何时以及如何将算法从默认提供者迁移到传统提供者。

一个具体实现OpenSSL FIPS加密模块的FIPS提供者可以在运行时动态加载。

• 核心向应用程序（和其他提供者）提供对提供者所提供服务的访问。提供者向核心提供方法。核心是定位算法等内容的具体实现的机制。

核心将实现基于属性的查找功能，用于查找算法，例如可能允许通过“fips=true”或“keysize=128, constant_time=true”来查找算法。具体细节将在后续的设计文档中确定。

• 协议实现，例如TLS、DTLS。

待实现的架构具有以下特点：

• EVP 层成为提供程序中实现的服务的精简包装器。大多数呼叫都是直接传递的，很少/没有预处理或后处理。

• 将提供新的EVP API，以便在核心中找到可用于任何给定EVP调用的算法实现。

• 将以实现无关的方式在核心库与提供者之间传递信息。

• 将弃用传统API（例如，不通过EVP层的低级加密API）。请注意，存在针对传统算法的传统API（例如，AES是一种非传统算法，但AES_encrypt是一个传统API）。

• OpenSSL FIPS加密模块将作为一个动态加载的提供者实现。它将是独立的（即，只能依赖系统运行时库和核心提供的服务）。

• 随着时间的推移，其他接口也可能过渡到使用核心（例如，OSSL_STORE可能会考虑进行这样的过渡）。

引擎的使用将逐步转变为提供者（Providers）。“Bye-bye-Engines, Hello-Providers”.

概念组件视图

以下是OpenSSL待实现架构中概念组件的概述，如下图（粉红色涅槃）所示。

注意：图中组件的存在并不表示该组件是公共API，也不表示其供最终用户直接访问或使用。

这里所示的组件如下：

• Applications: 命令行应用程序，例如 ca, ciphers, cms, dgst 等

• Protocols: 提供根据标准协议在端点之间进行通信的功能

  • TLS 协议:所有支持的 TLS/DTLS 协议的实现以及支持基础设施，例如：
    • SSL BIO: 用于使用 TLS 进行通信的 BIO
    • Statem: TLS 状态机
    • Record: TLS 记录层
  • 其他协议
    • CMS: 密码消息语法(Cryptographic Message Syntax)标准的实现
    • OCSP: 在线证书状态协议(Online Certificate Status Protocol)的实现
    • TS: 时间戳协议的实现
  • Supporting Services: 专门设计以支持协议代码实现的组件
    • Packet: 用于读取协议消息的内部组件
    • Wpacket: 用于写入协议消息的内部组件

• Core: 这是一个连接服务请求（例如加密）与该服务的提供者的基本组件。它实现了提供者注册其服务以及这些服务的属性的能力。它还提供了根据服务必须满足的一组属性来定位服务的能力。例如，加密服务的属性可能包括 “aead”、 “aes-gcm”、 “fips”、 “security-bits=128” 等。

• Default Provider: 实现了一组已注册到 Core 的默认服务。

  • Supporting Services
    • 低级别实现: 实际实现密码原语的一组组件。

• FIPS 提供者: 实现了经过 FIPS 验证的一组服务，并提供给 Core 使用。这包括以下支持服务：

  • POST: 开机自检(Power On Self Test)
  • KAT: 已知答案测试(Known Answer Tests)
  • 完整性检查(Integrity Check)
  • 低级别实现: 实际实现密码原语的一组组件（以符合 FIPS 规定的独立自包含要求）。

• Legacy Provider: 提供了将通过 EVP 级别 API 公开的旧算法的实现。

• Third-Party Provider: 不属于 OpenSSL 发行版的第三方提供者。第三方可以实现自己的提供者。

• Common Services: 这些是应用程序和提供者可用的构建模块（例如 BIO、X509、SECMEM、ASN1 等）。

• 遗留 API。 “低级” API。 “遗留” 这里指的是 API，而不是算法本身。例如，AES 不是一个遗留算法，但它有一个遗留 API（例如 AES_encrypt）。

包视图

上面概念组件视图中描述的各个组件被物理打包成:

• 可执行应用程序，供用户使用

• 用于应用程序的库

• 用于 Core 的可动态加载模块。

此处显示的物理包包括:

• OpenSSL 可执行文件。命令行应用程序。

• Libssl. 其中包含与 TLS 和 DTLS 直接相关的所有内容。其内容与现有架构中的 libssl 大体相同。请注意，一些支持服务将被移动到 libcrypto 中。

• Libcrypto. 这个库包含以下部分:

  • 核心服务的实现，如 X509、ASN1、EVP、OSSL_STORE 等
  • 核心（Core）
  • 与 TLS 或 DTLS 无关的协议
  • 协议支持服务（例如 Packet 和 Wpacket）
  • 包含所有默认算法实现的默认提供程序

• Libcrypto-legacy. 提供遗留的“低级”API。这些API的算法实现可以来自任何提供程序。

• FIPS 模块. 包含实现了一组经过 FIPS 验证并已在核心中注册的服务的 FIPS 提供程序。

• 遗留模块(Legacy module). 包含了遗留提供程序。

ref: https://www.openssl.org/docs/OpenSSLStrategicArchitecture.html