win32平台下研究调试SSL通信机制

    SSL协议为了解决在网络中的实体认证和信息的加密传输，为了做到这两点，基于ssl协议的通信需要进行若干次的握手协商(http://www.cnblogs.com/happyhippy/archive/2007/05/14/746476.html)，这么多的握手步骤概括来说分为三步：双方交换证书来确保彼此的身份;身份确认后进行会话通信密钥的协商;协商出会话密钥后用其进行加密传输信息。Openssl是SSL协议的一个实现库，关于OpenSSL的功能与简介在此我就不多介绍了，详细可以观看我的另一篇博文：OpenSSL简介。

程序介绍及目的:

程序分为两部分,客户端和服务器端,我们的目的是利用SSL/TLS的特性保证通信双方能够互相验证对方身份(真实性),并保证数据的完整性, 私密性。

一、程序的框架：

1.客户端程序的框架为:

/*生成一个SSL结构*/

meth = SSLv23_client_method();

ctx = SSL_CTX_new (meth);

ssl = SSL_new(ctx);

/*下面是正常的socket过程*/

fd = socket();

connect();

/*把建立好的socket和SSL结构联系起来*/

SSL_set_fd(ssl,fd);

/*SSL的握手过程*/

SSL_connect(ssl);

/*接下来用SSL_write(), SSL_read()代替原有的write(),read()即可*/

SSL_write(ssl,"Hello world",strlen("HelloWorld!"));

2.服务端程序的框架为:

/*生成一个SSL结构*/

meth = SSLv23_server_method();

ctx = SSL_CTX_new (meth);

ssl = SSL_new(ctx);

/*下面是正常的socket过程*/

fd = socket();

bind();

listen();

accept();

/*把建立好的socket和SSL结构联系起来*/

SSL_set_fd(ssl,fd);

/*SSL的握手过程*/

SSL_connect(ssl);

/*接下来用SSL_write(), SSL_read()代替原有的write(),read()即可*/

SSL_read (ssl, buf, sizeof(buf));

对程序来说,openssl将整个握手过程用一对函数体现,即客户端的SSL_connect和服务端的SSL_accept.而后的应用层数据交换则用SSL_read和 SSL_write来完成.

二、证书文件生成
    基于SSL协议的应用必然会涉及到数字证书,可以说二者必然同存亡,因为在网络中证明某个实体身份的只有数字证书,而ssl协议解决的问题之一就是要跟正确的人进行保密的信息传输,因此在确定对方就是正确的通信目标时只能用数字证书来验证，所以除将第一步的程序编译成功外,还需生成必要的证书和私钥文件使双方能够成功验证对方,步骤如下。

1、前期准备：

在生成证书的目录（即：包含OpenSSL.exe文件的目录）下建立几个文件和文件夹，有
./demoCA/
./demoCA/newcerts/
./demoCA/private/
./demoCA/index.txt (空文件，生成证书时会将数据记录写入)
./demoCA/serial （在serial文件中写入第一个序列号“01”，在生成证书时会以此递增)或在openssl的配置文件中搜索这个文件拷贝到这里。

安装完成后将openssl\bin添加到环境变量path中，可方便使用

注意:cnf扩展名会被操作系统当成快捷方式，看不到扩展名，在dos下使用dir就可以看到。

进入cmd后输入openssl可能会提示

WARNING: can't open config file: /usr/local/ssl/openssl.cnf

提示找不到openssl.cnf ,没有关系在输入openssl命令前添加环境变量OPENSSL_CONF即可。

set OPENSSL_CONF=openssl.cnf

一般使用openssl.cnf默认配置即可无需修改。openssl.cnf文件在bin目录里，但是其样例文件一般会以.cfg或.example等作后缀，更改过来即可。

概念：首先要有一个根证书，然后用根证书来签发用户证书。
      用户进行证书申请：一般先生成一个私钥，然后用私钥生成证书请求(证书请求里应含有公钥信息)，再利用证书服务器的根证书来签发证书。

特别说明:
（1）自签名证书(一般用于顶级证书、根证书): 证书的名称和认证机构的名称相同.（2）根证书：根证书是CA认证中心给自己颁发的证书,是信任链的起始点。安装根证书意味着对这个CA认证中心的信任

数字证书是由证书认证机构（CA）对证书申请者真实身份验证之后，用CA的根证书对申请人的一些基本信息以及申请人的公钥进行签名（相当于加盖发证书机构的公章）后形成的一个数字文件。数字证书包含证书中所标识的实体的公钥（就是说你的证书里有你的公钥），由于证书将公钥与特定的个人匹配，并且该证书的真实性由颁发机构保证（就是说可以让大家相信你的证书是真的），因此，数字证书为如何找到用户的公钥并知道它是否有效这一问题提供了解决方案。

openssl中有如下后缀名的文件：
.key格式：私有的密钥
.csr格式：证书签名请求（证书请求文件），含有公钥信息，certificate signing request的缩写
.crt格式：证书文件，certificate的缩写
.crl格式：证书吊销列表，Certificate Revocation List的缩写
.pem格式：用于导出，导入证书时候的证书的格式，有证书开头，结尾的格式

常用证书协议：

x509v3: IETF的证书标准
x.500: 目录的标准
SCEP:  简单证书申请协议，用http来进行申请，数据有PKCS#7封装，数据格式其实也是PKCS#10。
PKCS#7:是封装数据的标准，可以放置证书和一些请求信息，关于P7及下面设计到的P10和P12在Openssl里面其实就是一个结构体，可以查看这些结构体加以理解。
PKCS#10:用于离线证书申请的证书申请的数据格式，证书申请者产生一个密码对，将公钥组织到P10结构中并用私钥对其进行签名，将签名值也组织到P10结构中，在Openssl里面对应的结构体是X509_REQ，注意数据包是使用PKCS#7封装这个数据。
PKCS#12:用于一个单一文件中交换公共和私有对象，就是公钥，私钥和证书，这些信息进行打包，加密放在存储目录中，CISCO放在NVRAM中，用户可以导出，以防证书服务器挂掉可以进行相应恢复。思科是.p12,微软是.pfx.

2、具体步骤详见：http://blog.csdn.net/fyang2007/article/details/6180361。这是我按照这个操作自己制作的证书，证明是可行的，我已经在程序中测试过。中间所用到的密码统一为：123456.

证书文件下载地址：http://download.csdn.net/detail/sszgg2006/4815062

在输入信息验证时，需要注意common name为：127.0.0.1.

这一部分非常关键，涉及到证书的形成，我当初耗时很久才解决这些证书文件，希望学习者慢慢调试，如有问题欢迎交流：[email protected].

三、代码实现（win32版本）

代码我已经上传，学习的朋友欢迎去下载：http://download.csdn.net/detail/sszgg2006/4815093

中间输入的密码统一都是：123456.我已经测试过，可以运行。

四、需要了解的一些函数:
1.int SSL_CTX_set_cipher_list(SSL_CTX *,const char *str);
根据SSL/TLS规范,在ClientHello中,客户端会提交一份自己能够支持的加密方法的列表,由服务端选择一种方法后在ServerHello中通知服务端, 从而完成加密算法的协商.
可用的算法为:
EDH-RSA-DES-CBC3-SHA
EDH-DSS-DES-CBC3-SHA
DES-CBC3-SHA
DHE-DSS-RC4-SHA
IDEA-CBC-SHA
RC4-SHA
RC4-MD5
EXP1024-DHE-DSS-RC4-SHA
EXP1024-RC4-SHA
EXP1024-DHE-DSS-DES-CBC-SHA
EXP1024-DES-CBC-SHA
EXP1024-RC2-CBC-MD5
EXP1024-RC4-MD5
EDH-RSA-DES-CBC-SHA
EDH-DSS-DES-CBC-SHA
DES-CBC-SHA
EXP-EDH-RSA-DES-CBC-SHA
EXP-EDH-DSS-DES-CBC-SHA
EXP-DES-CBC-SHA
EXP-RC2-CBC-MD5
EXP-RC4-MD5
这些算法按一定优先级排列,如果不作任何指定,将选用DES-CBC3-SHA.用SSL_CTX_set_cipher_list可以指定自己希望用的算法(实际上只是 提高其优先级,是否能使用还要看对方是否支持).

我们在程序中选用了RC4做加密,MD5做消息摘要(先进行MD5运算,后进行RC4加密).即
SSL_CTX_set_cipher_list(ctx,"RC4-MD5");

在消息传输过程中采用对称加密(比公钥加密在速度上有极大的提高),其所用秘钥(shared secret)在握手过程中中协商(每次对话过程均不同, 在一次对话中都有可能有几次改变),并通过公钥加密的手段由客户端提交服务端.

2.void SSL_CTX_set_verify(SSL_CTX *ctx,int mode,int (*callback)(int, X509_STORE_CTX *));
缺省mode是SSL_VERIFY_NONE,如果想要验证对方的话,便要将此项变成SSL_VERIFY_PEER.SSL/TLS中缺省只验证server,如果没有设置 SSL_VERIFY_PEER的话,客户端连证书都不会发过来.

3.int SSL_CTX_load_verify_locations(SSL_CTX *ctx, const char *CAfile,const char *CApath);
要验证对方的话,当然装要有CA的证书了,此函数用来便是加载CA的证书文件的.

4.int SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file, int type);
加载自己的证书文件.

5.int SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx, const char *file, int type);
加载自己的私钥,以用于签名.

6.int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx);
调用了以上两个函数后,自己检验一下证书与私钥是否配对.
7.void RAND_seed(const void *buf,int num);
在win32 的环境中client程序运行时出错(SSL_connect返回-1)的一个主要机制便是与UNIX平台下的随机数生成机制不同(握手的时候用的到). 具体描述可见mod_ssl的FAQ.解决办法就是调用此函数,其中buf应该为一随机的字符串,作为"seed".
还可以采用一下两个函数:
void RAND_screen(void);
int RAND_event(UINT, WPARAM, LPARAM);
其中RAND_screen()以屏幕内容作为"seed"产生随机数,RAND_event可以捕获windows中的事件(event),以此为基础产生随机数.如果一直有 用户干预的话,用这种办法产生的随机数能够"更加随机",但如果机器一直没人理(如总停在登录画面),则每次都将产生同样的数字.

这几个函数都只在WIN32环境下编译时有用,各种UNIX下就不必调了.
大量其他的相关函数原型,见crypto\rand\rand.h.

8.OpenSSL_add_ssl_algorithms()或SSLeay_add_ssl_algorithms()
其实都是调用int SSL_library_init(void)
进行一些必要的初始化工作,用openssl编写SSL/TLS程序的话第一句便应是它.

9.void SSL_load_error_strings(void );
如果想打印出一些方便阅读的调试信息的话,便要在一开始调用此函数.

10.void ERR_print_errors_fp(FILE *fp);
如果调用了SSL_load_error_strings()后,便可以随时用ERR_print_errors_fp()来打印错误信息了.

11.X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *s);
握手完成后,便可以用此函数从SSL结构中提取出对方的证书(此时证书得到且已经验证过了)整理成X509结构.

12.X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a);
得到证书所有者的名字,参数可用通过SSL_get_peer_certificate()得到的X509对象.

13.X509_NAME *X509_get_issuer_name(X509 *a)
得到证书签署者(往往是CA)的名字,参数可用通过SSL_get_peer_certificate()得到的X509对象.

14.char *X509_NAME_oneline(X509_NAME *a,char *buf,int size);
将以上两个函数得到的对象变成字符型,以便打印出来.

15.SSL_METHOD的构造函数,包括
SSL_METHOD *TLSv1_server_method(void); /* TLSv1.0 */
SSL_METHOD *TLSv1_client_method(void); /* TLSv1.0 */

SSL_METHOD *SSLv2_server_method(void); /* SSLv2 */
SSL_METHOD *SSLv2_client_method(void); /* SSLv2 */

SSL_METHOD *SSLv3_server_method(void); /* SSLv3 */
SSL_METHOD *SSLv3_client_method(void); /* SSLv3 */

SSL_METHOD *SSLv23_server_method(void); /* SSLv3 but can rollback to v2 */
SSL_METHOD *SSLv23_client_method(void); /* SSLv3 but can rollback to v2 */
在程序中究竟采用哪一种协议(TLSv1/SSLv2/SSLv3),就看调哪一组构造函数了.

参考文献有：

1、openssl 生成证书【整理】http://blog.csdn.net/atco/article/details/7590069

2、证书文件形成openssl：http://hi.baidu.com/x_s_j/item/8c1e9b14bdf6f3f8ddeeca53

3、win32平台下ssl和tsl程序的编写：http://www.cppblog.com/flyonok/archive/2011/03/24/133100.html

4、pdf文档ssl与tsl.