openssl源码分析

### OpenSSL源码分析知识点梳理 #### 一、基础知识 **1.1 对称算法** - **定义**: 对称加密算法是指加密和解密使用相同密钥的加密算法。 - **常见算法**: 包括DES（Data Encryption Standard）、AES（Advanced Encryption Standard）等。 - **应用场景**: 主要用于数据传输中的数据加密，如网络通信、文件加密等。 **1.2 摘要算法** - **定义**: 摘要算法也称为哈希算法，是一种将任意长度的消息转换为固定长度消息摘要的方法。 - **常见算法**: 如MD5、SHA-1、SHA-256等。 - **应用场景**: 用于数据完整性校验、密码存储、数字签名等领域。 **1.3 公钥算法** - **定义**: 公钥加密算法是一类使用一对密钥进行加密和解密的过程，其中一个是公开的公钥，另一个是私密的私钥。 - **常见算法**: 如RSA、DSA、ECC等。 - **应用场景**: 主要应用于安全认证、数字签名以及密钥交换等场景。 **1.4 回调函数** - **定义**: 在程序设计中，回调函数是指通过函数参数来调用的函数。通常的做法是将函数的指针传递到一个能“回调”该函数的位置，以实现特定功能。 - **应用场景**: 在OpenSSL中，回调函数常用于错误处理、事件监听等场景。 #### 二、OpenSSL简介 **2.1 OpenSSL简介** - **定义**: OpenSSL是一个强大的安全套接字层密码库，包含主要的密码算法、常用的密钥和证书管理工具及SSL/TLS协议的实现。 - **应用场景**: 广泛应用于服务器、客户端软件的安全通信，支持多种操作系统平台。 **2.2 OpenSSL安装** - **Linux下的安装**: - 可以通过包管理器如`apt-get`或`yum`安装。 - 也可以下载源码自行编译安装。 - **Windows编译与安装**: - 建议使用MinGW或Cygwin环境进行编译。 - 也可以选择预编译的二进制文件进行安装。 **2.3 OpenSSL源代码** - **结构**: OpenSSL的源代码按照功能模块划分，主要包括密码算法、密钥管理、证书处理等部分。 - **特点**: 代码风格严谨，注释丰富，易于理解。 **2.4 OpenSSL学习方法** - **阅读官方文档**: 官方文档是学习OpenSSL最直接的资料。 - **实践操作**: 通过编写简单的程序来熟悉API的使用。 - **参考书籍和在线资源**: 如《OpenSSL编程》等书籍。 #### 三、堆栈 **3.1 OpenSSL堆栈** - **定义**: OpenSSL中的堆栈是一种特殊的线性表，主要用于存储一系列项。 - **特点**: 支持快速的插入和删除操作。 **3.2 数据结构** - **STACK_OF**: 是OpenSSL中用于定义堆栈的基本数据结构，可以存储任何类型的对象。 **3.3 源码** - **实现**: 主要在`crypto/stack/`目录下，包括核心操作函数。 **3.4 定义用户自己的堆栈函数** - **方法**: 用户可以通过自定义结构体来扩展标准的堆栈功能。 - **步骤**: 需要实现必要的接口函数，并确保兼容性。 **3.5 编程示例** - **创建堆栈**: 使用`sk_new_null()`创建一个新的空堆栈。 - **添加元素**: 通过`sk_push()`或`sk_add()`向堆栈中添加元素。 - **遍历堆栈**: 利用`sk_num()`获取堆栈中的元素数量，结合`sk_value()`获取指定位置的元素。 #### 四、哈希表 **4.1 哈希表** - **定义**: 哈希表是一种根据键(key)而直接访问内存存储位置的数据结构。 - **优点**: 提供了快速查找、插入和删除操作的能力。 **4.2 哈希表数据结构** - **HASH_TABLE**: OpenSSL中使用的哈希表结构体，支持自定义哈希函数和比较函数。 **4.3 函数说明** - **创建哈希表**: 使用`HASH_new()`创建新的哈希表实例。 - **插入元素**: 通过`HASH_ADD()`将键值对插入哈希表。 - **查找元素**: `HASH_FIND()`用于在哈希表中查找指定键对应的值。 **4.4 编程示例** - **创建哈希表**: `HASH_TABLE *hash = HASH_new(HASH_FUNC, HASH_CMP, NULL);` - **插入元素**: `HASH_ADD(hash, key, value);` - **查找元素**: `void *value = HASH_FIND(hash, key);` #### 五、内存分配 **5.1 OpenSSL内存分配** - **定义**: OpenSSL提供了自己的一套内存管理机制，用于替代标准库中的`malloc()`和`free()`函数。 - **优点**: 更好的安全性、效率和资源管理能力。 **5.2 内存数据结构** - **OPENSSL_malloc**: 是OpenSSL提供的内存分配函数，用于分配指定大小的内存块。 **5.3 主要函数** - **分配内存**: `OPENSSL_malloc(size_t size);` - **释放内存**: `OPENSSL_free(void *ptr);` **5.4 编程示例** - **分配内存**: `char *buf = OPENSSL_malloc(1024);` - **释放内存**: `OPENSSL_free(buf);` #### 六、动态模块加载 **6.1 动态库加载** - **定义**: 动态库加载允许在运行时加载和卸载外部库，从而增强程序的功能性和灵活性。 - **应用场景**: 在OpenSSL中，动态模块加载主要用于扩展支持更多的密码算法和功能。 **6.2 DSO概述** - **DSO**: Dynamic Shared Object，在Linux系统中用于表示动态链接库。 - **作用**: 提供了动态加载和卸载外部库的能力。 **6.3 数据结构** - **DSO_METHOD**: 描述了如何与动态加载的库交互的方法集。 - **DSO**: 表示动态共享对象本身的数据结构。 **6.4 编程示例** - **加载动态库**: `DSO *dso = DSO_new("path/to/library.so");` - **查询函数**: `void *func = DSO_get_function(dso, "function_name");` #### 七、抽象IO **7.1 OpenSSL抽象IO** - **定义**: OpenSSL提供了一种抽象的I/O模型，通过BIO（Bio Input Output）结构来实现。 - **应用场景**: 适用于各种输入输出操作，如文件读写、网络通信等。 **7.2 数据结构** - **BIO**: BIO结构体是OpenSSL中用于封装输入输出操作的主要数据结构。 **7.3 BIO函数** - **创建BIO**: `BIO *bio = BIO_new(BIO_s_file());` - **读写操作**: `int read_len = BIO_read(bio, buffer, len);` **7.4 编程示例** - **membio**: 内存中的BIO。 - **filebio**: 文件系统的BIO。 - **socketbio**: 网络通信的BIO。 - **mdBIO**: 消息摘要相关的BIO。 - **cipherBIO**: 加密解密相关的BIO。 - **sslBIO**: SSL/TLS协议相关的BIO。 #### 八、配置文件 **8.1 概述** - **定义**: OpenSSL支持通过配置文件来定制各种设置，包括证书路径、密码算法偏好等。 - **格式**: 一般采用INI文件格式。 **8.2 OpenSSL配置文件读取** - **读取**: 使用`OPENSSL_config()`函数读取配置文件。 **8.3 主要函数** - **加载配置**: `OPENSSL_config(NULL);` **8.4 编程示例** - **加载配置文件**: `if (!OPENSSL_config(NULL)) { /* 处理错误 */ }` #### 九、随机数 **9.1 随机数** - **定义**: 在密码学应用中，随机数生成器是非常重要的组件之一。 - **应用场景**: 用于密钥生成、初始化向量等。 **9.2 OpenSSL随机数数据结构与源码** - **RAND**: OpenSSL中的随机数生成器相关函数。 **9.3 主要函数** - **生成随机数**: `RAND_bytes(unsigned char *buf, int num);` **9.4 编程示例** - **生成随机数**: `unsigned char rand_buf[16]; RAND_bytes(rand_buf, sizeof(rand_buf));` #### 十、文本数据库 **10.1 概述** - **定义**: 文本数据库在OpenSSL中用于存储证书和密钥等信息。 - **应用场景**: 适用于小型应用，易于管理和维护。 **10.2 数据结构** - **X509_STORE**: 用于存储证书和CA信息的数据结构。 **10.3 函数说明** - **加载证书**: `X509_STORE_load_locations(X509_STORE *store, const char *file, const char *dir);` **10.4 编程示例** - **加载证书**: `X509_STORE *store = X509_STORE_new(); X509_STORE_load_locations(store, "cert.pem", "certs");` #### 十一、大数 **11.1 介绍** - **定义**: 在密码学中，大数运算非常重要，尤其是在RSA算法中。 - **应用场景**: 用于实现公钥密码算法中的大整数运算。 **11.2 OpenSSL大数表示** - **BN**: BIGNUM结构体是OpenSSL中用于表示大数的数据结构。 **11.3 大数函数** - **创建大数**: `BIGNUM *bn = BN_new();` - **赋值**: `BN_set_word(bn, 1024);` **11.4 使用示例** - **创建大数**: `BIGNUM *a = BN_new();` - **计算**: `BN_mod_exp(result, a, exponent, modulus, ctx);` #### 十二、BASE64编解码 **12.1 BASE64编码介绍** - **定义**: BASE64是一种二进制到文本的编码方式，主要用于将二进制数据转换为文本形式以便于在网络上传输。 - **应用场景**: 常见于邮件附件、XML文档等。 **12.2 BASE64编解码原理** - **过程**: 将每三个字节转换为四个字符，每个字符代表6位，不足的部分用‘=’填充。 **12.3 主要函数** - **编码**: `size_t base64_encoded_len(size_t input_len);` - **解码**: `size_t base64_decoded_len(const unsigned char *input, size_t input_len);` **12.4 编程示例** - **编码**: `unsigned char *encoded = base64_encode(input, input_len);` - **解码**: `unsigned char *decoded = base64_decode(encoded, encoded_len);` #### 十三、ASN1库 **13.1 ASN1简介** - **定义**: ASN.1（Abstract Syntax Notation One）是一种数据表示语言，用于描述数据的结构。 - **应用场景**: 用于定义证书、公钥等数据结构。 **13.2 DER编码** - **定义**: DER（Distinguished Encoding Rules）是ASN.1的一种编码规则，用于唯一地编码ASN.1数据。 - **特点**: 确保数据在不同系统间传输时的一致性。 **13.3 ASN1基本类型示例** - **ASN1_INTEGER**: 表示整数类型。 - **ASN1_STRING**: 表示字符串类型。 **13.4 OpenSSL的ASN.1库** - **实现**: 包括ASN.1数据类型的定义和操作函数。 **13.5 用OpenSSL的ASN.1库DER编解码** - **编码**: `unsigned char *der_encoded = ASN1_item_d2i(...);` - **解码**: `ASN1_ITEM *item = ASN1_item_i2d(...);` **13.6 OpenSSL的ASN.1宏** - **宏定义**: 提供了一系列用于简化ASN.1操作的宏。 **13.7 ASN1常用函数** - **创建对象**: `ASN1_OBJECT *obj = OBJ_txt2obj("oid", 1);` - **获取OID**: `const char *oid = OBJ_nid2sn(OBJ_obj2nid(obj));` **13.8 属性证书编码** - **定义**: 属性证书是用于描述用户属性信息的证书。 - **应用场景**: 用于身份验证、权限控制等。 #### 十四、错误处理 **14.1 概述** - **定义**: 错误处理是任何软件开发中不可或缺的一部分。 - **应用场景**: 用于检测和处理运行时出现的错误。 **14.2 数据结构** - **ERR_LIB**: 表示错误库标识符。 - **ERR_REASON**: 表示具体的错误原因。 **14.3 主要函数** - **获取错误**: `unsigned long ERR_get_error();` - **错误信息**: `char *ERR_reason_error_string(unsigned long e);` **14.4 编程示例** - **捕获错误**: `if (rc == 0) { unsigned long err = ERR_get_error(); printf("Error occurred: %s\n", ERR_reason_error_string(err)); }` #### 十五、摘要与HMAC **15.1 概述** - **定义**: 摘要算法用于生成数据的摘要值，而HMAC则是一种基于摘要算法的身份验证机制。 - **应用场景**: 用于数据完整性的验证。 **15.2 OpenSSL摘要实现** - **MD5**: `unsigned char *md5 = MD5_final(MD5_CTX *c);` - **SHA-1**: `unsigned char *sha1 = SHA1_final(SHA_CTX *c);` **15.3 函数说明** - **计算摘要**: `int EVP_DigestFinal_ex(EVP_MD_CTX *ctx, unsigned char *md, unsigned int *s);` **15.4 编程示例** - **计算摘要**: `unsigned char digest[EVP_MAX_MD_SIZE]; unsigned int digest_len; EVP_DigestFinal_ex(ctx, digest, &digest_len);` **15.5 HMAC** - **定义**: HMAC（Hash-based Message Authentication Code）是一种基于摘要算法的认证码。 - **应用场景**: 用于验证数据的完整性和来源的真实性。 #### 十六、数据压缩 **16.1 简介** - **定义**: 数据压缩技术可以减少数据占用的空间，提高存储和传输效率。 - **应用场景**: 适用于网络传输、文件存储等场景。 **16.2 数据结构** - **Z_BIO**: OpenSSL中用于实现数据压缩和解压的BIO结构。 **16.3 函数说明** - **压缩**: `int Z_BIO_ctrl(Z_BIO *z, int cmd, ...);` - **解压**: 同上，通过不同的命令参数实现。 **16.4 OpenSSL中压缩算法协商** - **定义**: 在某些场景下，需要双方协商确定使用哪种压缩算法。 **16.5 编程示例** - **压缩**: `Z_BIO *z = Z_BIO_new(ZLIB_bio_method());` - **解压**: `Z_BIO *z = Z_BIO_new(ZLIB_bio_method());` #### 十七、RSA **17.1 RSA介绍** - **定义**: RSA是一种公钥加密算法，由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman于1977年提出。 - **应用场景**: 广泛应用于安全通信、数字签名等领域。 **17.2 OpenSSL的RSA实现** - **实现**: OpenSSL提供了完整的RSA算法实现，包括密钥生成、加密解密、签名验证等功能。 **17.3 RSA签名与验证过程** - **签名**: 使用私钥对数据进行签名。 - **验证**: 使用公钥验证签名的有效性。 **17.4 数据结构** - **RSA_METHOD**: 定义了RSA算法的实现方法。 - **RSA**: 表示RSA密钥的结构体。 **17.5 主要函数** - **密钥生成**: `RSA *rsa = RSA_new();` - **加密解密**: `int RSA_public_encrypt(int flen, const unsigned char *from, unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);` **17.6 编程示例** - **密钥生成**: ```c RSA *rsa = RSA_new(); BIGNUM *e = BN_new(); BN_set_word(e, RSA_F4); RSA_generate_key_ex(rsa, 2048, e, NULL); ``` - **RSA加解密运算**: ```c int len; unsigned char *plaintext = ...; unsigned char *ciphertext = ...; len = RSA_public_encrypt(strlen((const char *)plaintext), plaintext, ciphertext, rsa, RSA_PKCS1_PADDING); ``` - **签名与验证**: ```c unsigned char *data = ...; unsigned char *signature = ...; int sign_len; sign_len = RSA_sign(NID_sha256, data, strlen((const char *)data), signature, &sig_len, rsa); ``` #### 十八、DSA **18.1 DSA简介** - **定义**: DSA（Digital Signature Algorithm）是一种用于生成数字签名的算法。 - **应用场景**: 用于数字签名，保证数据的完整性和不可否认性。 **18.2 OpenSSL的DSA实现** - **实现**: OpenSSL提供了DSA算法的实现，包括密钥生成、签名生成与验证等功能。 **18.3 DSA数据结构** - **DSA**: 表示DSA密钥的结构体。 **18.4 主要函数** - **密钥生成**: `DSA *dsa = DSA_new();` - **签名生成**: `int DSA_sign(DSA *dsa, const unsigned char *digest, int dlen, unsigned char *sig, unsigned int *siglen);` **18.5 编程示例** - **密钥生成**: ```c DSA *dsa = DSA_new(); DSA_generate_parameters(1024, &dsa->p, &dsa->q, &dsa->g, NULL, NULL, NULL); ``` 以上内容覆盖了OpenSSL源码分析的核心知识点，包括基础知识、具体功能模块及其应用场景等，有助于深入理解和掌握OpenSSL的核心技术和实际应用。