SSL高级加密网络通信

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接层),及其继任者传输层安全(Transport Layer Security,TLS)是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层对网络连接进行加密。

  SSL (Secure Socket Layer)   为Netscape所研发,用以保障在Internet上数据传输之安全,利用数据加密(Encryption)技术,可确保数据在网络上之传输过程中不会被截取及窃听。目前一般通用之规格为40 bit之安全标准,美国则已推出128 bit之更高安全标准,但限制出境。只要3.0版本以上之I.E.或Netscape浏览器即可支持SSL。   当前版本为3.0。它已被广泛地用于Web浏览器与服务器之间的身份认证和加密数据传输。  

 SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间,为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层: SSL记录协议(SSL Record Protocol):它建立在可靠的传输协议(如TCP)之上,为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。 SSL握手协议(SSL Handshake Protocol):它建立在SSL记录协议之上,用于在实际的数据传输开始前,通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。   

SSL协议提供的服务主要有:

  1)认证用户和服务器,确保数据发送到正确的客户机和服务器;  

 2)加密数据以防止数据中途被窃取;  

 3)维护数据的完整性,确保数据在传输过程中不被改变。   

SSL协议的工作流程:  

 服务器认证阶段:

1)客户端向服务器发送一个开始信息“Hello”以便开始一个新的会话连接;

2)服务器根据客户的信息确定是否需要生成新的主密钥,如需要则服务器在响应客户的“Hello”信息时将包含生成主密钥所需的信息;

3)客户根据收到的服务器响应信息,产生一个主密钥,并用服务器的公开密钥加密后传给服务器;

4)服务器恢复该主密钥,并返回给客户一个用主密钥认证的信息,以此让客户认证服务器。   

用户认证阶段:在此之前,服务器已经通过了客户认证,这一阶段主要完成对客户的认证。经认证的服务器发送一个提问给客户,客户则返回(数字)签名后的提问和其公开密钥,从而向服务器提供认证。  

 从SSL 协议所提供的服务及其工作流程可以看出,SSL协议运行的基础是商家对消费者信息保密的承诺,这就有利于商家而不利于消费者。在电子商务初级阶段,由于运作电子商务的企业大多是信誉较高的大公司,因此这问题还没有充分暴露出来。但随着电子商务的发展,各中小型公司也参与进来,这样在电子支付过程中的单一认证问题就越来越突出。虽然在SSL3.0中通过数字签名和数字证书可实现浏览器和Web服务器双方的身份验证,但是SSL协议仍存在一些问题,比如,只能提供交易中客户与服务器间的双方认证,在涉及多方的电子交易中,SSL协议并不能协调各方间的安全传输和信任关系。在这种情况下,Visa和 MasterCard两大信用卡公组织制定了SET协议,为网上信用卡支付提供了全球性的标准。


我们来亲自实现SSL网络通信

客户端代码实现如下,请见注释分析

 

#include "commonlib.h"
#define CAFILE DATA_DIR"\\rootcert.pem"
#define CADIR NULL
#define CLNTCERT DATA_DIR"\\client.pem"
SSL_CTX *setup_client_ctx(void)
{
    //生成支持SSL2.0或SSL3.0的上下文对象
    SSL_CTX *ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_method());
    //载入证书路径
    if (SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, CAFILE, CADIR) != 1)
        int_error("载入CA文件出错");
    //设置缺省证书校验路径
    if (SSL_CTX_set_default_verify_paths(ctx) != 1)
        int_error("载入默认CA文件出错");
    //以下两句载入客户端私钥证书
    if (SSL_CTX_use_certificate_chain_file(ctx, CLNTCERT) != 1)
        int_error("载入客户端证书文件出错");
    //读入客户端私钥,需要提供该私钥的保护口令
    if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, CLNTCERT,SSL_FILETYPE_PEM) != 1)
        int_error("从客户端证书文件中载入私钥出错");
    //设置为要求校验对方(服务器方)证书
    SSL_CTX_set_verify(ctx, SSL_VERIFY_PEER, verify_callback);
    //设置校验最大路径长度
    SSL_CTX_set_verify_depth(ctx, 4);
    return ctx;
 }
int do_client_task(SSL *ssl)
{
    int outlen;
    int leftlen;
    char buf[80];
    printf("请输入字符串发送给服务器:\n");
    if ( !fgets(buf, sizeof(buf), stdin) ) return 0;
    printf("\n");
    leftlen=(int)strlen(buf);
    while(leftlen>0)
    {
        //通过ssl通道发送数据到服务器
        outlen = SSL_write(ssl, buf + strlen(buf)-leftlen, leftlen);
        if (outlen < 0) return 0;//出错
        if (outlen == 0) break;//发送完毕
        leftlen -=outlen;
    }
    return 1;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    BIO *bio_con;
    SSL_CTX *ctx;
    SSL *ssl;//ssl对象
    long err;
    init_OpenSSL();//初始化OPENSSL库
    seed_prng();//初始化随机数源
    ctx = setup_client_ctx();//设置客户端上下文
    //建立到服务器指定端口的连接BIO
    bio_con = BIO_new_connect(SERVER ":" PORT);
    if (!bio_con)
    {
        int_error("创建连接BIO出错");
    }
    if (BIO_do_connect(bio_con) <= 0)
    {
        int_error("连接服务器出错");
    }
    //创建SSL对象
    if (!(ssl = SSL_new(ctx)))
    {
        int_error("创建SSL对象出错");
    }
    //将SSL对象和连接BIO关联起来
    SSL_set_bio(ssl, bio_con, bio_con);
    //执行SSL握手
    if (SSL_connect(ssl) <= 0)
    {
        int_error("SSL握手连接失败");
    }
    //执行SSL连接后检查
    //若收到得服务器证书不是认证“server”(我们生成证书时这么写的),则返回错误
    if ((err = post_connection_check(ssl, "server")) != X509_V_OK)
    {
        fprintf(stderr, "-错误:连接方证书: %s\n",X509_verify_cert_error_string(err));
        int_error("连接后SSL对象检查时出错");
    }
    printf("SSL连接已经打开\n");
    if (do_client_task(ssl))
    {
        SSL_shutdown(ssl);//关闭SSL连接
    }
    else
    {
        SSL_clear(ssl);//清除SSL连接状态
    }
    printf("SSL连接已经关闭\n");
    SSL_free(ssl);//释放ssl对象
    SSL_CTX_free(ctx);//释放ssl上下文对象
    return 0;
}

 

服务端代码实现如下,请见注释分析 

 

#include "commonlib.h"
#define CAFILE DATA_DIR"\\rootcert.pem"
#define CADIR NULL
#define SRVCERT DATA_DIR"\\server.pem"
SSL_CTX *setup_server_ctx(void)
{
    //生成支持SSL2.0或SSL3.0的上下文对象
    SSL_CTX *ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_method());
    //载入证书路径
    if (SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, CAFILE, CADIR) != 1)
        int_error("载入CA文件出错");
    //设置缺省证书校验路径
    if (SSL_CTX_set_default_verify_paths(ctx) != 1)
        int_error("载入默认CA文件出错");
    //载入服务器端私钥证书链
    if (SSL_CTX_use_certificate_chain_file(ctx, SRVCERT) != 1)
        int_error("载入客户端证书文件出错");
    //读入服务器私钥,需要提供该私钥的保护口令
    if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, SRVCERT,SSL_FILETYPE_PEM) != 1)
        int_error("从客户端证书文件中载入私钥出错");
    //设置为要求强制校验对方(客户端)证书
    SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER|SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT,verify_callback);
    //设置校验最大路径长度
    SSL_CTX_set_verify_depth(ctx, 4);
    return ctx;
}
int do_server_task(SSL* ssl)
{
    int inlen, nread;
    char buf[80];
    printf("从客户端接收到:\n");
    for ( nread = 0; nread < sizeof(buf); nread += inlen )
    {
        //通过BIO连接读入数据,读满缓冲区或者对方关闭返回
        inlen = SSL_read(ssl, buf+nread,sizeof(buf)-nread);
        if ( inlen <=0 ) break;//出错或客户端无数据
        fwrite(buf+nread, 1,inlen, stdout);//将接收到的信息打印到标准输出
    }
    return (SSL_get_shutdown(ssl) & SSL_RECEIVED_SHUTDOWN) ? 1:0;
}
void _cdecl server_thread(void *arg)
{
    long err;
    SSL *ssl = (SSL *)arg;
    //执行SSL握手
    if (SSL_accept(ssl) <= 0)
    {
        int_error("SSL握手出错");
    }
    printf("SSL连接已经打开\n");
    //执行SSL连接后检查
    //若收到得客户端证书不是认证“client”(我们生成证书时这么写的),则返回错误
    if ((err = post_connection_check(ssl, "client")) != X509_V_OK)
    {
        fprintf(stderr, "-错误:连接方证书: %s\n",
                            X509_verify_cert_error_string(err));
        int_error("连接后SSL对象检查出错");
    }
    if (do_server_task(ssl)) //执行服务器端连接循环
    {
        SSL_shutdown(ssl);//关闭SSL连接
    }
    else
    {
        SSL_clear(ssl);//清除SSL连接
    }
    printf("SSL 连接已经关闭\n");
    SSL_free(ssl);//释放ssl对象
    ERR_remove_state(0);//清除错误状态
    _endthread();//结束线程
}
 int main(int argc, char *argv[])
 {
     BIO *bio_acc, *bio_clnt;
     DWORD tid;//线程id
     SSL_CTX *ctx;
     SSL *ssl;
     init_OpenSSL();//初始化OPENSSL库
     seed_prng();//初始化随机数源
     ctx = setup_server_ctx();//初始化服务器设置
     bio_acc = BIO_new_accept(PORT);
     if (NULL==bio_acc)
     {
         int_error("创建服务器套接字时出错");
     }
     if (BIO_do_accept(bio_acc) <= 0)
     {
         int_error("绑定到服务器套接字时出错");
     }
     for (;;)
     {
         if (BIO_do_accept(bio_acc) <= 0)
         {
             int_error("接受连接时出错");
         }
         //取出当前连接
         bio_clnt = BIO_pop(bio_acc);
         if (!(ssl = SSL_new(ctx)))
         {
             int_error("创建SSL对象出错");
         }
         //将SSL对象和连接BIO关联起来
         SSL_set_bio(ssl, bio_clnt, bio_clnt);
         //建立子线程处理该连接,并将ssl连接作为参数传入该子线程
         THREAD_CREATE(tid, server_thread, ssl);
     }
     SSL_CTX_free(ctx);//释放ssl上下文对象
     BIO_free(bio_acc);//释放服务器套节字
     return 0;
 }