想要入门密码学的基础知识，尤其是有关 OpenSSL 的入门知识吗？继续阅读。
本文是使用 OpenSSL 的密码学基础知识的两篇文章中的第一篇，OpenSSL 是在 Linux 和其他系统上流行的生产级库和工具包。（要安装 OpenSSL 的最新版本，请参阅这里。）OpenSSL 实用程序可在命令行使用，程序也可以调用 OpenSSL 库中的函数。本文的示例程序使用的是 C 语言，即 OpenSSL 库的源语言。
本系列的两篇文章涵盖了加密哈希、数字签名、加密和解密以及数字证书。你可以从我的网站的 ZIP 文件中找到这些代码和命令行示例。
让我们首先回顾一下 OpenSSL 名称中的 SSL。
OpenSSL 简史
安全套接字层 Secure Socket Layer （SSL）是 Netscape 在 1995 年发布的一种加密协议。该协议层可以位于 HTTP 之上，从而为 HTTPS 提供了 S： 安全 secure 。SSL 协议提供了各种安全服务，其中包括两项在 HTTPS 中至关重要的服务：
- 对等身份验证 Peer authentication （也称为相互质询）：连接的每一边都对另一边的身份进行身份验证。如果 Alice 和 Bob 要通过 SSL 交换消息，则每个人首先验证彼此的身份。
- 机密性 Confidentiality ：发送者在通过通道发送消息之前先对其进行加密。然后，接收者解密每个接收到的消息。此过程可保护网络对话。即使窃听者 Eve 截获了从 Alice 到 Bob 的加密消息（即中间人攻击），Eve 会发现他无法在计算上解密此消息。
反过来，这两个关键 SSL 服务与其他不太受关注的服务相关联。例如，SSL 支持消息完整性，从而确保接收到的消息与发送的消息相同。此功能是通过哈希函数实现的，哈希函数也随 OpenSSL 工具箱一起提供。
SSL 有多个版本（例如 SSLv2 和 SSLv3），并且在 1999 年出现了一个基于 SSLv3 的类似协议 传输层安全性 Transport Layer Security （TLS）。TLSv1 和 SSLv3 相似，但不足以相互配合工作。不过，通常将 SSL/TLS 称为同一协议。例如，即使正在使用的是 TLS（而非 SSL），OpenSSL 函数也经常在名称中包含 SSL。此外，调用 OpenSSL 命令行实用程序以 openssl 开始。
除了 man 页面之外，OpenSSL 的文档是零零散散的，鉴于 OpenSSL 工具包很大，这些页面很难以查找使用。命令行和代码示例可以将主要主题集中起来。让我们从一个熟悉的示例开始（使用 HTTPS 访问网站），然后使用该示例来选出我们感兴趣的加密部分进行讲述。
一个 HTTPS 客户端
此处显示的 client 程序通过 HTTPS 连接到 Google：
/* compilation: gcc -o client client.c -lssl -lcrypto */
#include
#include
#include /* BasicInput/Output streams */
#include /* errors */
#include /* core library */
#define BuffSize 1024
void report_and_exit(const char* msg) {
perror(msg);
ERR_print_errors_fp(stderr);
exit(-1);
}
void init_ssl() {
SSL_load_error_strings();
SSL_library_init();
}
void cleanup(SSL_CTX* ctx, BIO* bio) {
SSL_CTX_free(ctx);
BIO_free_all(bio);
}
void secure_connect(const char* hostname) {
char name[BuffSize];
char request[BuffSize];
char response[BuffSize];
const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method();
if (NULL == method) report_and_exit("TLSv1_2_client_method...");
SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method);
if (NULL == ctx) report_and_exit("SSL_CTX_new...");
BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);
if (NULL == bio) report_and_exit("BIO_new_ssl_connect...");
SSL* ssl = NULL;
/* 链路 bio 通道，SSL 会话和服务器端点 */
sprintf(name, "%s:%s", hostname, "https");
BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 会话 */
SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 鲁棒性 */
BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 准备连接 */
/* 尝试连接 */
if (BIO_do_connect(bio) |Alice's private key|---> Bob's msg
+------------------+ +-------------------+
理论上可以在没有 Alice 的私钥的情况下解密消息，但在实际情况中，如果使用像 RSA 这样的加密密钥对系统，则在计算上做不到。
现在，第二个示例，请对文档签名以证明其真实性。签名算法使用密钥对中的私钥来处理要签名的文档的加密哈希：
+-------------------+
Hash of document--->|Alice's private key|--->Alice's digital signature of the document
+-------------------+
假设 Alice 以数字方式签署了发送给 Bob 的合同。然后，Bob 可以使用 Alice 密钥对中的公钥来验证签名：
+------------------+
Alice's digital signature of the document--->|Alice's public key|--->verified or not
+------------------+
假若没有 Alice 的私钥，就无法轻松伪造 Alice 的签名：因此，Alice 有必要保密她的私钥。
在 client 程序中，除了数字证书以外，这些安全性都没有明确展示。下一篇文章使用使用 OpenSSL 实用程序和库函数的示例填充更多详细的信息。
命令行的 OpenSSL
同时，让我们看一下 OpenSSL 命令行实用程序：特别是在 TLS 握手期间检查来自 Web 服务器的证书的实用程序。调用 OpenSSL 实用程序可以使用 openssl 命令，然后添加参数和标志的组合以指定所需的操作。
看看以下命令：
openssl list-cipher-algorithms
该输出是组成 加密算法套件 cipher suite 的相关算法的列表。下面是列表的开头，加了澄清首字母缩写词的注释：
AES-128-CBC ## Advanced Encryption Standard, Cipher Block Chaining
AES-128-CBC-HMAC-SHA1 ## Hash-based Message Authentication Code with SHA1 hashes
AES-128-CBC-HMAC-SHA256 ## ditto, but SHA256 rather than SHA1
...
下一条命令使用参数 s_client 将打开到 www.google.com 的安全连接，并在屏幕上显示有关此连接的所有信息：
openssl s_client -connect www.google.com:443 -showcerts
端口号 443 是 Web 服务器用于接收 HTTPS（而不是 HTTP 连接）的标准端口号。（对于 HTTP，标准端口为 80）Web 地址 www.google.com:443 也出现在 client 程序的代码中。如果尝试连接成功，则将显示来自 Google 的三个数字证书以及有关安全会话、正在使用的加密算法套件以及相关项目的信息。例如，这是开头的部分输出，它声明证书链即将到来。证书的编码为 base64：
Certificate chain
0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google LLC/CN=www.google.com
i:/C=US/O=Google Trust Services/CN=Google Internet Authority G3
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIEijCCA3KgAwIBAgIQdCea9tmy/T6rK/dDD1isujANBgkqhkiG9w0BAQsFADBU
MQswCQYDVQQGEwJVUzEeMBwGA1UEChMVR29vZ2xlIFRydXN0IFNlcnZpY2VzMSUw
...
诸如 Google 之类的主要网站通常会发送多个证书进行身份验证。
输出以有关 TLS 会话的摘要信息结尾，包括加密算法套件的详细信息：
SSL-Session:
Protocol : TLSv1.2
Cipher : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256
Session-ID: A2BBF0E4991E6BBBC318774EEE37CFCB23095CC7640FFC752448D07C7F438573
...
client 程序中使用了协议 TLS 1.2，Session-ID 唯一地标识了 openssl 实用程序和 Google Web 服务器之间的连接。Cipher 条目可以按以下方式进行解析：
ECDHE（ 椭圆曲线 Diffie-Hellman（临时） Elliptic Curve Diffie Hellman Ephemeral ）是一种用于管理 TLS 握手的高效的有效算法。尤其是，ECDHE 通过确保连接双方（例如，client程序和 Google Web 服务器）使用相同的加密/解密密钥（称为会话密钥）来解决“密钥分发问题”。后续文章会深入探讨该细节。RSA（Rivest Shamir Adleman）是主要的公共密钥密码系统，并以 1970 年代末首次描述了该系统的三位学者的名字命名。这个正在使用的密钥对是使用 RSA 算法生成的。AES128（ 高级加密标准 Advanced Encryption Standard ）是一种 块式加密算法 block cipher ，用于加密和解密 位块 blocks of bits 。（另一种算法是 流式加密算法 stream cipher ，它一次加密和解密一个位。）这个加密算法是对称加密算法，因为使用同一个密钥进行加密和解密，这首先引起了密钥分发问题。AES 支持 128（此处使用）、192 和 256 位的密钥大小：密钥越大，安全性越好。
通常，像 AES 这样的对称加密系统的密钥大小要小于像 RSA 这样的非对称（基于密钥对）系统的密钥大小。例如，1024 位 RSA 密钥相对较小，而 256 位密钥则当前是 AES 最大的密钥。
GCM（ 伽罗瓦计数器模式 Galois Counter Mode ）处理在安全对话期间重复应用的加密算法（在这种情况下为 AES128）。AES128 块的大小仅为 128 位，安全对话很可能包含从一侧到另一侧的多个 AES128 块。GCM 非常有效，通常与 AES128 搭配使用。SHA256（ 256 位安全哈希算法 Secure Hash Algorithm 256 bits ）是我们正在使用的加密哈希算法。生成的哈希值的大小为 256 位，尽管使用 SHA 甚至可以更大。
加密算法套件正在不断发展中。例如，不久前，Google 使用 RC4 流加密算法（RSA 的 Ron Rivest 后来开发的 Ron’s Cipher 版本 4）。 RC4 现在有已知的漏洞，这大概部分导致了 Google 转换为 AES128。
总结
我们通过安全的 C Web 客户端和各种命令行示例对 OpenSSL 做了首次了解，使一些需要进一步阐明的主题脱颖而出。下一篇文章会详细介绍，从加密散列开始，到对数字证书如何应对密钥分发挑战为结束的更全面讨论。
via: https://opensource.com/article/19/6/cryptography-basics-openssl-part-1
作者：Marty Kalin 选题：lujun9972 译者：wxy 校对：wxy
本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出
