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OpenSSL使用指南
0.6a
目录
0．密码基础abc
1．介绍intro
2．编译build
3．运行OpenSSL.exeopenssl_exe
4．算法编程APIAlg_API
4.1对称算法
4.1.1DES
4.1.2AES
4.1.3RC4
4.1.4EVP_
4.2公钥算法
4.3Hash算法
4.4随机数算法
5．SSL协议编程APISSL
6．CA和证书CA
7．参考网址REF
8．
A．示例程序demo
B．
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0．密码基础
本节介绍一些必须事先了解的密码学知识和密码算法。密码算法都是公开的，保密应该
依赖于密钥的保密，而不是算法的保密。
0.1对称加密
网络中分组和报文一般以明文方式传输。为了避免被偷听而泄露，需要加密。传统上使
用对称算法加密，后来出现了非对称算法，即公钥算法。
对称加密算法中，明文P，密钥K，密文C，加密算法E，解密算法D：
加密E（P，K）=C
解密D（C，K）=P
为了方便一般使E=D。{在理解上方便，可以认为E=D=XOR。}
主要问题在于达成一致密钥的困难性。由于密钥需要保密，因此需要事先秘密约定，或
者用额外的安全信道来传输。
主要的对称算法有DES、AES、RC4等。
0.2Diffie-Hellman密钥协商协议
D-H是一个用来在公开信道协商密钥的协议。D-H协议依赖这样一个计算上困难的数学
问题，即下式中求y是容易的，而知道y求x是困难的。该问题叫离散对数问题。
g^xmodp=y
A、B双方各自选择秘密数Xa和Xb，交换Ya=g^Xamodp和Yb=g^Xbmodp，并各自分
别计算Ka=Yb^Xamodp和Kb=Ya^Xbmodp。事实上Ka=Kb，而且，他人从Y得不到K。
该协议简单有效，不依赖于任何事先的秘密约定，广泛用在IPSec/VPN等很多需要在线
协商密钥的场合。但是该协议中没有关于通信双方身份的鉴别，因此存在中间人攻击。
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0.3公钥算法
密钥分为加密钥和解密钥两部分：K=(K1,K2)，K1公开发布，且从K1难于推导出K2。
加密E（P，K1）=C
解密D（C，K2）=P
下面介绍的RSA算法是公钥算法的典型代表和事实标准。
选取随机大素数p和q，选定e计算d满足ed=k(p-1)(q-1)+1，记n=pq，则公钥(e,n)，
私钥(d,n)。公钥要发布，私钥要保密。加密消息m：
加密m^emodn=c
解密c^dmodn=m
RSA算法是基于因子分解问题的困难性的。另有基于离散对数问题的ElGamal类等公钥
算法。
0.4数字签名
RSA算法可以用来签名。
用户对消息m的签名是通过用户对m执行了一种特定的操作，这种操作的结果能够被公
开地验证，也能抗伪造。
对消息m的签名s定义为：
签名m^dmodn=s
验证s^emodn=?m
0.5HASH算法
为了使用方便和提高速度，一般不是直接对m签名，而是对m的散列值签名。这要求找
和m有相同散列值的消息m’是困难的。
主要的HASH函数有MD5和SHA1等。
0.6完整性
为了发现对消息的篡改，可以对消息做数字签名。
对于明文传输，也可以给明文增加带key的HASH校验值，这叫MAC码。
对于密文传输，也可以在加密前给明文增加不带key的HASH值，然后加密。
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0.7HMAC
用某种Hash算法结合key计算MAC的算法和标准。可以理解为
HMAC(Message,Key):=Hash(Message||Key)
发送时发送Message||HMAC(Message,Key)，接收方考察是否还满足该结构特征，如果
不满足就认为有破坏完整性的篡改企图发生。
与之相对，对密文的完整性保护是这样的：
ENC（Message||Hash(Message),Key）
0.9混合密码体制
由于公钥算法太慢，因此实际使用的时候常用公钥算法传输会话密钥，再用对称算法和
会话密钥加密批量数据。
签名也必须使用公钥算法。对称算法不能用来签名。
0.10公钥的发布问题
公钥的发布是公钥体制的核心。一般设立权威中心，由中心以数字签名的方式签发公钥，
即证书。证书中包含的信息主要有公钥、持有人信息、密钥用途说明、有效期、签发人信
息和签发人的数字签名。
0.11身份鉴别
如何鉴别通信的对方是否是所期望的人呢？
如果有了对方的证书/公钥，则可让对方签名来看看。如果签出能被这个公钥验证的名，
则对方有对应私钥，是真的；否则就是假冒的。
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1．介绍
OpenSSL是使用非常广泛的SSL的开源实现。由于其中实现了为SSL所用的各种加密算
法，因此OpenSSL也是被广泛使用的加密函数库。
1.1SSL
SSL(SecureSocketLayer)安全协议是由Netscape公司首先提出，最初用在保护
Navigator浏览器和Web服务器之间的HTTP通信(即HTTPS)。后来SSL协议成为传输层安
全通信事实上的标准，并被IETF吸收改进为TLS(TransportLayerSecurity)协议。
SSL/TLS协议位于TCP协议和应用层协议之间，为传输双方提供认证、加密和完整性保
护等安全服务。SSL作为一个协议框架，通信双方可以选用合适的对称算法、公钥算法、MAC
算法等密码算法实现安全服务。
1.2SSL的工作原理
参见http://developer.netscape.com/tech/security/ssl/howitworks.html。
1.3OpenSSL
OpenSSL是著名的SSL的开源实现，是用C语言实现的。
OpenSSL的前身是SSLeay，一个由EricYoung开发的SSL的开源实现，支持SSLv2/v3
和TLSv1。
伴随着SSL协议的普及应用，OpenSSL被广泛应用在基于TCP/Socket的网络程序中，
尤其是OpenSSL和Apache相结合，是很多电子商务网站服务器的典型配置。
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2．编译和安装OpenSSL
OpenSSL开放源代码，这对学习、分析SSL和各种密码算法提供了机会，也便于在上面
进一步开发。
2.1获得OpenSSL
到OpenSSL的网站即可下载当前版本的OpenSSL源代码压缩包。
当前版本openssl-0.9.8.tar.gz，只有3M多，比较精简。解压缩后得到一个目录
openssl-0.9.8，共有约1800个文件，15M。其中crypto子目录中是众多密码算法实现，
ssl子目录中是SSL协议的实现。
在Linux中解压缩：
$tarzxfopenssl-0.9.8.tar.gz
在Windows中可以使用winzip或winrar。
2.2编译工具
编译OpenSSL需要Perl和C编译器。在Windows下如果要用加密算法的汇编代码实现，
还需要masm或nasm汇编器。(汇编代码可以比C代码显著提高密码运算速度)
Perl在Windows下推荐使用ActivePerl。
C编译器可以使用gcc。在Windows下可以使用VisualC++编译器。
汇编器推荐使用nasm。
这些工具所在目录必须加入到PATH环境变量中去。
2.3编译和安装步骤
查看./readme是个好习惯。从readme了解到需要进一步查看INSTALL和INSTALL.W32
文件。
在Windows中：
>perlConfigureVC-WIN32
>ms\do_nasm(如果不使用汇编代码实现，则可>ms\do_ms)
>nmake-fms\ntdll.mak
>cdout32dll
>..\ms\test
编译结果得到头文件、链接库、运行库和openssl.exe工具。头文件位于./inc32或
者./inculde目录，有一个openssl子目录，内有几十个.h文件。链接库即./out32dll目
录中的libeay32.lib和ssleay32.lib，分别是密码算法相关的和ssl协议相关的。运行
库是./out32dll目录中的libeay32.dll和ssleay32.dll，和链接库相对应。在./out32dll
中还有一个工具openssl.exe，可以直接用来测试性能、产生RSA密钥、加解密文件，甚至
可以用来维护一个测试用的CA。
在Linux中的编译和安装步骤较简单：
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$./config
$make
$maketest
$makeinstall
在Linux下，头文件、库文件、工具都已被安装放到了合适的位置。库文件是.a或.so
格式。
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3．使用OpenSSL.exe
使用OpenSSL.exe(Linux中可执行文件名是openssl)可以做很多工作，是一个很好的测
试或调试工具。
3.1版本和编译参数
显示版本和编译参数：>opensslversion-a
3.2支持的子命令、密码算法
查看支持的子命令：>openssl?
SSL密码组合列表：>opensslciphers
3.3测试密码算法速度
测试所有算法速度：>opensslspeed
测试RSA速度：>opensslspeedrsa
测试DES速度：>opensslspeeddes
3.4RSA密钥操作
产生RSA密钥对：>opensslgenrsa-out1.key1024
取出RSA公钥：>opensslrsa-in1.key-pubout-out1.pubkey
3.5加密文件
加密文件：>opensslenc-e-rc4-in1.key-out1.key.enc
解密文件：>opensslenc-d-rc4-in1.key.enc-out1.key.dec
3.6计算Hash值
计算文件的MD5值：>opensslmd5<1.key
计算文件的SHA1值：>opensslsha1<1.key
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4．算法编程API
OpenSSL中支持众多的密码算法，并提供了很好的封装和接口。密码算法主要分为如下
几类：对称算法、公钥算法、散列算法、随机数产生算法等。
OpenSSL的目标是实现安全协议。其中相关协议和标准包括：SSL/TLS、PKCS#1、PCKS#10、
X.509、PEM、OCSP等。
4.1对称算法接口
OpenSSL中实现的对称算法太多，举三个例子：DES、AES、RC4。
4.1.1DES
DES加密算法是分组算法。DES的基本操作是把64比特明文在56比特密钥指引下加密
成64比特密文。在实际使用中把密钥看作64比特可以更方便。
DES（IN，KEY）=OUT
(1)DESECB模式
在OpenSSL中ECB操作模式对应的函数是DES_ecb_encrypt()，该函数把一个8字节明
文分组input加密成为一个8字节密文分组output。参数中密钥结构ks是用函数
DES_set_key()准备好的，而密钥key是用随机数算法产生的64个随机比特。参数enc指
示是加密还是解密。该函数每次只加密一个分组，因此用来加密很多数据时不方便使用。
voidDES_ecb_encrypt(const_DES_cblockinput,DES_cblockoutput,
DES_key_scheduleks,intenc);
intDES_set_key(const_DES_cblockkey,DES_key_scheduleschedule);
(2)DESCBC模式
DES算法CBC操作模式加解密函数是DES_ncbc_encrypt()。参数length指示输入字节
长度。如果长度不是8字节的倍数，则会被用0填充到8字节倍数。因此，输出可能比length
长，而且必然是8字节的倍数。
voidDES_ncbc_encrypt(constunsignedcharinput,unsignedcharoutput,long
length,DES_key_scheduleschedule,DES_cblockivec,intenc);
(3)DESCFB模式
DES算法CFB操作模式加解密函数是DES_cfb_encrypt()。参数length指示输入字节长
度。参数numbits则指示了CFB每次循环加密多少明文比特，也即密文反馈的比特数目。
ivec是初始向量，被看做第0个密文分组，是不用保密但应随机取值的8个字节。如果在
一次会话中数次调用DES_cfb_encrypt()，则应该记忆ivec。由于CFB模式中每次DES基
本操作只加密numbits比特明文，因此如果numbits太小则效率太低。
voidDES_cfb_encrypt(constunsignedcharin,unsignedcharout,intnumbits,
longlength,DES_key_scheduleschedule,DES_cblockivec,intenc);
另有一个numbit是64比特的版本，既高效又没有填充的麻烦，推荐使用。num中的返
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回值指示了ivec中的状态，是和下次调用衔接的。
voidDES_cfb64_encrypt(constunsignedcharin,unsignedcharout,longlength,
DES_key_scheduleschedule,DES_cblockivec,intnum,intenc)；
(4)DESOFB模式
OFB和CFB类似，也有两个函数，用法一样。
voidDES_ofb_encrypt(constunsignedcharin,unsignedcharout,int
numbits,longlength,DES_key_scheduleschedule,DES_cblockivec);
voidDES_ofb64_encrypt(constunsignedcharin,unsignedcharout,long
length,DES_key_scheduleschedule,DES_cblockivec,intnum);
(5)DES函数示例程序
见附件A.1。
4.1.2AES
AES加密算法是分组算法。典型参数的AES的基本操作是把128比特明文在128比特密
钥指引下加密成128比特密文。
AES（IN，KEY）=OUT
OpenSSL中关于AES的函数名和参数接口和DES的雷同。相关函数名如下(参数略)。
intAES_set_encrypt_key();
intAES_set_decrypt_key();
voidAES_ecb_encrypt();
voidAES_cbc_encrypt();
voidAES_cfb128_encrypt();
voidAES_ofb128_encrypt();
AES示例程序见附件A.2。
4.1.3RC4
RC4密码算法是流算法，也叫序列算法。流算法是从密钥作为种子产生密钥流，明文比
特流和密钥流异或即加密。RC4算法由于算法简洁，速度极快，密钥长度可变，而且也没有
填充的麻烦，因此在很多场合值得大力推荐。
OpenSSL中RC4算法有两个函数:RC4_set_key()设置密钥，RC4()加解密。可以把RC4
看作异或，因此加密两次即解密。
voidRC4_set_key(RC4_KEYkey,intlen,constunsignedchardata);
voidRC4(RC4_KEYkey,unsignedlonglen,constunsignedcharindata,unsigned
charoutdata);
RC4示例程序见附件A.3。
例子A.3.(1)是利用OpenSSL动态库函数。例子A.3.(2)是把RC4的实现代码从OpenSSL
中分离出来的。例子A.3.(3)是另一个演示实现。
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4.2公钥算法
OpenSSL中实现了RSA、DSA、ECDSA等公钥算法。
4.2.1RSA
RSA是分组算法，典型的密钥模长度1024比特时，分组即是1024比特，即128字节。
(1)RSA密钥
RSA密钥产生函数RSA_generate_key()，需要指定模长比特数bits和公钥指数e。另
外两个参数为NULL即可。
RSARSA_generate_key(intbits,unsignedlonge,void(callback)
(int,int,void),voidcb_arg);
如果从文件中读取密钥，可使用函数PEM_read_bio_PrivateKey()/
PEM_read_bio_PUBKEY();EVP_PKEY中包含一个RSA结构，可以引用。
EVP_PKEYPEM_read_bio_PrivateKey(BIObp,EVP_PKEYx,pem_password_cbcb,
voidu);
(2)RSA加密解密
RSA加密函数RSA_public_encrypt()使用公钥部分，解密函数RSA_private_decrypt()
使用私钥。填充方式常用的有两种RSA_PKCS1_PADDING和RSA_PKCS1_OAEP_PADDING。出错
时返回-1。输入必须比RSA钥模长短至少11个字节（在RSA_PKCS1_PADDING时？）。输出
长度等于RSA钥的模长。
intRSA_public_encrypt(intflen,constunsignedcharfrom,unsignedcharto,
RSArsa,intpadding);
intRSA_private_decrypt(intflen,constunsignedcharfrom,unsignedcharto,
RSArsa,intpadding);
(3)签名和验证
签名使用私钥，验证使用公钥。RSA签名是把被签署消息的散列值编码后用私钥加密，
因此函数中参数type用来指示散列函数的类型，一般是NID_md5或NID_sha1。正确情况下
返回0。
intRSA_sign(inttype,constunsignedcharm,unsignedintm_length,unsigned
charsigret,unsignedintsiglen,RSArsa);
intRSA_verify(inttype,constunsignedcharm,unsignedintm_length,unsigned
charsigbuf,unsignedintsiglen,RSArsa);
(4)RSA函数示例程序
RSA示例程序见附件A.4。
例子A.4.(1)是加密解密例子。例子A.4.(2)是签名验证例子。
4.2.2DSA
（TOBE）
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4.2.2ECDSA
（orNOTTOBE）
4.3Hash算法
Hash算法举MD5和SHA1两个例子。Hash算法重复接收用户输入，直到最后一次结束时
输出散列结果。
4.3.1MD5
MD5算法输出的散列值是16字节。
intMD5_Init(MD5_CTXc);
intMD5_Update(MD5_CTXc,constvoiddata,size_tlen);
intMD5_Final(unsignedcharmd,MD5_CTXc);
4.3.2SHA1
SHA1算法输出的散列值是20字节。
intSHA1_Init(SHA_CTXc);
intSHA1_Update(SHA_CTXc,constvoiddata,size_tlen);
intSHA1_Final(unsignedcharmd,SHA_CTXc);
4.3.3MD5例子
MD5示例程序见附件A.5。
md5sum这是一个实用小工具，可以计算一个文件的MD5值。
4.4随机数算法
随机性是密码安全的基石。为了产生安全的伪随机数，必须有好的随机因素作为种子。
OpenSSL在内部做了努力，但是仍建议在实用随机数产生函数之前添加随机因素。
函数RAND_add()可以添加随机因素到内部状态中去。然后，即可以使用RAND_bytes()
获得随机数。
voidRAND_add(constvoidbuf,intnum,doubleentropy);
intRAND_bytes(unsignedcharbuf,intnum);
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5．SSL协议编程API
SSL协议的主要功能即把TCP的字节流变成了一个安全的流，所有基于TCP的程序可以
很容易地采用SSL协议。主要的变化在于accept/connect()变化为使用OpenSSL提供的
SSL_accept/SSL_connect()，read/write()变化为SSL_read/SSL_write()。
HTTPFTP
SSL
SMTP
TCP
5.0初始化函数库
SSL_load_error_strings();
OpenSSL_add_all_algorithms();
5.1客户端
SSLv3_client_method();
SSL_CTX_new();
SSL_CTX_set_accepted_Cas();//认可的CAs
SSL_CTX_use_certificate_file();//自己的证书
SSL_CTX_use_PrivateKey_file();//自己的私钥
SSL_CTX_check_private_key();//检查证书-私钥一致性
SSL_CTX_set_cipher();//自己喜欢的算法组合
5.2服务器端
SSLv3_server_method();
SSL_CTX_new();
SSL_CTX_set_accepted_Cas();
SSL_CTX_use_certificate_file();
SSL_CTX_use_PrivateKey_file();
SSL_CTX_check_private_key();
SSL_CTX_set_cipher();
5.3SSL示例程序
参见A.6。
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6．CA和证书
公钥是不需要保密的。事实上，公钥需要可靠地发布、彻底地公开。很不幸，公钥的公
开是应用密码学的最后一个难题：当你面对一个公钥（就是两个数n和e）时，你怎么知道
这是谁的公钥？
为了让人相信这个公钥就是某个人的，一般要有一个权威机构(即CA)的保证。CA用自
己的私钥给公钥和持有人信息签名。任何人可以用CA的公钥验证签名，以此相信这个公钥
是这个人的。
CA的公钥怎么来呢？一般是事先内置在程序中的，或者通过其他可靠的方法取得。
6.0CA的作用
OpenSSL中有一个小巧但可以用作测试的CA。如果想使用一个功能全面强大的CA，建议
使用EJBCA或OpenCA。WindowsServer中有个可选的CA组件，对于支持IIS、IE和Outlook
中的使用是方便的。使用商业CA（如山东省CA）颁发的证书应该也是可以的。
6.1OpenSSL中CA的配置示例
参见A.7.(1)。
6.3证书解析和示例程序
参见A.7.(2)。
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7．参考网址
SSL3.0Specificationhttp://www.netscape.com/eng/ssl3/
TransportLayerSecurity(tls)Charter
http://www.ietf.org/html.charters/tls-charter.html
OpenSSL:TheOpenSourcetoolkitforSSL/TLS
http://www.openssl.org/
SSLeayhttp://www2.psy.uq.edu.au/~ftp/Crypto/
OpenSSL中文论坛http://openssl.cn/
Perlhttp://www.cpan.org/src/README.html
ActivePerlhttp://www.activestate.com/Products/ActivePerl/
NASMhttp://www.perl.com/
山东省CAhttp://www.sdca.com.cn/
8．TOBE
本文档为“应用密码学和信息安全”课程讲义的配套文档。
更新发布在http://bellflower.3322.org/。
如有疑问，请联系linfb@sdu.edu.cn。
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A．示例程序
注:此嵌入的文件对象可以被“拖放”到磁盘目录中去。
1．DES示例程序
Demo_des.zip
2．AES示例程序
Demo_aes.zip
3．RC4示例程序
（1）．
enc.c
（2）．
Rc4.zip
（3）
Myrc4.zip
4．RSA示例程序
（1）．
demo_rsaenc,v2.zi
p
（2）．
demo_sign,v2.zip
5．Hash算法示例程序
md5sum.zip
6．SSL示例程序
demo_mini.zip
7．CA配置示例和证书解析示例程序
(1).
oCA-config.zip
(2).
demo_cert.zip
8．
B．
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