VC++网络安全编程范例（11）-SSL高级加密网络通信

大灰狼

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

[cpp] view plaincopy

• #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

[cpp] view plaincopy

• #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;  
• }  
•