《密码系统设计》第八周预习

20231313 张景云《密码系统设计》第八周预习

AI对内容的总结

Windows.C.C++.加密解密实战.sm.ys | SSL-TLS编程学习总结

（一）定义与定位

SSL（安全套接字层）是位于TCP/IP层与应用层之间的中间层协议，核心目标是为应用层程序搭建安全的网络传输通道，保障通信双方数据的私有性与可靠性。它由两层构成，底层是基于TCP等可靠传输层协议的SSL记录层协议，负责封装高层协议；高层则包含握手协议、改变加密规约协议、告警协议等关键协议。

（二）核心优点

  1. 应用层无关性：高层协议可透明运行于SSL协议层之上，无需对应用层协议进行修改。
  2. 安全连接特性
    • 数据加密：握手结束后，通过对称密钥技术（如DES、RC4）加密数据，保障数据隐私。
    • 身份认证：借助非对称加密技术（如RSA、DSA），验证通信双方身份，防止身份伪造。
    • 数据完整性：采用SHA、MD5等安全哈希函数计算校验码，确保传输数据未被篡改。

（三）发展历程

SSL/TLS的发展历经多个版本迭代，部分旧版本因安全漏洞已被弃用，具体历程如下：

时间 版本 关键事件
1994年 SSL v1.0 网景公司提出，未公开
1995年 SSL v2.0 公开发布，2011年因安全问题被弃用（RFC6176）
1996年 SSL v3.0 大规模应用，2015年弃用（RFC7568），后补充RFC6101文档
1999年 TLS v1.0 被IETF纳入标准化（RFC2246），由SSL改名而来，与SSL v3.0差异小
2006年 TLS v1.1 修复Bug，支持更多参数（RFC4346）
2008年 TLS v1.2 进行扩展与算法改进，成为新设备标配（RFC5246）
2018年 TLS v1.3 正式纳入标准（RFC8446），优化握手流程、减少时延，采用安全密钥交换算法

（四）提供的核心服务

  1. 身份认证：通信双方持有各自证书，交换证书时获取对方公钥，验证身份合法性，确保数据发送至正确对象。
  2. 数据加密：结合对称与非对称加密技术，握手阶段用非对称加密交换对称密钥，连接建立后用对称加密传输数据，兼顾安全性与效率。
  3. 数据完整性：通过消息摘要函数（MAC）提供完整性服务，防止数据在传输中被篡改。

二、SSL协议层次结构与核心协议

（一）层次结构

SSL协议分为两层，各层功能明确，协同保障通信安全：

层次 包含协议/功能 作用
握手协议层 握手协议、改变加密规约协议、告警协议 负责身份认证、加密算法协商、密钥交换等，是SSL协议核心
记录层 记录协议 建立在TCP之上，提供数据封装、压缩、加密等基础功能，为高层协议提供支持

（二）核心协议详解

  1. SSL记录层协议
    • 数据处理流程：先将上层数据分片（以16KB为单位），再进行压缩（初始化时用空算法，压缩后数据长度增加不超过1024B）、加密，最后交给TCP传输；接收端则反向操作（解密、验证、解压缩、拼装）。
    • 调用者与扩展：支持握手协议、告警协议、加密修改协议、应用程序数据协议四种调用者，可扩展新记录类型，但未识别类型需丢弃，且需防范基于长度和类型字段的攻击。
    • 安全保障：通过握手协议建立共享密钥，分别用于单钥加密消息（保密性）和计算MAC（完整性）。
  2. SSL握手协议层
    • 握手协议：是SSL协议核心，通信双方通过10步流程完成身份认证、算法协商与密钥交换，具体步骤包括客户端发送问候信息、服务器回应并传证书、客户端验证服务器、交换预主密码、生成主密码等，最终建立安全通信的对称密钥。同时定义了10种HandshakeType信息，如Hello Request、Client Hello、Server Certificate等，各信息功能不同，保障握手过程有序进行。
    • 改变加密规约协议：仅含一个字节消息，用当前加密约定传输，通知接收方后续记录将用新协商加密约定保护，客户端和服务器均会发送，意外消息会触发告警。
    • 告警协议：传输告警严重程度与描述，致命告警会终止连接并使会话标识符失效。包含关闭告警（防止截断攻击，关闭后忽略后续数据）和多种错误告警（如意外消息、证书失效等，触发后立即关闭连接并清除相关密钥）。

三、OpenSSL中的SSL编程基础

（一）编程定位与特点

基于OpenSSL的SSL编程本质是安全套接字编程，流程与普通套接字编程相似，但需额外设置服务器证书等环境参数。OpenSSL提供了与普通socket对应的函数，如SSL_connect对应connect、SSL_accept对应accept等，同时支持SSL v1.0、2.0、3.0及TLS v1.0协议。

（二）核心函数分类与功能

  1. 初始化与环境设置函数
    • SSL_library_init：初始化SSL算法库，调用SSL系列函数前必须先执行，成功返回1，失败返回0，也可用OpenSSL_add_ssl_algorithms、SSLeay_add_ssl_algorithms宏定义替代。
    • SSL_CTX_new：初始化SSL_CTX结构体，设置SSL协议算法（如SSLv2_server_method、TLSv1_client_method等），成功返回结构体指针，失败返回NULL。
    • SSL_CTX_free：释放SSL_CTX结构体，需与SSL_CTX_new配套使用。
  2. 证书与私钥设置函数
    • 证书设置：SSL_CTX_use_certificate_file（文件形式，支持PEM和ASN1格式）、SSL_CTX_use_certificate（结构体形式，参数为X509证书），成功均返回1。
    • 私钥设置：SSL_CTX_use_PrivateKey_file（文件形式）、SSL_CTX_use_PrivateKey（结构体形式，参数为EVP_PKEY私钥），成功返回1。
    • 匹配检查：SSL_CTX_check_private_key，需在设置证书和私钥后调用，检查两者是否匹配，成功返回1。
  3. SSL套接字操作函数
    • SSL_new：创建SSL结构体（SSL套接字），继承上下文设置，成功返回指针，失败返回NULL。
    • SSL_free：释放SSL结构体，减少引用计数，计数为0时释放内存。
    • 套接字绑定：SSL_set_fd（设置读写套接字）、SSL_set_rfd（只读）、SSL_set_wfd（只写），成功均返回1。
  4. 连接与数据传输函数
    • 连接函数：SSL_connect（客户端发起SSL连接，成功返回1）、SSL_accept（服务端接受连接，返回1表示握手成功，0或负表示失败，需用SSL_get_error查因）。
    • 数据传输：SSL_write（向SSL连接写数据，返回值大于0表示实际写入长度）、SSL_read（从SSL连接读数据，返回值大于0表示实际读取长度），返回0或负时需用SSL_get_error排查原因。
  5. 证书获取函数：SSL_get_peer_certificate，获取对方X509证书，成功返回证书指针，失败或未传证书返回NULL，需用X509_free显式释放证书对象。

四、SSL通信证书准备

（一）实验环境搭建

  1. 环境要求：理想环境为3台Windows计算机（CA端、服务端、客户端），实际可简化为1台物理机，避免多设备安装软件的繁琐，方便实验操作。
  2. CA环境基础：编译安装OpenSSL 1.0.2m后，通过C:\myOpenssl\out\ssl\openssl.cnf配置文件熟悉默认CA环境，可用Notepad++等工具查看配置内容。
  3. 必备文件创建：在C:\myOpenssl\out\bin下新建demoCA文件夹及子文件夹newcerts，在demoCA下创建index.txt和serial文件，serial中输入“01”，否则生成证书会出错。

（二）证书生成流程

  1. 根CA证书创建
    • 生成私钥：执行genrsa -des3 -out root.key 1024（用3DES加密，建议密钥长度2048），输入保护口令（如123456），生成root.key。
    • 生成自签证书：执行req -new -x509 -key root.key -out root.crt，输入私钥口令并填写证书信息（国家、组织名等），生成root.crt（根证书）。
  2. 服务端证书生成
    • 生成私钥：genrsa -des3 -out server.key 1024，输入3DES密码，生成server.key。
    • 生成证书请求：req -new -key server.key -out server.csr，输入私钥密码并填写与根证书一致的组织信息，生成server.csr。
    • 签发证书：ca -in server.csr -out server.crt -keyfile root.key -cert root.crt -days 365 -config ../ssl/openssl.cnf，输入根证书私钥口令并确认信息，生成server.crt（服务端证书）。
  3. 客户端证书生成：流程与服务端一致，分别执行genrsa -des3 -out client.key 1024（生成私钥）、req -new -key client.key -out client.csr（生成请求文件）、ca -in client.csr -out client.crt -keyfile root.key -cert root.crt -days 365 -config ../ssl/openssl.cnf（签发证书），最终得到client.crt（客户端证书）。

五、SSL网络编程实战

（一）编程流程

服务端与客户端均需遵循“初始化→证书与私钥设置→创建SSL套接字→TCP连接→SSL握手→数据交换→收尾释放”的流程，具体步骤可参考下图：

graph TD A[OpenSSL初始化（SSL_library_init）] --> B[设置证书和私钥（SSL_CTX_use_certificate等）] B --> C[创建SSL套接字（SSL_new）] C --> D[正常TCP连接（socket、bind、listen/connect等）] D --> E[绑定TCP与SSL套接字（SSL_set_fd）] E --> F[SSL握手（服务端SSL_accept/客户端SSL_connect）] F --> G[数据交换（SSL_read/SSL_write）] G --> H[收尾（SSL_shutdown、SSL_free、SSL_CTX_free）]

（二）示例程序关键说明

  1. 服务端程序（sslserver）
    • 环境配置：需引入libeay32.lib、ssleay32.lib、ws2_32.lib等库，设置证书路径（如server.crt、root.crt）和端口（如1111）。
    • 核心步骤：初始化WSA与SSL库，创建SSL_CTX结构体并设置协议（如TLSv1_server_method）、验证模式与CA证书，加载服务端证书和私钥并检查匹配性，建立TCP监听与连接，完成SSL握手后进行数据读写，最后释放资源。
  2. 客户端程序（sslclient）
    • 环境配置：与服务端类似，需引入相同库，设置CA证书、客户端证书、私钥路径及服务端IP（如127.0.0.1）和端口。
    • 核心步骤：初始化WSA与SSL库，创建SSL_CTX结构体并配置协议、验证模式与CA证书，加载客户端证书和私钥并检查匹配性，构建随机数生成机制（WIN32平台必需），建立TCP连接，完成SSL握手后与服务端交换数据，最后释放资源。
  3. 运行注意事项：程序中使用的私钥（server.key、client.key）需解密（执行rsa -in 私钥文件 -out 私钥文件并输入口令），且证书文件需放在工程目录下，库文件需放在Debug目录，确保程序正常加载资源。运行后，服务端与客户端可成功通信，且能打印证书信息与通信数据，验证SSL通信的安全性。

对 AI 总结的反思

一、对 SSL 协议基础的补充与反思

优点：

  • 对 SSL/TLS 的发展历程、协议结构、核心服务总结得非常清晰。
  • 强调了前向安全（Forward Secrecy）在 TLS 1.3 中的实现，这是现代安全通信的重要特性。

可补充内容：

  • TLS 1.3 的关键改进：
    • 握手过程从 2-RTT 减少到 1-RTT（甚至 0-RTT），大幅提升性能。
    • 移除了不安全的加密算法（如 RC4、SHA-1、3DES）。
    • 密钥交换默认使用 ECDHE，提供前向安全性。
  • SSL vs TLS 的命名区别：TLS 是 SSL 的标准化版本，但由于习惯，很多人仍称 TLS 为 SSL。

反思：

  • 在实际项目中，应避免使用已弃用的协议版本（如 SSLv2/v3、TLS 1.0/1.1），优先使用 TLS 1.2 或 1.3。
  • 理解协议不仅是“会用”，更要明白其安全原理与潜在风险（如 POODLE、BEAST 等攻击）。

二、对 OpenSSL 编程的补充与反思

优点：

  • 函数分类清晰，涵盖了初始化、证书管理、连接建立、数据传输等全流程。
  • 强调了证书与私钥的匹配检查（SSL_CTX_check_private_key），这是实战中常见错误点。

可补充内容：

  • 错误处理机制：
    • 使用 SSL_get_error() 获取详细错误码，是调试 SSL 连接问题的关键。
    • 推荐使用 ERR_print_errors_fp(stderr) 打印错误堆栈。
  • 内存管理：
    • OpenSSL 对象（如 SSL_CTX、SSL、X509）需手动释放，避免内存泄漏。
    • 可使用 VALGRIND 或 AddressSanitizer 检测内存问题。
  • 异步 I/O 支持：
    • OpenSSL 支持非阻塞 I/O，结合 select/poll/epoll 可实现高并发 SSL 服务。

反思：

  • 在实际开发中，建议封装 OpenSSL 调用，提供更友好的 C++ RAII 接口，避免资源泄漏。
  • 注意线程安全性：早期 OpenSSL 版本需手动调用 CRYPTO_set_locking_callback 等函数。

三、对证书管理的补充与反思

优点：

  • 详细演示了自建 CA、签发服务端与客户端证书的全过程，适合实验与内网环境。

可补充内容：

  • 证书格式说明：
    • PEM：Base64 编码文本，常用于 .crt、.key、.pem。
    • DER：二进制格式，常用于 .der、.cer。
  • 证书扩展项：
    • 可配置 Subject Alternative Name (SAN) 支持多域名。
    • 设置 Key Usage、Extended Key Usage 限制证书用途。
  • 自动化工具：
    • 可使用 openssl ca 命令批量签发，或使用 cfssl、easy-rsa 等工具简化流程。

反思：

  • 生产环境中不建议使用自签名证书，应使用受信任的 CA（如 Let's Encrypt、DigiCert）。
  • 私钥保护：建议使用 HSM（硬件安全模块）或 Kubernetes Secrets 管理私钥，避免明文存储。

四、对实战编程的补充与反思

优点：

  • 提供了完整的服务端与客户端代码示例，并标注了关键步骤与配置项。

可补充内容：

  • 双向认证（mTLS）：
    • 服务端也可要求客户端提供证书，实现双向身份验证。
    • 在服务端设置 SSL_VERIFY_PEER 并加载 CA 证书即可。
  • 会话复用：
    • 可通过 SSL_SESSION 复用握手结果，提升性能。
  • 密码套件配置：
    • 使用 SSL_CTX_set_cipher_list() 限制使用的加密算法，避免弱密码。

反思：

  • 示例中使用的是 OpenSSL 1.0.2 和 VC2017，现代项目建议使用 OpenSSL 3.x 并支持 TLS 1.3。
  • 建议将证书路径、端口等配置项外置为配置文件或命令行参数，提升灵活性。

mermaid 代码与截图

  root((SSL-TLS编程))
    协议基础
      定义与定位
        TCP/IP与应用层之间
        安全传输通道
        私有性与可靠性
      核心优点
        应用层无关性
        安全连接特性
          :数据加密
          :身份认证
          :数据完整性
      发展历程
        SSL v1.0 (1994)
        SSL v2.0 (1995)
        SSL v3.0 (1996)
        TLS v1.0 (1999)
        TLS v1.1 (2006)
        TLS v1.2 (2008)
        TLS v1.3 (2018)
      核心服务
        身份认证
        数据加密
        数据完整性
    协议架构
      层次结构
        握手协议层
          :握手协议
          :改变加密规约
          :告警协议
        记录层
          :记录协议
      核心协议
        SSL记录层协议
          数据处理流程
            :分片
            :压缩
            :加密
            :传输
          调用者类型
            :握手协议
            :告警协议
            :应用数据
          安全保障
            :保密性
            :完整性
        SSL握手协议层
          握手协议
            :10步流程
            :身份认证
            :密钥交换
          改变加密规约
            :单字节消息
            :通知新约定
          告警协议
            :关闭告警
            :错误告警
    OpenSSL编程
      编程特点
        安全套接字编程
        透明协议支持
        额外环境参数
      核心函数
        初始化函数
          :SSL_library_init
          :SSL_CTX_new
          :SSL_CTX_free
        证书管理
          :SSL_CTX_use_certificate_file
          :SSL_CTX_use_PrivateKey_file
          :SSL_CTX_check_private_key
        SSL套接字
          :SSL_new
          :SSL_free
          :SSL_set_fd
        连接传输
          :SSL_connect
          :SSL_accept
          :SSL_write
          :SSL_read
        证书获取
          :SSL_get_peer_certificate
    证书管理
      环境搭建
        :单机实验环境
        :CA配置文件
        :目录结构创建
      证书生成流程
        根CA证书
          :genrsa生成私钥
          :req创建自签名证书
        服务端证书
          :生成服务端私钥
          :创建证书请求
          :CA签发证书
        客户端证书
          :生成客户端私钥
          :创建证书请求
          :CA签发证书
    实战编程
      编程流程
        :初始化OpenSSL
        :设置证书私钥
        :创建SSL套接字
        :建立TCP连接
        :SSL握手
        :数据交换
        :资源释放
      示例程序
        服务端程序
          :环境配置
          :库文件引入
          :证书路径设置
        客户端程序
          :与服务端类似
          :随机数生成
          :服务端连接
      运行注意事项
        :私钥解密处理
        :证书文件放置
        :库文件配置
        :调试信息输出
    补充与反思
      SSL协议补充
        TLS 1.3改进
          :1-RTT握手
          :算法移除
          :前向安全
        安全考虑
          :避免弃用版本
          :理解安全原理
      OpenSSL补充
        错误处理
          :SSL_get_error
          :ERR_print_errors_fp
        内存管理
          :手动释放资源
          :内存泄漏检测
        高级特性
          :异步I/O支持
          :线程安全性
      证书管理补充
        证书格式
          :PEM格式
          :DER格式
        生产建议
          :使用可信CA
          :私钥安全存储
      实战编程补充
        高级功能
          :双向认证(mTLS)
          :会话复用
          :密码套件配置
        现代实践
          :OpenSSL 3.x
          :配置外置化
          :容器化部署

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基于AI的学习

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学习实践过程遇到的问题与解决方式（AI 驱动）

一、问题1：OpenSSL函数调用报错，无法定位错误原因

（1）问题场景

在编写SSL服务端程序时，调用SSL_CTX_use_certificate_file加载证书后，程序直接退出并输出模糊错误信息，无法判断是证书路径错误、证书格式不匹配（PEM/DER混淆），还是权限问题导致证书无法读取，反复检查代码和证书文件仍未定位问题。

（2）AI工具解决方式

使用ChatGPT（或 Claude）+ 代码错误日志分析，具体步骤如下：

  1. 信息输入：将报错时的控制台输出（包括ERR_print_errors_fp(stderr)打印的OpenSSL错误栈信息）、相关代码片段（如证书加载代码SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, "server.crt", SSL_FILETYPE_PEM)）、证书文件的格式说明（如通过openssl x509 -in server.crt -text -noout查看的证书基本信息）一并输入AI工具。
  2. AI分析与指引：AI会根据OpenSSL错误码（如error:02001002:system library:fopen:No such file or directory对应路径错误，error:23076071:PKCS#12 routines:PKCS12_parse:mac verify failure对应格式错误），结合代码逻辑指出可能问题。例如，若错误码指向“文件不存在”，AI会提醒检查证书路径是否为绝对路径（如程序运行目录与证书存放目录不一致时，需用C:\\myOpenssl\\out\\bin\\server.crt而非相对路径）；若错误码指向“格式不匹配”，会建议通过openssl x509 -in server.crt -inform PEM -out server.der -outform DER转换格式，或确认SSL_FILETYPE_PEM参数是否与证书实际格式对应。
  3. 验证与解决：根据AI建议调整证书路径或格式后，重新编译运行，成功加载证书，问题解决。

二、问题2：SSL握手失败，客户端SSL_connect返回-1且无明确错误

（1）问题场景

搭建SSL客户端与服务端通信时，服务端正常监听端口，客户端能建立TCP连接，但调用SSL_connect时返回-1，通过SSL_get_error(ssl, err)获取错误码为SSL_ERROR_SSL，进一步打印错误栈仍无法明确是协议版本不兼容、密码套件不匹配，还是证书验证失败导致握手中断。

（2）AI工具解决方式

使用GitHub Copilot（代码实时分析）+ 网络抓包工具（Wireshark）日志解读，具体步骤如下：

  1. 代码实时排查：在VS Code中启用GitHub Copilot，将客户端与服务端的SSL初始化代码（如服务端meth = TLSv1_server_method()、客户端meth = TLSv1_2_client_method()）、密码套件设置（如服务端SSL_CTX_set_cipher_list(ctx, "RC4-MD5")）展示给Copilot。Copilot会立即指出潜在冲突：服务端仅支持TLSv1，客户端却使用TLSv1.2，协议版本不兼容；或服务端指定的“RC4-MD5”密码套件在客户端支持列表中不存在（现代OpenSSL可能默认禁用弱密码套件）。
  2. 抓包日志验证：使用Wireshark抓取SSL握手包，过滤条件设为ssl，将抓取到的“Client Hello”（客户端发送的支持协议版本、密码套件列表）和“Server Hello”（服务端回应的协议版本、密码套件）数据包详情复制给AI。AI会分析数据包：若“Server Hello”后直接出现“Alert (Level: Fatal, Description: Protocol Version)”，则确认是协议版本不兼容；若“Server Hello”未出现，且客户端重发“Client Hello”，则可能是密码套件不匹配。
  3. 解决方案执行：根据AI指引，将服务端协议版本改为TLSv1_2_server_method()，客户端与服务端统一设置密码套件为"ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384"（现代兼容且安全的套件），重新运行程序，SSL握手成功，数据正常传输。

参考资料

AI工具

  • 豆包
  • Deepseek

图书

  • 《Windows C/C++加密解密实战》
posted @ 2025-10-27 18:59  Raymongillichmks  阅读(10)  评论(0)    收藏  举报