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SSL协议的分析及实现

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1 引言  
       SSL是一种在客户端和 服务器端之间建立 安全通道的协议。SSL一经提出,就在Internet上得到广泛的应用。SSL最常用来保护 Web安全。为了保护存有敏感信息 Web服务器的安全,消除用户在Internet上数据传输的安全顾虑。
OpenSSL是一个支持SSL认证的服务器.它是一个源码开放的自由软件,支持多种操作系统。OpenSSL软件的目的是实现一个完整的、健壮的、商业级的开放源码工具,通过强大的加密算法来实现建立在传输层之上的安全性。OpenSSL包含一套SSL协议的完整接口,应用程序应用它们可以很方便的建立起安全套接层,进而能够通过网络进行安全的数据传输。
2  SSL 协议概述
SSL 是Secure socket Layer英文缩写,它的中文意思是安全套接层协议,指使用公钥和私钥技术组合的安全网络通讯协议。SSL协议是网景公司(Netscape)推出的基于 WEB应用的安全协议,SSL协议指定了一种在应用程序协议(如Http、Telenet、NMTP和FTP等)和TCP/IP协议之间提供数据安全性分层的机制,它为TCP/IP连接提供数据加密、服务器认证、消息完整性以及可选的客户机认证,主要用于提高应用程序之间数据的安全性,对传送的数据进行加密和隐藏,确保数据在传送中不被改变,即确保数据的完整性。
 SSL 以对称密码技术和公开密码技术相结合,可以实现如下三个通信目标:
(1)秘密性: SSL客户机和服务器之间传送的数据都经过了加密处理,网络中的非法窃听者所获取的信息都将是无意义的密文信息。
( 2)完整性: SSL利用密码算法和散列(HASH)函数,通过对传输信息特征值的提取来保证信息的完整性,确保要传输

的信息全部到达目的地,可以避免服务器和客户机之间的信息受到破坏。
(3)认证性:利用证书技术和可信的第三方认证,可以让客户机和服务器相互识别对方的身份。为了验证证书持有者是其合法用户(而不是冒名用户), SSL要求证书持有者在握手时相互交换数字证书,通过验证来保证对方身份的合法性。
3  SSL 协议的体系结构
SSL协议位于TCP/IP协议模型的网络层和应用层之间,使用TCP来提供一种可靠的端到端的安全服务,它是客户/服务器应用之间的通信不被攻击窃听,并且始终对服务器进行认证,还可以选择对客户进行认证。SSL协议在应用层通信之前就已经完成加密算法、通信密钥的协商以及服务器认证 javascript:tagshow(event, '%B9%A4%D7%F7');" href="javascript:;" target=_self> 工作,在此之后,应用层协议所传送的数据都被加密。SSL实际上是共同工作的两层协议组成,如图1所示。从体系结构图可以看出SSL安全协议实际是SSL握手协议、SSL修改密文协议、SSL警告协议和SSL记录协议组成的一个协议族。
  
握手
协议
修改密  
文协议
报警
协议
        SSL记录协议
           TCP
           IP
         
         图1  SSL体系结构
        SSL记录协议为SSL连接提供了两种服务:一是机密性,二是消息完整性。为了实现这两种服务, SSL记录协议对接收的数据和被接收的数据工作过程是如何实现的呢? SSL记录协议接收传输的应用报文,将数据分片成可管理的块,进行数据压缩(可选),应用MAC,接着利用IDEA、DES、3DES或 其他加密算法进行数据加密,最后增加由内容类型、主要版本、次要版本和压缩长度组成的首部。被接收的数据刚好与接收数据工作过程相反,依次被解密、验证、解压缩和重新装配,然后交给更高级用户。
        SSL修改密文协议是使用SSL记录协议服务的SSL高层协议的3个特定协议之一,也是其中最简单的一个。协议由单个消息组成,该消息只包含一个值为1的单个字节。该消息的唯一作用就是使未决状态拷贝为当前状态,更新用于当前连接的密码组。为了保障SSL传输过程的安全性,双方应该每隔一段时间改变加密规范。
        SSL告警协议是用来为对等实体传递SSL的相关警告。如果在通信过程中某一方发现任何异常,就需要给对方发送一条警示消息通告。警示消息有两种:一种是 Fatal错误,如传递数据过程中,发现错误的MAC,双方就需要立即中断会话,同时消除自己缓冲区相应的会话记录;第二种是Warning消息,这种情况,通信双方通常都只是记录 日志,而对通信过程不造成任何影响。SSL握手协议可以使得服务器和客户能够相互鉴别对方,协商具体的加密算法和MAC算法以及保密密钥,用来保护在SSL记录中发送的数据。
SSL握手协议允许通信实体在交换应用数据之前协商密钥的算法、加密密钥和对客户端进行认证(可选)的协议,为下一步记录协议要使用的密钥信息进行协商,使客户端和服务器建立并保持安全通信的状态信息。SSL握手协议是在任何应用程序数据传输之前使用的。SSL握手协议包含四个阶段:第一个阶段建立安全能力;第二个阶段服务器鉴别和密钥交换;第三个阶段客户鉴别和密钥交换;第四个阶段完成握手协议。
4        SSL 协议的实现
基于OpenSSL的程序可以被分为两个部分:客户机和服务器,使用SSL协议使通信双方可以相互验证对方身份的真实性,并且能够保证数据的完整性和机密性。建立SSL通信的过程如图2所示。
   
     图2  SSL通信过程
 
SSL通信模型采用标准的C/S结构,除了在TCP层上进行传输之外,与普通的网络通信协议没有太大的区别,基于OpenSSL的程序都要遵循以下几个步骤:
(1 ) OpenSSL初始化
在使用OpenSSL之前,必须进行相应的协议初始化工作,这可以通过下面的函数实现:
int SSL_library_int(void);
(2 ) 选择会话协议
在利用OpenSSL开始SSL会话之前,需要为客户端和服务器制定本次会话采用的协议,目前能够使用的协议包括TLSv1.0、SSLv2、SSLv3、SSLv2/v3。
需要注意的是,客户端和服务器必须使用相互兼容的协议,否则SSL会话将无法正常进行。
(3 ) 创建会话环境
在OpenSSL中创建的SSL会话环境称为CTX,使用不同的协议会话,其环境也
不一样的。申请SSL会话环境的OpenSSL函数是:
SSL_CTX *SSL_CTX_new(SSL_METHOD * method);
当SSL会话环境申请成功后,还要根据实际的需要设置CTX的属性,通常的设置是指定SSL握手阶段证书的验证方式和加载自己的证书。制定证书验证方式的函数是:
int SSL_CTX_set_verify(SSL_CTX *ctx,int mode,int(*verify_callback),int(X509_STORE_CTX *));
为SSL会话环境加载CA证书的函数是:
SSL_CTX_load_verify_location(SSL_CTX *ctx,const char *Cafile,const char *Capath);
为SSL会话加载用户证书的函数是:
SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file,int type);
为SSL会话加载用户私钥的函数是:
SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx,const char* file,int type);
在将证书和私钥加载到SSL会话环境之后,就可以调用下面的函数来验证私钥和证书是否相符:
int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx);
(4) 建立SSL套接字
SSL套接字是建立在普通的TCP套接字基础之上,在建立SSL套接字时可以使用下面的一些函数:
SSL *SSl_new(SSL_CTX *ctx); 
//申请一个SSL套接字
int SSL_set_fd(SSL *ssl,int fd);) 
//绑定读写套接字
int SSL_set_rfd(SSL *ssl,int fd); 
//绑定只读套接字
int SSL_set_wfd(SSL *ssl,int fd);
//绑定只写套接字
(5) 完成SSL握手
在成功创建SSL套接字后,客户端应使用函数SSL_connect( )替代传统的函数connect( )来完成握手过程:
int SSL_connect(SSL *ssl);
而对服务器来讲,则应使用函数SSL_ a clearcase/" target="_blank" >ccept ( )替代传统的函数accept ( )来完成握手过程:
int SSL_accept(SSL *ssl);
握手过程完成之后,通常需要询问通信双方的证书信息,以便进行相应的验证,这可以借助于下面的函数来实现:
X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *ssl);
该函数可以从SSL套接字中提取对方的证书信息,这些信息已经被SSL验证过了。
X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a);
该函数得到证书所用者的名字。
(6) 进行数据传输
当SSL握手完成之后,就可以进行安全的数据传输了,在数据传输阶段,需要使用SSL_read( )和SSL_write( )来替代传统的read( )和write( )函数,来完成对套接字的读写操作:
int SSL_read(SSL *ssl,void *buf,int num);
int SSL_write(SSL *ssl,const void *buf,int num);
(7 ) 结束SSL通信
当客户端和服务器之间的数据通信完成之后,调用下面的函数来释放已经申请的SSL资源:
int SSL_shu tdown(SSL *ssl); 
//关闭SSL套接字
void SSl_free(SSL *ssl);
 //释放SSL套接字
void SSL_CTX_free(SSL_CTX *ctx);  
//释放SSL会话环境
结束语
SSL协议采用数字证书进行双端实体认证,用非对称加密算法进行密钥协商,用对称加密算法将数据加密后进行传输以保证数据的保密性,并且通过计算数字摘要来验证数据在传输过程中是否被篡改和伪造,从而为敏感数据在Internet上的传输提供了一种安全保障手段。
OpenSSL是一个开放源代码的SSL协议的产品实现,它采用C语言作为 开发语言,具备了跨系统的 性能。调用OpenSSL  的函数就可以实现一个SSL加密的安全数据传输通道,从而保护客户端和服务器之间数据的安全。
 
参考文献
[1]  信息系统安全[M].戴宗坤,罗万伯 北京:电子工业出版社,2002
[2]  计算机 网络安全与加密技术[M]. 李海泉,李健.北京:科学出版社,2001
[3]  SSL与TLS Designing and Building Secure Systems.北京:中国电力出版社,2002
[4]  Network Security with Openss1.
Publisher:O’Reilly& Associates.2002


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