一、背景说明

1.1 面临问题

最近一份产品检测报告建议使用基于pki的认证方式，由于产品已实现https，商量之下认为其意思是使用双向认证以处理中间人形式攻击。

《信息安全工程》中接触过双向认证，但有两个问题。

第一个是当时最终的课程设计客户端是浏览器，服务端是tomcat双向认证只需要对两者进行配置并不需要自己真的实现代码。

第二个是虽然课程也有接近双向认证的实现代码，但当时是Java+JCE环境现在要用C+++OpenSSL环境，总体意思确实还是差不多但具体函数和参数差别还是不少。

所以眼下有的是：证书生成的思想+双向认证实现的思想。对读者而言，即要假定已对证书、SSL/TSL、socket编程等几个概念有基本的了解，本文不做详细介绍。

基于此本文要解决的问题是：openssl具体如何生成证书+openssl如何实现双向认证。

双向认证的关键点在以下几个函数（服务端和客户端都一样），其他就不细说参看代码注释：

SSL_CTX_set_verify----配置启用双向认证

SSL_CTX_load_verify_locations----加载信任的根证书

SSL_CTX_use_certificate_file----加载自己的证书

SSL_CTX_use_PrivateKey_file----加载自己的私钥

SSL_get_verify_result----真正进行验证，一定要调用这个函数不然前面四个光配置而已并不会进行双向验证

二、双向认证程序实现

2.1 安装openssl及开发api

apt-get install libssl-dev

2.2 服务端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>

#define MAXBUF 1024

void ShowCerts(SSL * ssl)
{
  X509 *cert;
  char *line;

  cert = SSL_get_peer_certificate(ssl);
  // SSL_get_verify_result()是重点，SSL_CTX_set_verify()只是配置启不启用并没有执行认证，调用该函数才会真证进行证书认证
  // 如果验证不通过，那么程序抛出异常中止连接
  if(SSL_get_verify_result(ssl) == X509_V_OK){
    printf("证书验证通过\n");
  }
  if (cert != NULL) {
    printf("数字证书信息:\n");
    line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);
    printf("证书: %s\n", line);
    free(line);
    line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);
    printf("颁发者: %s\n", line);
    free(line);
    X509_free(cert);
  } else
    printf("无证书信息！\n");
}

int main(int argc, char **argv) {
  int sockfd, new_fd;
  socklen_t len;
  struct sockaddr_in my_addr, their_addr;
  unsigned int myport, lisnum;
  char buf[MAXBUF + 1];
  SSL_CTX *ctx;

  if (argv[1])
    myport = atoi(argv[1]);
  else
    myport = 7838;

  if (argv[2])
    lisnum = atoi(argv[2]);
  else
    lisnum = 2;

  /* SSL 库初始化 */
  SSL_library_init();
  /* 载入所有 SSL 算法 */
  OpenSSL_add_all_algorithms();
  /* 载入所有 SSL 错误消息 */
  SSL_load_error_strings();
  /* 以 SSL V2 和 V3 标准兼容方式产生一个 SSL_CTX ，即 SSL Content Text */
  ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
  /* 也可以用 SSLv2_server_method() 或 SSLv3_server_method() 单独表示 V2 或 V3标准 */
  if (ctx == NULL) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }

  // 双向验证
  // SSL_VERIFY_PEER---要求对证书进行认证，没有证书也会放行
  // SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT---要求客户端需要提供证书，但验证发现单独使用没有证书也会放行
  SSL_CTX_set_verify(ctx, SSL_VERIFY_PEER|SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT, NULL);
  // 设置信任根证书
  if (SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, "ca.crt",NULL)<=0){
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }

  /* 载入用户的数字证书， 此证书用来发送给客户端。 证书里包含有公钥 */
  if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }
  /* 载入用户私钥 */
  if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, argv[4], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }
  /* 检查用户私钥是否正确 */
  if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }

  /* 开启一个 socket 监听 */
  if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
    perror("socket");
    exit(1);
  } else
    printf("socket created\n");

  bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
  my_addr.sin_family = PF_INET;
  my_addr.sin_port = htons(myport);
  my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

  if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof(struct sockaddr))
      == -1) {
    perror("bind");
    exit(1);
  } else
    printf("binded\n");

  if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {
    perror("listen");
    exit(1);
  } else
    printf("begin listen\n");

  while (1) {
    SSL *ssl;
    len = sizeof(struct sockaddr);
    /* 等待客户端连上来 */
    if ((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) &their_addr, &len))
        == -1) {
      perror("accept");
      exit(errno);
    } else
      printf("server: got connection from %s, port %d, socket %d\n",
          inet_ntoa(their_addr.sin_addr), ntohs(their_addr.sin_port),
          new_fd);

    /* 基于 ctx 产生一个新的 SSL */
    ssl = SSL_new(ctx);
    /* 将连接用户的 socket 加入到 SSL */
    SSL_set_fd(ssl, new_fd);
    /* 建立 SSL 连接 */
    if (SSL_accept(ssl) == -1) {
      perror("accept");
      close(new_fd);
      break;
    }
    ShowCerts(ssl);

    /* 开始处理每个新连接上的数据收发 */
    bzero(buf, MAXBUF + 1);
    strcpy(buf, "server->client");
    /* 发消息给客户端 */
    len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));

    if (len <= 0) {
      printf("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n", buf, errno,
          strerror(errno));
      goto finish;
    } else
      printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！\n", buf, len);

    bzero(buf, MAXBUF + 1);
    /* 接收客户端的消息 */
    len = SSL_read(ssl, buf, MAXBUF);
    if (len > 0)
      printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据\n", buf, len);
    else
      printf("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
      errno, strerror(errno));
    /* 处理每个新连接上的数据收发结束 */
    finish:
    /* 关闭 SSL 连接 */
    SSL_shutdown(ssl);
    /* 释放 SSL */
    SSL_free(ssl);
    /* 关闭 socket */
    close(new_fd);
  }
  /* 关闭监听的 socket */
  close(sockfd);
  /* 释放 CTX */
  SSL_CTX_free(ctx);
  return 0;
}

2.3 客户端代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <resolv.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>

#define MAXBUF 1024

void ShowCerts(SSL * ssl)
{
  X509 *cert;
  char *line;

  cert = SSL_get_peer_certificate(ssl);
  // SSL_get_verify_result()是重点，SSL_CTX_set_verify()只是配置启不启用并没有执行认证，调用该函数才会真证进行证书认证
  // 如果验证不通过，那么程序抛出异常中止连接
  if(SSL_get_verify_result(ssl) == X509_V_OK){
    printf("证书验证通过\n");
  }
  if (cert != NULL) {
    printf("数字证书信息:\n");
    line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);
    printf("证书: %s\n", line);
    free(line);
    line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);
    printf("颁发者: %s\n", line);
    free(line);
    X509_free(cert);
  } else
    printf("无证书信息！\n");
}

int main(int argc, char **argv)
{
  int sockfd, len;
  struct sockaddr_in dest;
  char buffer[MAXBUF + 1];
  SSL_CTX *ctx;
  SSL *ssl;

  if (argc != 5) {
    printf("参数格式错误！正确用法如下：\n\t\t%s IP地址 端口\n\t比如:\t%s 127.0.0.1 80\n此程序用来从某个"
       "IP 地址的服务器某个端口接收最多 MAXBUF 个字节的消息",
       argv[0], argv[0]);
    exit(0);
  }

  /* SSL 库初始化，参看 ssl-server.c 代码 */
  SSL_library_init();
  OpenSSL_add_all_algorithms();
  SSL_load_error_strings();
  ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());
  if (ctx == NULL) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }

  // 双向验证
  // SSL_VERIFY_PEER---要求对证书进行认证，没有证书也会放行
  // SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT---要求客户端需要提供证书，但验证发现单独使用没有证书也会放行
  SSL_CTX_set_verify(ctx, SSL_VERIFY_PEER|SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT, NULL);
  // 设置信任根证书
  if (SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, "ca.crt",NULL)<=0){
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }

  /* 载入用户的数字证书， 此证书用来发送给客户端。 证书里包含有公钥 */
  if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }
  /* 载入用户私钥 */
  if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, argv[4], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }
  /* 检查用户私钥是否正确 */
  if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
  }

  /* 创建一个 socket 用于 tcp 通信 */
  if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
    perror("Socket");
    exit(errno);
  }
  printf("socket created\n");

  /* 初始化服务器端（对方）的地址和端口信息 */
  bzero(&dest, sizeof(dest));
  dest.sin_family = AF_INET;
  dest.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
  if (inet_aton(argv[1], (struct in_addr *) &dest.sin_addr.s_addr) == 0) {
    perror(argv[1]);
    exit(errno);
  }
  printf("address created\n");

  /* 连接服务器 */
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) {
    perror("Connect ");
    exit(errno);
  }
  printf("server connected\n");

  /* 基于 ctx 产生一个新的 SSL */
  ssl = SSL_new(ctx);
  SSL_set_fd(ssl, sockfd);
  /* 建立 SSL 连接 */
  if (SSL_connect(ssl) == -1)
    ERR_print_errors_fp(stderr);
  else {
    printf("Connected with %s encryption\n", SSL_get_cipher(ssl));
    ShowCerts(ssl);
  }

  /* 接收对方发过来的消息，最多接收 MAXBUF 个字节 */
  bzero(buffer, MAXBUF + 1);
  /* 接收服务器来的消息 */
  len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);
  if (len > 0)
    printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据\n",
        buffer, len);
  else {
    printf
      ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
       errno, strerror(errno));
    goto finish;
  }
  bzero(buffer, MAXBUF + 1);
  strcpy(buffer, "from client->server");
  /* 发消息给服务器 */
  len = SSL_write(ssl, buffer, strlen(buffer));
  if (len < 0)
    printf
      ("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
       buffer, errno, strerror(errno));
  else
    printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！\n",
        buffer, len);

 finish:
  /* 关闭连接 */
  SSL_shutdown(ssl);
  SSL_free(ssl);
  close(sockfd);
  SSL_CTX_free(ctx);
  return 0;
}

2.4 证书生成

注意三点

第一点，注意将其中的私钥加密密码（-passout参数）修改成自己的密码；下边都是以带-passout参数生成私钥，如果使用-nodes参数，则最后一步“将加密的RSA密钥转成未加密的RSA密钥”不需要执行。

第二点，证书和密钥给出了直接一步生成和分步生成两种形式，两种形式是等价的，这里使用直接生成形式（分步生成形式被注释）

第三点，注意将其中的证书信息改成自己的组织信息的。其中证数各参数含义如下：

C-----国家（Country Name）

ST----省份（State or Province Name）

L----城市（Locality Name）

O----公司（Organization Name）

OU----部门（Organizational Unit Name）

CN----产品名（Common Name）

emailAddress----邮箱（Email Address）

# CA证书及密钥生成方法一----直接生成CA密钥及其自签名证书
# 如果想以后读取私钥文件ca_rsa_private.pem时不需要输入密码，亦即不对私钥进行加密存储，那么将-passout pass:123456替换成-nodes
openssl req -newkey rsa:2048 -passout pass:123456 -keyout ca_rsa_private.pem -x509 -days 365 -out ca.crt -subj "/C=CN/ST=GD/L=SZ/O=COM/OU=NSP/CN=CA/emailAddress=youremail@qq.com"
# CA证书及密钥生成方法二----分步生成CA密钥及其自签名证书：
# openssl genrsa -aes256 -passout pass:123456 -out ca_rsa_private.pem 2048
# openssl req -new -x509 -days 365 -key ca_rsa_private.pem -passin pass:123456 -out ca.crt -subj "/C=CN/ST=GD/L=SZ/O=COM/OU=NSP/CN=CA/emailAddress=youremail@qq.com"

# 服务器证书及密钥生成方法一----直接生成服务器密钥及待签名证书
# 如果想以后读取私钥文件server_rsa_private.pem时不需要输入密码，亦即不对私钥进行加密存储，那么将-passout pass:server替换成-nodes
openssl req -newkey rsa:2048 -passout pass:server -keyout server_rsa_private.pem -out server.csr -subj "/C=CN/ST=GD/L=SZ/O=COM/OU=NSP/CN=SERVER/emailAddress=youremail@qq.com"
# 服务器证书及密钥生成方法二----分步生成服务器密钥及待签名证书
# openssl genrsa -aes256 -passout pass:server -out server_rsa_private.pem 2048
# openssl req -new -key server_rsa_private.pem -passin pass:server -out server.csr -subj "/C=CN/ST=GD/L=SZ/O=COM/OU=NSP/CN=SERVER/emailAddress=youremail@qq.com"
# 使用CA证书及密钥对服务器证书进行签名：
openssl x509 -req -days 365 -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca_rsa_private.pem -passin pass:123456 -CAcreateserial -out server.crt
# 将加密的RSA密钥转成未加密的RSA密钥，避免每次读取都要求输入解密密码
# 密码就是生成私钥文件时设置的passout、读取私钥文件时要输入的passin，比如这里要输入“server”
openssl rsa -in server_rsa_private.pem -out server_rsa_private.pem.unsecure

# 客户端证书及密钥生成方法一----直接生成客户端密钥及待签名证书
# 如果想以后读取私钥文件client_rsa_private.pem时不需要输入密码，亦即不对私钥进行加密存储，那么将-passout pass:client替换成-nodes
openssl req -newkey rsa:2048 -passout pass:client -keyout client_rsa_private.pem -out client.csr -subj "/C=CN/ST=GD/L=SZ/O=COM/OU=NSP/CN=CLIENT/emailAddress=youremail@qq.com"
# 客户端证书及密钥生成方法二----分步生成客户端密钥及待签名证书：
# openssl genrsa -aes256 -passout pass:client -out client_rsa_private.pem 2048
# openssl req -new -key client_rsa_private.pem -passin pass:client -out client.csr -subj "/C=CN/ST=GD/L=SZ/O=COM/OU=NSP/CN=CLIENT/emailAddress=youremail@qq.com"
# 使用CA证书及密钥对客户端证书进行签名：
openssl x509 -req -days 365 -in client.csr -CA ca.crt -CAkey ca_rsa_private.pem -passin pass:123456 -CAcreateserial -out client.crt
# 将加密的RSA密钥转成未加密的RSA密钥，避免每次读取都要求输入解密密码
# 密码就是生成私钥文件时设置的passout、读取私钥文件时要输入的passin，比如这里要输入“client”
openssl rsa -in client_rsa_private.pem -out client_rsa_private.pem.unsecure

2.5 开发环境配置

操作系统----kali-roaling。为了使用现在虚拟机而已，使用ubuntu、centos等等应该都是没差别的。

IDE----eclipse。直接在终端中编译不通过没深究，放eclipse编译没问题就直接使用eclipse。

2.5.1 在同一活动目录下建了两个project

myclient1----建src文件夹放客户端代码

myserver1----建src文件夹放服务端代码

（其他目录要么是自动生成的，要么是编译后自动生成的，不用管；如果项目有报错试试多重启几次eclipse甚操作系统）

2.5.2 指定ssl和crypto

在项目文件夹上右键----Properties----指定ssl库和crypto库目录不然编译找不到ssl。两个project都要配置

2.5.3 编译

使用Ctrl+B快捷键进行编译，eclipse会编译所有project

2.5.4 证书复制

将前边生成的ca证书（ca.crt）、客户端证书（client.crt）、客户端未加密私钥文件（）复制到myclient1项目的Debug目录下

将前边生成的ca证书、服务端证书、服务端端未加密私钥文件复制到myclient1项目的Debug目录下

2.5.5 运行程序

先运行服务端后运行客户端

./myserver1 7838 1 server.crt server_rsa_private.pem.unsecure
./myclient1 127.0.0.1 7838 client.crt client_rsa_private.pem.unsecure

运行结果如下，服务端：

客户端：