openssl相关数据结构的设计

hash表

数据结构：使用链表数组实现

typedef struct lhash_node_st{
    void* data;
    struct lhash_node_st *next;
#ifndef OPENSSL_NO_HASH_COMP
    unsigned long hash;
#endif
}LHASH_NODE;

typedef struct lhash_st{
    LHASH_NODE **b;//整个hash表维护一个链表数组
    LHASH_COMP_FN_TYPE comp;//数据查找的比较函数句柄
    LHASH_HASH_FN_TYPE hash;//用于存放计算hash值函数的地址？
    unsigned int num_nodes;//当前节点数量
    unsigned int num_all_nodes;//节点容量
    unsigned int p;
    unsigned int pmax;
    unsigned long up_load;/*load times 256*/
    unsigned long down_load;/*load times 256*/
    unsigned long num_items;
    unsigned long num_expands;
    unsigned long num_expand_reallocs;
    unsigned long num_contracts;
    unsigned long num_constract_reallocs;
    unsigned long  num_hash_calls;
    unsigned long num_comp_calls;
    unsigned long num_insert;
    unsigned long num_replace;
    unsigned long num_delete;
    unsigned long num_no_delete;
    unsigned long num_retrieve;
    unsigned long num_retrieve_miss;
    unsigned long num_hash_comps;
    int error;
}LHASH;

相关接口

- LHASH *lh_new(LHASH_HASH_FN_TYPE h,LHASH_COMP_FN_TYPE c);
- void *lh_delte(LHASH *lh, const void *data);
- void *lh_doall(LHASH *lh, LHASH_DOALL_FN_TYPE func);
- void *lh_insert(LHASH *lh, void *data);
- void *lh_retrieve(LHASH *lh, const void *data);

内存分配

内存相关数据结构

typedef struct app_mem_info_st{
    unsigned long thread;
    const char *file;
    int line;
    cosnt char *info;
    struct app_mem_info_st *next;
    int references;
    
}APP_INFO;

typedef struct mem_st{
    void *addr;//分配内存的地址
    int num;//分配内存的大小
    const char *file;//分配内存映射的文件
    int line;//分配内存的行号？？
    unsigned long thread;//分配内存的线程ID
    unsigned long order;//第几次分配内存
    time_t time;//内存分配时间
    APP_INFO *app_info;//链表。存放用户应用信息，如文件、行号、以及其他
    unsigned int references;//被引用次数
}MEM;

内存操作相关接口

  • CRYPTO_mem_ctrl：控制内存分配时是否记录内存信息，用于查找内存泄漏
  • CRYPTO_is_mem_check_on：检查内存信息记录是否打开
  • CRYPTO_dbg_malloc：用于分配内存
  • CRYPTO_dbg_free：用于释放内存
  • CRYPTO_mem_leaks：将内存泄漏输出到BIO（后面会介绍）
  • CRYPTO_mem_leaks_fp：将内存泄露输出到文件中
  • CRYPTO_mem_leaks_cb：设定自定义内存泄漏处理的回调函数

抽象IO（BIO）

对于io类型的抽象封装，包括：内存、文件、日志、标准输入输出、socket（TCP/UDP）、加解密、摘要、ssl通道等。通过回调函数隐藏了底层的实现细节，所有类型的bio的调用大体上是类似的。BIO中的数据从一个BIO传送到另外一个BIO或者是应用程序。

数据结构

BIO_METHOD：定义各种回调函数，这是一种抽象接口的封装，具体bio对象会实现这些接口的一个子集。
typedef struct bio_method_st{
    int type;
    const char *name;
    int (*bwrite)(BIO *, const char *, int);
    int (*bread)(BIO*, char *, int);
    int (*bputs))BIO *, const char *);
    int (bgets)(BIO *, char *, int);
    int (*ctrl)(BIO *, int, long, void *);
    int (*create)(BIO *);
    int (*destroy)(BIO *);
    long (*callback_ctrl)(BIO *, int, bio_info_cb *);
}BIO_METHOD;
bio_st：实际使用的bio的类
struct bio_st{
    BIO_METHOD *method;
    long (*callback)(struct bio_st *, const char *, int, long, long);
    char *cb_arg;/*回调函数的第一个参数*/
    int init;//句柄初始化标记
    int shutdown;//关闭
    int retry_reason;//socket和ssl BIO中的异步阻塞时重试
    int num;//针对具体BIO而异
    void *ptr;//具体BIO的相关信息
    struct bio_st *next_bio;
    struct bio_st *prev_bio;
    int references;
    unsigned long num_read;//读取的字节数
    unsigned long num_write;//写入的字节数
    CRYPTO_EX_DATA ex_data;//用于存放额外数据
};
相关接口
  • BIO_new：生成一个bio，参数为类型，比如BIO_s_mem()，初始化bio_st的各种参数
  • BIO_new_file：获取新bio，file可以是各种文件类型，针对不同的文件类型，传入的参数不一样，传入的参数一般是原始文件描述符，如BIO_new_socket获取套接字，传入的是监听套接字
  • BIO_get_fd：设置网络链接，获取socket
//服务器端
sock=BIO_get_accept_socket("2323",0); //获取一个监听的套接字描述符
sbio=BIO_new_socket(sock, BIO_NOCLOSE); //生成一个套接字的bio（被重新设置过的）
ret=BIO_accept(sock,&addr); //从监听的套接字上获取到达的连接请求，并生成新的带有本地标识的客户端描述符
BIO_set_fd(sbio,ret,BIO_NOCLOSE);//将客户端描述符绑定在BIO上，接下来的读取，写入，释放都在此处理
//客户端：
cbio=BIO_new_connect("localhost:http");//用于生成建立连接到本地web服务的BIO
out=BIO_new_fp(stdout,BIO_NOCLOSE);//生成一个输出到屏幕的BIO
//验证连接
if(BIO_do_connect(cbio) <= 0) 
{ 
  fprintf(stderr, "Error connecting to server\n"); 
} 
//发送请求
BIO_puts(cbio, "GET / HTTP/1.0\n\n"); 
for(;;) 
{ 
  len = BIO_read(cbio, tmpbuf, 1024); //从cbio读出到缓存
  if(len <= 0) break; 
  BIO_write(out, tmpbuf, len); //从缓存输出到屏幕
} 
BIO_free(cbio); 
BIO_free(out); 
return 0;
  • BIO_read，BIO_write等对bio的操作

openssl随机数

openssl使用摘要算法来生成随机数。其维护一个内部随机状态数据，通过这些内部数据计算摘要生成随机数。

数据结构

/crypto/rand.h

struct rand_meth_st{
  void (*seed)(const void *buf, int num);//进一步随机化
  int (*bytes)(unsigned char *buf, int num);//生成随机数
  void (*cleanup)(void);//清除函数
  void (*add)(const void *buf, int num, double entropy);//与seed类似，使之更加无序
  int (*pseudorand)(unsigned char *buf, int num);//也是生成随机数，但是做更精细的控制
  int (*status)(void);
}

在同级目录下的主要源码

  • md_rand.c：实现基于摘要的随机数生成
  • rand_lib.c：简单调用了rand_meth中的回调函数
  • rand_win.c/rand_unix.c/rand_os2.c：提供平台相关的RAND_poll函数实现和其他系统特有函数的实现
  • randfile.c：用于从随机文件中加载随机种子等

主要函数

  • int RAND_load_file(const char *file, long bytes)：本函数将file指定的随机数文件中的数据读取bytes字节，调用RAND_add进行计算，生成内部随机数
  • RAND_write_file：生成一个随机数文件
  • const char *RAND_file_name(char *file, size_t num)：获取随机数文件名，如果随机数文件长度小于num则返回空，否则返回文件名
  • RAND_poll：计算内部随机数，各个平台都有各自的实现
  • RAND_screen/RAND_event：windows特有函数，用来计算内部随机数，其调用了RAND_seed
  • RAND_seed/RAND_add：计算随机数
  • RAND_bytes/RAND_pseudo_bytes：用来计算随机数
  • RAND_cleanup：清除内部随机数
  • RAND_set_rand_method：设置rand_meth，自定义设置
  • RAND_status：用来查看内部随机数熵值是否已到达预定值，如果没有就不生成随机数

BASE64编解码

BASE64是一种常见的将16进制数据转化为可见字符的编码。于ASCII码相比，它占用的空间较小。

编码原理

将数据编码成BASE64编码时，以三字节为一组，转换为24bit的二进制数，将24bit的二进制分为四组，每组6bit。对于每一组，得到一个数字0-63。然而根据这个数字查表即可以得到相应的字符

  • 不够24bit时，在右边用零填充，转化为“=”，解码时直接去掉即可

接口

编码接口
  • EVP_EncodeInit：编码前初始上下文
  • EVP_EncodeUpdate：编码，可多次调用
  • EVP_EncodeFinal：编码并输出结果
  • EVP_EncodeBlock：编码
解码接口
  • EVP_DecodeInit 解码前初始化上下文。
  • EVP_DecodeUpdate BASE64解码，本函数可多次调用。
  • EVP_DecodeFinal BASE64解码，并输出结果。
  • EVP_DecodeBlock BASE64解码，可单独调用。

摘要与HMAC

摘要将任意数据通过计算获取唯一对应值。它是一种多对一的关系。主要用于网络安全领域的身份验证于签名。常见的摘要算法有：sha、sha1、sha256以及md5等

摘要的实现

crypto/目录下存放着各种摘要的源代码

函数说明

  • xxx_Init：初始化上下文，用于多数据摘要
  • xxx_Update：摘要算法的名称，进行摘要计算，可运行多次
  • xxx_final：摘要算法的名称
  • xxx：对一个数据进行摘要，该函数由上述三个函数实现

HMAC

HMAC用于保护消息的完整性，它采用摘要算法对消息、填充、以及秘密进行混合运算。用户将其和消息一并发出去，接收方收到数据进行相同的运算然后对比发来的hmac，验证数据是否被篡改

数据压缩

略

RSA

RSA算法是一个广泛使用的公钥算法。其密钥包含公钥和私钥。它能用于数字签名、身份认证以及密钥交换。rsa密钥长度一般为1024或者更高。

RSA的组成

  • n：模数
  • e：公钥指数
  • d：私钥指数
  • p：最初的大素数
  • q：最初的大素数
  • dmp1：e*dmp1 = 1 (mod (p-1))
  • dmq1：e*dmq1 = 1 (mod (q-1))
  • iqmp：q*iqmp = 1 (mod p )
    其中公钥为n和e，私钥为n和d；在实际应用中，公钥加密一般用来协商密钥；私钥加密用于签名，供对方验证发送方身份的合法性，防止中间人攻击

openssl的rsa实现

数据结构
struct rsa_meth_st{
    const char *name;
    int (*rsa_pub_enc)(int flen, const unsigned char* from, unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);
    int (*rsa_pub_dec)(int flen, const unsigned char* from, unsigned char *to, RSA *rsa, int padding);
    int (*rsa_priv_enc)(int flen,const unsigned char *from, unsigned char *to, RSA *rsa, int padding); 
    int (*rsa_priv_dec)(int flen,const unsigned char *from,unsigned char  *to, RSA *rsa, int padding);
    int (*rsa_sign)(int type,const unsigned char *m, unsigned int m_length,unsigned char *sigret, unsigned int *siglen, const RSA *rsa); 
    int (*rsa_verify)(int dtype,const unsigned char *m, unsigned int m_length,unsigned char *sigbuf, unsigned int siglen, const RSA *rsa); 
    int (*rsa_keygen)(RSA *rsa, int bits, BIGNUM *e, BN_GENCB *cb); 
};

struct rsa_st{
  const RSA_METHOD *meth;
  ENGINE *engine;
  BIGNUM *n;
  BIGNUM *e;
  BIGNUM *d;
  BIGNUM *p
  BIGNUM *q;
  BIGNUM *dmp1;
  BIGNUM *dmq1;
  BIGNUM *iqmp;
  CRYPTO_EX_DATA ex_data;
  int references
  ...
}
主要接口

1）RSA_check_key
检查RSA密钥。
2）RSA_new
生成一个RSA密钥结构，并采用默认的rsa_pkcs1_eay_meth RSA_METHOD方法。
3）RSA_free
释放RSA结构。

  1. RSA RSA_generate_key(int bits, unsigned long e_value,
    void (    callback)(int,int,void *), void *cb_arg)
    生成RSA密钥，bits是模数比特数，e_value是公钥指数e，callback回调函数由用户
    实现，用于干预密钥生成过程中的一些运算，可为空。
    5） RSA_get_default_method
    获取默认的RSA_METHOD，为rsa_pkcs1_eay_meth。 6） RSA_get_ex_data
    获取扩展数据。
    7） RSA_get_method
    获取RSA结构的RSA_METHOD。 8） RSA_padding_add_none
    RSA_padding_add_PKCS1_OAEP
    RSA_padding_add_PKCS1_type_1（私钥加密的填充）
    RSA_padding_add_PKCS1_type_2（公钥加密的填充）
    RSA_padding_add_SSLv23
    各种填充方式函数。
    9） RSA_padding_check_none
    RSA_padding_check_PKCS1_OAEP
    RSA_padding_check_PKCS1_type_1
    RSA_padding_check_PKCS1_type_2
    RSA_padding_check_SSLv23
    RSA_PKCS1_SSLeay
    各种去除填充函数。
    10）int RSA_print(BIO *bp, const RSA *x, int off)
    将RSA信息输出到BIO中，off为输出信息在BIO中的偏移量，比如是屏幕BIO，则表示打印
    信息的位置离左边屏幕边缘的距离。
    11）int DSA_print_fp(FILE *fp, const DSA *x, int off)
    将RSA信息输出到FILE中，off为输出偏移量。
    12）RSA_public_decrypt
    RSA公钥解密。
    13）RSA_public_encrypt
    RSA公钥加密。
    14）RSA_set_default_method/ RSA_set_method
    设置RSA结构中的method，当用户实现了一个RSA_METHOD时，调用此函数来设置，使
    RSA运算采用用户的方法。
    15）RSA_set_ex_data
    设置扩展数据。
    16）RSA_sign
    RSA签名。
    17）RSA_sign_ASN1_OCTET_STRING
    另外一种RSA签名，不涉及摘要算法，它将输入数据作为ASN1_OCTET_STRING进行DER
    编码，然后直接调用RSA_private_encrypt进行计算。
    18）RSA_size
    获取RSA密钥长度字节数。
    19）RSA_up_ref
    给RSA密钥增加一个引用。
    20）RSA_verify
    RSA验证。
    21）RSA_verify_ASN1_OCTET_STRING
    另一种RSA验证，不涉及摘要算法，与RSA_sign_ASN1_OCTET_STRING对应。
    22）RSAPrivateKey_asn1_meth
    获取 RSA 私钥的 ASN1_METHOD，包括 i2d、d2i、new 和 free 函数地址。
    23）RSAPrivateKey_dup
    复制RSA私钥。
    24）RSAPublicKey_dup
    复制RSA公钥。

未完待续。。。

数字签名算法（DSA）

DH算法（通信双方进行密钥协商的协议）

https工作全流程

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