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【C++网络编程】第9篇：安全网络编程（TLS/SSL）

news 来源：原创 2025/5/9 7:34:32

一、SSL与TLS的关系：从起源到现代加密

1. 历史演进

SSL 1.0（1994年）：由网景公司（Netscape）设计，但因存在严重漏洞从未公开发布。
SSL 3.0（1996年）：首个广泛应用的版本，支持RSA密钥交换和MD5哈希算法，但后来因POODLE漏洞被逐步淘汰。
TLS 1.0（1999年）：作为SSL 3.0的升级版，由IETF标准化，引入更安全的算法（如AES），但仍保留对SSL的兼容性。
TLS 1.2（2008年）：支持SHA-256、AEAD加密模式，成为现代互联网的主流协议。
TLS 1.3（2018年）：最新版本，大幅简化握手流程，禁用不安全的算法（如RSA密钥交换、SHA-1），并支持前向安全性（Forward Secrecy）。

关键演进点：

性能优化：TLS 1.3将握手时间从2-RTT减少到1-RTT（甚至0-RTT），提升用户体验。
安全性增强：移除弱加密算法（如RC4、DES），仅保留AES、ChaCha20等现代算法。

2. 核心功能解析

2.1 加密传输

对称加密：使用AES-256或ChaCha20算法加密数据流，确保窃听者无法解读内容。
前向安全性：每次会话生成临时密钥（如ECDHE），即使长期私钥泄露，历史通信仍安全。

2.2 身份验证

数字证书：服务器（或客户端）通过X.509证书证明身份，证书包含公钥、域名、颁发机构等信息。
证书验证：浏览器检查证书是否由受信任的CA签发，是否在有效期内，以及域名是否匹配。

2.3 完整性校验

HMAC（哈希消息认证码）：防止数据在传输中被篡改，TLS 1.2使用SHA-256等算法生成消息摘要。
AEAD模式：TLS 1.3将加密和完整性校验合并（如AES-GCM），提升效率。

二、证书体系：信任链的构建与验证

1. CA（证书颁发机构）

角色：作为受信任的第三方，CA负责审核申请者身份并签发数字证书。
商业CA：如DigiCert、GlobalSign，提供OV（组织验证）和EV（扩展验证）证书，适合企业场景。
免费CA：Let’s Encrypt通过自动化颁发DV（域名验证）证书，推动HTTPS普及。

2. 证书链的工作原理

2.1 层级结构：

根证书：自签名的顶级证书，预置于操作系统/浏览器中（如ISRG Root X1）。
中间证书：由根证书签发的次级CA证书，用于隔离风险（根证书离线存储）。
服务器证书：最终用于网站的证书，由中间证书签发。
验证流程：
浏览器从服务器证书开始，逐级验证签名链，直到找到信任的根证书。若中间证书缺失，会导致“证书链不完整”错误。

3. 自签名证书的适用场景

内部测试：开发环境中无需购买CA证书，但需手动导入到受信任列表。
局限性：浏览器会显示警告，且缺乏CA的吊销机制（如OCSP），不适用于生产环境。

三、OpenSSL环境配置

1. 安装OpenSSL（通过vcpkg）

vcpkg install openssl

安装完成后，在以下目录找到openssl.exe

你的vcpkg目录\installed\x64-windows\tools\openssl

注：如果没有可以执行vcpkg install openssl[tools] --recurse重新编译
将该目录添加至环境变量或在该目录直接启动PowerShell。

openssl --version

# 输出
OpenSSL 3.4.1 11 Feb 2025 (Library: OpenSSL 3.4.1 11 Feb 2025)

2. 生成自签名证书（测试用）

C++项目/
  ├── main.cpp
  ├── SecuritySocketLayer/
  │   └── 目录为空就行

在SecuritySocketLayer目录中启动PowerShell执行下列相关指令

# 生成私钥（RSA 2048位）
openssl genpkey -algorithm RSA -out server.key -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

# 生成证书签名请求（CSR）
openssl req -new -config "你的vcpkg目录\installed\x64-windows\tools\openssl\openssl.cnf" -key server.key -out server.csr -subj "/CN=localhost"

# 自签名证书（有效期365天）
openssl x509 -req -days 365 -in server.csr -signkey server.key -out server.crt

生成完成后的文件结构：

C++项目/
  ├── main.cpp
  ├── SecuritySocketLayer/
  │   └── server.key
  │   └── server.csr
  │   └── server.crt

四、实现TLS服务器与客户端

1. 服务器端代码

#include <iostream>
#include <cstring>  
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
#pragma comment(lib, "libssl.lib")
#pragma comment(lib, "libcrypto.lib")

void InitializeSSL() {
   
    SSL_load_error_strings();
    OpenSSL_add_ssl_algorithms();
}

void CleanupSSL() {
   
    EVP_cleanup();
}

int main() {
   
    WSADATA wsaData;
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2,