27.5 OpenSSL

OpenSSL 3 自 FreeBSD 14 起纳入基本系统，引入提供者模块（provider module）架构。本节介绍自签证书生成（自签 CA）、FIPS 合规配置（fips_module 完整性检查与 openssl fipsinstall）和已弃用算法加载。

OpenSSL 3 提供者模块架构：

  应用程序（openssl 命令 / 第三方程序）
     │
     │  调用 libcrypto
     ▼
  libcrypto（核心加密库）
     │
     │  按需加载提供者模块
     ▼
  提供者模块
     │
     ├── default：默认算法集（活跃）
     │     含 AES、SHA、RSA、ECDSA 等现代算法
     │
     ├── legacy：已弃用算法（按需加载）
     │     含 MD2、MD4、RC4、DES 等旧算法
     │
     └── fips：FIPS 140 合规算法集（按需加载）
           严格限定于 FIPS 标准允许的密码算法
           须经 fipsinstall 完整性检查方可使用

概述

OpenSSL 是加密工具包，实现安全套接字层（SSL）和传输层安全（TLS）网络协议，并提供丰富的加密例程。

openssl 程序是该工具包的命令行入口，用户可在 Shell 中调用 OpenSSL 加密库的各类功能，包括：

• 私钥、公钥和参数的创建与管理
• 公钥加密操作
• X.509 证书、CSR 和 CRL 的创建
• 消息摘要与消息认证码的计算
• 使用密码进行加密和解密
• SSL/TLS 客户端和服务器测试
• S/MIME 签名或加密邮件的处理
• 时间戳请求、生成和验证
• 加密例程的性能测试

更多信息请参阅免费的 OpenSSL Cookbook。

生成证书

OpenSSL 支持生成证书，可提交 CA 验证，也可以自行使用。具体而言：

需要 CA 签署的证书签名请求

执行 openssl 搭配以下参数，可生成供 CA 签署的证书：

# openssl req -new -noenc -out req.pem -keyout cert.key -sha512 -newkey rsa:4096

解释命令选项：

选项	解释
openssl req	生成证书签名请求（CSR，Certificate Signing Request）
-new	创建新的证书签名请求
-noenc	不为私钥设置密码，生成的私钥不会加密保护
-out req.pem	指定生成的证书签名请求文件的输出文件名，这里是 req.pem
-keyout cert.key	指定生成的私钥文件的输出路径，这里是 cert.key
-sha512	使用 SHA-512 哈希算法进行签名请求的哈希计算
-newkey rsa:4096	生成新的 RSA 密钥对，使用 4096 位的 RSA 加密算法。

输出应类似于以下内容：

...+......+.......+.....+.+.....+....+...+..+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*.........+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*..+................+....+......+.....+++++

……省略部分输出……

-----
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:CN # 国家和地区两位编码
State or Province Name (full name) [Some-State]:Beijing	# 省或州
Locality Name (eg, city) []:Beijing	# 市
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Chinese FreeBSD Community (CFC) # 组织名称
Organizational Unit Name (eg, section) []:Systems Administrator	# 组织单位名称
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:bsdcn.org # 公用名
Email Address []:[e-mail]	# 电子邮件

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:1234 # 密码不少于四位数
An optional company name []:1234

上述命令生成的是证书签名请求（CSR），需提交给 CA 签署后方可获得证书。

该命令在当前目录创建了两个文件：

req.pem		cert.key

将证书请求文件 req.pem 递交至 CA，由 CA 验证凭据、签署后返回已签名证书；

另一文件 cert.key 为证书私钥，务必妥善保管。私钥一旦泄露，他人即可冒充用户或服务器。

CSR 申请签署流程：

  申请人本地
     │
     │  生成密钥对（openssl req -new）
     ▼
  req.pem（证书签名请求） + cert.key（私钥，本地保管）
     │
     │  将 req.pem 提交至 CA
     ▼
  CA 机构
     │
     │  验证申请人凭据
     │  使用 CA 私钥签署
     ▼
  已签名证书（cert.crt）
     │
     │  返回给申请人
     ▼
  申请人本地
     │
     │  cert.crt 与 cert.key 配对
     ▼
  部署至服务（HTTPS 等）

自签名证书

如果无需 CA 签署，可自行创建自签名证书。

警告

以下命令将证书和私钥直接写入 /etc/ssl/ 系统目录。若该路径下已有证书文件，将被覆盖且无法恢复。请先备份现有证书。

执行以下命令生成 X.509 格式的自签名证书：

# openssl req -new -x509 -days 365 -sha512 -newkey rsa:4096 -keyout /etc/ssl/cert.key -out /etc/ssl/certs/cert.crt

输出应类似于以下内容：

.+.+...........+.........+......+...+....+..+.+...+..+.........+...+...+............+.......+.....+...+............+.+..+.+............+..+...+....+.........+.....+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*............+...+...+....+.....+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*.....

……省略部分输出……

Enter PEM pass phrase: # 设置密码
Verifying - Enter PEM pass phrase: # 再次输入密码
-----
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:CN
State or Province Name (full name) [Some-State]:Beijing
Locality Name (eg, city) []:Beijing
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:Chinese FreeBSD Community (CFC)
Organizational Unit Name (eg, section) []:Systems Administrator
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:bsdcn.org
Email Address []:[e-mail]

此命令将在目录 /etc/ssl/certs 下创建证书文件 cert.crt。

-rw-r--r--  1 root wheel 2228 May 22 13:18 /etc/ssl/certs/cert.crt

可执行如下命令进行验证：

# openssl x509 -in /etc/ssl/certs/cert.crt -text -noout
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            36:78:41:ef:1a:ba:e0:61:85:7e:af:1e:c3:08:58:95:af:5e:95:51
        Signature Algorithm: sha512WithRSAEncryption
        Issuer: C=CN, ST=Beijing, L=Beijing, O=Chinese FreeBSD Community (CFC), OU=Systems Administrator, CN=bsdcn.org, emailAddress=[e-mail]
        Validity
            Not Before: May 22 05:18:09 2026 GMT
            Not After : May 22 05:18:09 2027 GMT
        Subject: C=CN, ST=Beijing, L=Beijing, O=Chinese FreeBSD Community (CFC), OU=Systems Administrator, CN=bsdcn.org, emailAddress=[e-mail]

……省略部分输出……

证书私钥 cert.key 位于 /etc/ssl/ 目录：

-rw-------  1 root wheel 1886 Apr 16 11:53 /etc/ssl/cert.key

验证私钥：

# openssl x509 -noout -modulus -in /etc/ssl/certs/cert.crt | openssl sha256
SHA2-256(stdin)= 2246982ddf52bdbe15cb4df06df58f8e3c5ff075e6aa08bc564caf965ee75203
# openssl rsa -noout -modulus -in /etc/ssl/cert.key | openssl sha256
Enter pass phrase for /etc/ssl/cert.key: # 输入之前设置的密码
SHA2-256(stdin)= 2246982ddf52bdbe15cb4df06df58f8e3c5ff075e6aa08bc564caf965ee75203

如果 SHA-256 值相同，则说明私钥与证书匹配。

建议将上述文件存放于 /etc/ssl/ 目录，使用 chmod 命令设置权限：证书（.crt）为公开信息应设为 0644，私钥（.key）应设为 0600。

# cp /etc/ssl/certs/cert.crt /etc/ssl/
# chmod 0644 /etc/ssl/cert.crt
# chmod 0600 /etc/ssl/cert.key

配置 FIPS 提供者

OpenSSL 3 自 FreeBSD 14 起纳入基本系统，随之而来的还有全新的提供者模块（provider module）概念。

除内置默认提供者外，legacy 模块负责实现现已可选、已弃用的加密算法，fips 模块则严格限定于 FIPS 标准允许的密码算法集。

OpenSSL 的 FIPS 相关部分受到重点关注，附有已知安全问题列表，并定期接受 FIPS 140 验证流程审查。这些措施使用户得以确保满足 FIPS 合规要求。

fips_module 还受额外安全机制保护，未通过完整性检查则无法使用。本地系统管理员可按需配置此检查，继而允许每个 OpenSSL 3 用户加载该模块。如果配置不当，FIPS 模块报错如下：

# echo test | openssl aes-128-cbc -a -provider fips -pbkdf2

输出应类似于以下内容：

aes-128-cbc: unable to load provider fips
Hint: use -provider-path option or OPENSSL_MODULES environment variable.
1090A56510220000:error:12800067:DSO support routines:dlfcn_load:could not load the sharedlibrary:/usr/src/crypto/openssl/crypto/dso/dso_dlfcn.c:115:filename(/usr/lib/ossl-modules/fips.so): Cannot open "/usr/lib/ossl-modules/fips.so"
1090A56510220000:error:12800067:DSO support routines:DSO_load:could not load the shared library:/usr/src/crypto/openssl/crypto/dso/dso_lib.c:147:
1090A56510220000:error:07880025:common libcrypto routines:provider_init:reason(37):/usr/src/crypto/openssl/crypto/provider_core.c:1026:name=fips

可通过创建 /etc/ssl/fipsmodule.cnf 来配置完整性检查，并在 OpenSSL 主配置文件 /etc/ssl/openssl.cnf 中引用。

需要通过 Ports 参照 FIPS 已验证版本清单安装经过认证的 OpenSSL 版本。随后将 fips.so 库复制到对应位置。

警告

FIPS 模块跨大版本混用风险：以下操作将 Ports 中的 OpenSSL 3.0 FIPS 模块复制到基本系统路径，与基本系统的 OpenSSL 3.5 混用。这种跨大版本（3.0 至 3.5）混用存在以下严重风险：

• ABI 不兼容：不同大版本的 OpenSSL 内部数据结构与函数接口可能不兼容，导致程序崩溃或行为异常。
• FIPS 认证失效：FIPS 140 验证针对特定版本组合颁发，跨大版本混用将导致 FIPS 合规性在法律和技术层面均不成立。
• 安全隐患：旧版 FIPS 模块可能缺失新版 OpenSSL 的安全修复，混用后可能引入已知漏洞。

若要合规使用 FIPS 模块，应确保 FIPS 模块与 OpenSSL 库版本严格匹配。若不确定版本兼容性，请勿执行以下操作。

OpenSSL 提供了 openssl fipsinstall 辅助此过程。用法如下：

# cp /usr/local/lib/ossl-modules/fips.so /usr/lib/ossl-modules/
# openssl fipsinstall -module /usr/lib/ossl-modules/fips.so -out /etc/ssl/fipsmodule.cnf

输出应类似于以下内容（版本号取决于 Ports 中安装的 OpenSSL 版本）：

	name:     	OpenSSL FIPS Provider
	version:  	3.0.20
	build:    	3.0.20
INSTALL PASSED

接下来应修改 /etc/ssl/openssl.cnf，加入以下三项配置：

• 引入上面生成的 /etc/ssl/fipsmodule.cnf 文件，
• 导出 FIPS 模块以供调用，
• 并显式激活默认模块。

……省略其他内容……

# For FIPS
# Optionally include a file that is generated by the OpenSSL fipsinstall
# application. This file contains configuration data required by the OpenSSL
# fips provider. It contains a named section e.g. [fips_sect] which is
# referenced from the [provider_sect] below.
# Refer to the OpenSSL security policy for more information.
.include /etc/ssl/fipsmodule.cnf

……省略其他内容……

# List of providers to load
[provider_sect]
default = default_sect
# The fips section name should match the section name inside the
# included fipsmodule.cnf.
fips = fips_sect

# If no providers are activated explicitly, the default one is activated implicitly.
# See man 7 OSSL_PROVIDER-default for more details.
#
# If you add a section explicitly activating any other provider(s), you most
# probably need to explicitly activate the default provider, otherwise it
# becomes unavailable in openssl.  As a consequence applications depending on
# OpenSSL may not work correctly which could lead to significant system
# problems including inability to remotely access the system.
[default_sect]
activate = 1

以上步骤完成后，即可确认 FIPS 模块确实可用且正常工作：

# echo test | openssl aes-128-cbc -a -provider fips -pbkdf2

输出应类似于以下内容：

enter AES-128-CBC encryption password: # 输入密码
Verifying - enter AES-128-CBC encryption password: # 重复输入密码
U2FsdGVkX1+cIAxHqRAhBgFQdCjTDU2sGevQ152Gw74=

查看当前 OpenSSL 提供者状态：

# openssl list -providers
Providers:
  default
    name: OpenSSL Default Provider
    version: 3.5.6
    status: active
  fips
    name: OpenSSL FIPS Provider
    version: 3.0.20
    status: active

以上输出中，default 提供者的版本号取决于系统使用的 OpenSSL 版本（基本系统或 Ports），FIPS 提供者的版本号取决于 Ports 中安装的 OpenSSL 版本。

FIPS 模块发生变动时（如系统更新后，或基本系统 OpenSSL 应用安全修复后），均需要重复上述过程。

课后习题

1. 使用 openssl speed 命令在本地 FreeBSD 系统上分别测试 AES-128-CBC、AES-256-GCM 和 ChaCha20-Poly1305 三种加密算法的吞吐量，分析结果差异的原因。
2. 用 openssl s_client -connect 连接一个公网 HTTPS 站点，从输出中提取证书链、协议版本和协商的密码套件，绘制证书的信任链结构图。
3. 使用 openssl req -x509 生成一个自签名证书，随后配置 FreeBSD 上的 Nginx 或 Apache 使用该证书提供 HTTPS 服务。