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# 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。

```sh
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](https://www.feistyduck.com/books/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：

```sh
# 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：

```sh
...+......+.......+.....+.+.....+....+...+..+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*.........+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*..+................+....+......+.....+++++

……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 []:ykla@bsdcn.org	# 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：

```sh
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。

```sh
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：

```sh
# 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：

```sh
.+.+...........+.........+......+...+....+..+.+...+..+.........+...+...+............+.......+.....+...+............+.+..+.+............+..+...+....+.........+.....+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*............+...+...+....+.....+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*.....

……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 []:ykla@bsdcn.org
```

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

```sh
-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：

```sh
# 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=ykla@bsdcn.org
        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=ykla@bsdcn.org

……省略部分输出……
```

证书私钥 **cert.key** 位于 **/etc/ssl/** 目录：

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

验证私钥：

```sh
# 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`。

```sh
# 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](https://www.openssl.org/docs/fips.html)，附有[已知安全问题列表](https://www.openssl.org/news/fips-cve.html)，并定期接受 [FIPS 140 验证流程](https://github.com/openssl/openssl/blob/master/README-FIPS.md)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：

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

输出应类似于以下内容：

```sh
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](https://www.openssl.org/source/)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：

```sh
# 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）：

```sh
	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。

```ini
……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：

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

输出应类似于以下内容：

```sh
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：

```sh
# 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。


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