OpenSSL 签名验证详解：PKCS7* p7、cafile 与 RSA 验签实现

OpenSSL 签名验证详解：PKCS7* p7、cafile 与 RSA 验签实现

摘要

本文深入剖析 OpenSSL 中 PKCS7* p7 数据结构和 cafile 的作用及相互关系，详细讲解基于 OpenSSL 的 RSA 验签字符串的 C 语言实现，涵盖签名解析、证书加载、验证流程及关键要点，助力开发者掌握数字签名验证技术，确保数据完整性和来源可靠性。

一、PKCS7* p7 与 cafile 的关键作用

（一）PKCS7* p7：签名数据的核心载体

1. 结构与内容

   • PKCS#7（Public Key Cryptography Standards #7）标准涵盖数字签名、证书、数据加密及消息认证。PKCS7* p7 是处理 PKCS#7 格式数字签名的关键数据结构，通过 d2i_PKCS7_bio() 函数将 DER 编码的 PKCS#7 数据解析为该结构体。
   • p7 包含丰富的签名信息，如签名者信息、签名算法、签名数据及证书链等。在验证签名时，PKCS7_verify() 函数利用这些信息验证签名有效性、检查证书链完整性，确保数据未被篡改。

2. 缺失影响

   PKCS7* p7 = d2i_PKCS7_bio(signp7_mem, 0);
   if (p7 == NULL) {
       // 无法获取签名信息，验证过程无法进行
   }

   • 若缺失 p7，将无法读取签名数据，整个验证过程直接失败，相当于没有验证对象。

3. 释放内存

   • 使用完毕后，需调用 PKCS7_free(p7); 释放结构体，避免内存泄漏。

（二）cafile：信任链的根基

1. 作用与使用

   • cafile 是包含根证书或中间证书的 CA（Certificate Authority，证书颁发机构）证书文件，用于建立信任链，验证签名者证书合法性，是数字签名验证的信任锚点。
   • 在代码中，通过 X509_STORE_load_locations(store, cafile, NULL) 将 CA 证书加载到证书库。PKCS7_verify() 函数利用加载的 CA 证书验证签名者证书，检查证书链完整性，确认签名者证书由可信 CA 签发。

2. 缺失影响

   if (!X509_STORE_load_locations(store, cafile, NULL)) {
       LOG_ERR("Load CA file %s fail\n", cafile);
       // 无法建立信任链，验证过程无法完成
       return CRYPTO_FAIL;
   }

   • 若 cafile 缺失或无效，无法验证签名者证书真实性，无法确认签名者身份，相当于有签名但无法确认其真实性，验证过程无法完成。

3. 两者关系

   • p7 是验证对象（要验证什么），cafile 是验证依据（如何验证），二者缺一不可，只有结合才能完成完整的签名验证过程。

二、OpenSSL RSA 验签字符串的 C 语言实现

（一）完整代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <openssl/evp.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/buffer.h>

// 错误处理函数
void handle_openssl_error() {
    ERR_print_errors_fp(stderr);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// Base64解码函数
int base64_decode(const char *base64_data, unsigned char **decoded_data, size_t *decoded_len) {
    BIO *bio, *b64;
    int len = strlen(base64_data);
    
    b64 = BIO_new(BIO_f_base64());
    BIO_set_flags(b64, BIO_FLAGS_BASE64_NO_NL);
    bio = BIO_new_mem_buf((void*)base64_data, len);
    bio = BIO_push(b64, bio);
    
    *decoded_data = (unsigned char*)malloc(len);
    if (!*decoded_data) {
        BIO_free_all(bio);
        return -1;
    }
    
    *decoded_len = BIO_read(bio, *decoded_data, len);
    BIO_free_all(bio);
    
    return (*decoded_len > 0) ? 0 : -1;
}

// RSA验签函数
int rsa_verify_string(const char *pubkey_path, 
                     const char *message,
                     const char *base64_signature,
                     const char *hash_alg) {
    EVP_MD_CTX *mdctx = NULL;
    EVP_PKEY *pubkey = NULL;
    FILE *pubkey_fp = NULL;
    unsigned char *signature = NULL;
    size_t sig_len = 0;
    int ret = -1;
    const EVP_MD *md = NULL;

    // 1. 根据算法名称获取哈希算法
    if (strcmp(hash_alg, "sha1") == 0) {
        md = EVP_sha1();
    } else if (strcmp(hash_alg, "sha256") == 0) {
        md = EVP_sha256();
    } else {
        fprintf(stderr, "Unsupported hash algorithm: %s\n", hash_alg);
        goto cleanup;
    }

    // 2. 加载公钥
    pubkey_fp = fopen(pubkey_path, "r");
    if (!pubkey_fp) {
        fprintf(stderr, "Error opening public key file\n");
        goto cleanup;
    }
    
    pubkey = PEM_read_PUBKEY(pubkey_fp, NULL, NULL, NULL);
    if (!pubkey) {
        fprintf(stderr, "Error reading public key\n");
        goto cleanup;
    }

    // 3. Base64解码签名
    if (base64_decode(base64_signature, &signature, &sig_len) != 0) {
        fprintf(stderr, "Error decoding base64 signature\n");
        goto cleanup;
    }

    // 4. 初始化验签上下文
    mdctx = EVP_MD_CTX_new();
    if (!mdctx) {
        fprintf(stderr, "Error creating EVP_MD_CTX\n");
        goto cleanup;
    }
    
    if (EVP_DigestVerifyInit(mdctx, NULL, md, NULL, pubkey) != 1) {
        fprintf(stderr, "Error initializing verification\n");
        goto cleanup;
    }

    // 5. 更新验签数据
    if (EVP_DigestVerifyUpdate(mdctx, message, strlen(message)) != 1) {
        fprintf(stderr, "Error updating verification data\n");
        goto cleanup;
    }

    // 6. 完成验签
    ret = EVP_DigestVerifyFinal(mdctx, signature, sig_len);
    if (ret == 1) {
        printf("Signature verification successful (%s)\n", hash_alg);
    } else if (ret == 0) {
        printf("Signature verification failed (%s)\n", hash_alg);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error during verification\n");
        ret = -1;
    }

cleanup:
    // 7. 清理资源
    if (mdctx) EVP_MD_CTX_free(mdctx);
    if (pubkey) EVP_PKEY_free(pubkey);
    if (pubkey_fp) fclose(pubkey_fp);
    if (signature) free(signature);
    
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 5) {
        printf("Usage: %s <public_key.pem> <message> <base64_signature> <sha1|sha256>\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    // 初始化OpenSSL
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    ERR_load_crypto_strings();

    int result = rsa_verify_string(argv[1], argv[2], argv[3], argv[4]);
    
    // 清理OpenSSL
    EVP_cleanup();
    ERR_free_strings();
    
    return (result != 1);
}

（二）代码详解

1. 哈希算法选择

   if (strcmp(hash_alg, "sha1") == 0) {
       md = EVP_sha1();
   } else if (strcmp(hash_alg, "sha256") == 0) {
       md = EVP_sha256();
   }

   • 根据传入的哈希算法名称（"sha1" 或 "sha256"），获取对应的哈希算法结构体指针。也可使用 EVP_get_digestbyname("sha256") 动态获取算法。

2. 公钥加载

   pubkey = PEM_read_PUBKEY(pubkey_fp, NULL, NULL, NULL);

   • 从 PEM 格式的公钥文件中读取公钥，支持 RSA、DSA、ECDSA 等多种公钥类型。

3. Base64 解码

   BIO *b64 = BIO_new(BIO_f_base64());
   BIO_set_flags(b64, BIO_FLAGS_BASE64_NO_NL);

   • 利用 OpenSSL 的 BIO 接口进行 Base64 解码，BIO_FLAGS_BASE64_NO_NL 标志表示不处理换行符。

4. 验签流程

   EVP_DigestVerifyInit(mdctx, NULL, md, NULL, pubkey);
   EVP_DigestVerifyUpdate(mdctx, message, strlen(message));
   EVP_DigestVerifyFinal(mdctx, signature, sig_len);

   • EVP_DigestVerifyInit：初始化验签上下文，指定哈希算法和公钥。
   • EVP_DigestVerifyUpdate：输入待验证的数据，可多次调用以处理大消息。
   • EVP_DigestVerifyFinal：完成验签并返回结果。

5. 错误处理

   ERR_print_errors_fp(stderr);

   • OpenSSL 错误处理机制可输出详细错误信息，每个 OpenSSL 函数调用后都应检查返回值。

（三）使用示例

1. 编译命令

   gcc rsa_verify.c -o rsa_verify -lssl -lcrypto

2. 运行示例

   • 使用 SHA256 验证：

     ./rsa_verify public_key.pem "message to verify" "base64_signature" sha256

   • 使用 SHA1 验证：

     ./rsa_verify public_key.pem "message to verify" "base64_signature" sha1

（四）关键点说明

1. 哈希算法选择

   • SHA1 产生 160 位（20 字节）摘要，SHA256 产生 256 位（32 字节）摘要。现代应用推荐使用 SHA256，SHA1 已逐渐被淘汰。

2. 签名格式

   • RSA 签名通常是 PKCS#1 v1.5 格式，签名长度等于 RSA 密钥长度（如 2048 位 = 256 字节）。

3. 性能考虑

   • 对于大消息，可分块调用 EVP_DigestVerifyUpdate。SHA256 计算比 SHA1 稍慢但更安全。

4. 资源管理

   • 必须正确释放所有 OpenSSL 对象，使用 goto cleanup 模式集中处理资源释放。

5. Base64 处理

   • 签名通常以 Base64 编码传输，验签前需要解码为二进制格式。

通过上述内容，开发者可以全面了解 OpenSSL 中 PKCS7* p7 和 cafile 的作用、关系以及 RSA 验签的 C 语言实现细节，从而在实际项目中灵活应用数字签名验证技术，保障数据的安全性和完整性。