OpenSSL 文件验签与字符串验签原理及 C 语言实现详解

摘要

本文深入探讨了基于 OpenSSL 的文件验签与字符串验签原理及 C 语言实现方法。先阐述数字签名验证原理，包括基于非对称加密算法和哈希算法的签名生成与验证流程，着重介绍 OpenSSL 中利用 EVP 高级接口实现数字签名验证的关键函数及其作用。随后分别提供文件验签和字符串验签的完整 C 语言代码示例，详细解析各步骤要点，如公钥加载、数据读取、验证上下文初始化、更新验证数据及完成验证等，并给出代码步骤详解。此外，还涵盖错误处理与调试技巧，通过 OpenSSL 错误报告机制排查验证失败原因，列举常见错误类型及处理方式。同时对比文件验签与字符串验签特性，从数据来源、加载方式、大数据处理、适用场景及性能角度分析差异。最后总结最佳实践，涵盖算法选择、密钥管理、错误处理、资源管理和性能优化等方面，助力开发者在 OpenSSL 中高效实现文件和字符串签名验证功能，保障数据完整性和真实性。

数字签名验证原理

签名生成原理

哈希计算 ：对原始数据使用哈希算法（如 SHA - 256）生成固定长度的消息摘要。
私钥加密 ：使用签名者的私钥对消息摘要进行加密，生成数字签名。
签名存储 ：将数字签名与原始数据一起存储或传输。

签名验证原理

哈希计算 ：对接收到的原始数据使用相同的哈希算法生成消息摘要。
公钥解密 ：使用签名者的公钥对数字签名进行解密，得到原始消息摘要。
摘要比对 ：比较计算得到的消息摘要和解密得到的消息摘要，如果一致则验证通过。

在 OpenSSL 中，借助 EVP（Envelope）高级接口实现上述流程，主要涉及以下函数：

EVP_DigestVerifyInit() ：初始化验证上下文。
EVP_DigestVerifyUpdate() ：输入待验证数据。
EVP_DigestVerifyFinal() ：完成验证并返回结果。

文件验签 C 语言实现

以下是使用 OpenSSL EVP 接口实现文件验签的完整 C 代码示例：

c 复制代码

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

// 验证文件签名
int verify_file_signature(const char* pubkey_file, 
                         const char* data_file,
                         const char* sig_file) {
    EVP_MD_CTX* mdctx = NULL;
    EVP_PKEY* pubkey = NULL;
    FILE* pubkey_fp = NULL;
    FILE* data_fp = NULL;
    FILE* sig_fp = NULL;
    unsigned char* data = NULL;
    unsigned char* sig = NULL;
    size_t data_len = 0;
    size_t sig_len = 0;
    int result = -1;

    // 1. 读取公钥文件
    pubkey_fp = fopen(pubkey_file, "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;
    }

    // 2. 读取数据文件
    data_fp = fopen(data_file, "rb");
    if (!data_fp) {
        fprintf(stderr, "Error opening data file\n");
        goto cleanup;
    }
    
    fseek(data_fp, 0, SEEK_END);
    data_len = ftell(data_fp);
    fseek(data_fp, 0, SEEK_SET);
    
    data = (unsigned char*)malloc(data_len);
    if (!data) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation error\n");
        goto cleanup;
    }
    
    if (fread(data, 1, data_len, data_fp) != data_len) {
        fprintf(stderr, "Error reading data file\n");
        goto cleanup;
    }

    // 3. 读取签名文件
    sig_fp = fopen(sig_file, "rb");
    if (!sig_fp) {
        fprintf(stderr, "Error opening signature file\n");
        goto cleanup;
    }
    
    fseek(sig_fp, 0, SEEK_END);
    sig_len = ftell(sig_fp);
    fseek(sig_fp, 0, SEEK_SET);
    
    sig = (unsigned char*)malloc(sig_len);
    if (!sig) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation error\n");
        goto cleanup;
    }
    
    if (fread(sig, 1, sig_len, sig_fp) != sig_len) {
        fprintf(stderr, "Error reading signature file\n");
        goto cleanup;
    }

    // 4. 初始化验证上下文
    mdctx = EVP_MD_CTX_new();
    if (!mdctx) {
        fprintf(stderr, "Error creating EVP_MD_CTX\n");
        goto cleanup;
    }
    
    if (EVP_DigestVerifyInit(mdctx, NULL, EVP_sha256(), NULL, pubkey) != 1) {
        fprintf(stderr, "Error initializing verification\n");
        goto cleanup;
    }

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

    // 6. 完成验证
    result = EVP_DigestVerifyFinal(mdctx, sig, sig_len);
    if (result == 1) {
        printf("Signature verification successful\n");
    } else if (result == 0) {
        printf("Signature verification failed\n");
    } else {
        fprintf(stderr, "Error during verification\n");
        result = -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 (data_fp) fclose(data_fp);
    if (sig_fp) fclose(sig_fp);
    if (data) free(data);
    if (sig) free(sig);
    
    return result;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 4) {
        printf("Usage: %s <public_key.pem> <data_file> <signature_file>\n", argv[0]);
        return 1;
    }
    
    return verify_file_signature(argv[1], argv[2], argv[3]) != 1;
}

代码步骤详解

加载公钥 ：利用 PEM_read_PUBKEY 从 PEM 格式的公钥文件中读取公钥。
读取数据文件 ：将待验证的文件内容完整读入内存缓冲区。
读取签名文件 ：把签名数据读入内存缓冲区。
初始化验证上下文 ：创建 EVP_MD_CTX 结构，并借助 EVP_DigestVerifyInit 进行初始化。
更新验证数据 ：调用 EVP_DigestVerifyUpdate 将文件数据输入验证过程。
完成验证 ：通过 EVP_DigestVerifyFinal 进行最终验证。
资源清理 ：释放所有分配的内存和文件资源。

字符串验签 C 语言实现

字符串验签与文件验签主要区别在于数据来源不同，以下是处理内存中字符串数据的验签实现：

c 复制代码

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

// 验证字符串签名
int verify_string_signature(const char* pubkey_file, 
                          const char* message,
                          const unsigned char* sig,
                          size_t sig_len) {
    EVP_MD_CTX* mdctx = NULL;
    EVP_PKEY* pubkey = NULL;
    FILE* pubkey_fp = NULL;
    int result = -1;

    // 1. 读取公钥文件
    pubkey_fp = fopen(pubkey_file, "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;
    }

    // 2. 初始化验证上下文
    mdctx = EVP_MD_CTX_new();
    if (!mdctx) {
        fprintf(stderr, "Error creating EVP_MD_CTX\n");
        goto cleanup;
    }
    
    if (EVP_DigestVerifyInit(mdctx, NULL, EVP_sha256(), NULL, pubkey) != 1) {
        fprintf(stderr, "Error initializing verification\n");
        goto cleanup;
    }

    // 3. 更新验证数据(直接使用字符串)
    if (EVP_DigestVerifyUpdate(mdctx, message, strlen(message)) != 1) {
        fprintf(stderr, "Error updating verification data\n");
        goto cleanup;
    }

    // 4. 完成验证
    result = EVP_DigestVerifyFinal(mdctx, sig, sig_len);
    if (result == 1) {
        printf("Signature verification successful\n");
    } else if (result == 0) {
        printf("Signature verification failed\n");
    } else {
        fprintf(stderr, "Error during verification\n");
        result = -1;
    }

cleanup:
    // 5. 清理资源
    if (mdctx) EVP_MD_CTX_free(mdctx);
    if (pubkey) EVP_PKEY_free(pubkey);
    if (pubkey_fp) fclose(pubkey_fp);
    
    return result;
}

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

int main() {
    const char* pubkey_file = "public_key.pem";
    const char* message = "This is a test message to verify";
    const char* base64_sig = "MEUCIQD..."; // Base64编码的签名
    
    unsigned char* sig = NULL;
    size_t sig_len = 0;
    
    // 解码Base64签名
    if (base64_decode(base64_sig, &sig, &sig_len) != 0) {
        fprintf(stderr, "Error decoding base64 signature\n");
        return 1;
    }
    
    int ret = verify_string_signature(pubkey_file, message, sig, sig_len);
    free(sig);
    
    return ret != 1;
}

代码步骤详解

加载公钥 ：与文件验签相同，运用 PEM_read_PUBKEY 加载公钥。
初始化验证上下文 ：创建并初始化 EVP_MD_CTX 结构。
更新验证数据 ：直接使用字符串数据调用 EVP_DigestVerifyUpdate。
Base64 解码 ：提供辅助函数处理 Base64 编码的签名数据。
完成验证 ：调用 EVP_DigestVerifyFinal 进行最终验证。

错误处理与调试

OpenSSL 提供详细的错误报告机制，可在验证失败时获取更多信息：

c 复制代码

void print_openssl_error() {
    unsigned long err;
    const char* file = NULL;
    const char* data = NULL;
    int line, flags;
    
    while ((err = ERR_get_error_line_data(&file, &line, &data, &flags)) != 0) {
        char buf[256];
        ERR_error_string_n(err, buf, sizeof(buf));
        fprintf(stderr, "OpenSSL error: %s\n", buf);
        fprintf(stderr, "  at %s:%d\n", file, line);
        if (data && (flags & ERR_TXT_STRING)) {
            fprintf(stderr, "  data: %s\n", data);
        }
    }
}

// 在验证函数中使用示例
if (EVP_DigestVerifyInit(mdctx, NULL, EVP_sha256(), NULL, pubkey) != 1) {
    fprintf(stderr, "Error initializing verification\n");
    print_openssl_error();
    goto cleanup;
}

常见错误处理

初始化失败 ：检查公钥格式是否正确，算法是否支持。
更新数据失败 ：检查数据缓冲区是否有效。
验证失败 ：检查签名数据是否正确，公钥是否匹配私钥。
内存错误 ：确保所有分配的资源都被正确释放。

文件验签与字符串验签对比

特性	文件验签	字符串验签
数据来源	文件系统	内存中的字符串
数据加载	需要文件 I/O 操作	直接使用内存数据
大数据处理	可分块读取处理	通常一次性处理
适用场景	验证文件完整性	验证 API 消息、配置数据等
性能考虑	受磁盘 I/O 影响	纯内存操作，速度更快

总结与最佳实践

算法选择 ：推荐使用 SHA - 256 或更强的哈希算法，避免 MD5 或 SHA1 等不安全算法。
密钥管理 ：妥善保管私钥，公钥可通过证书链验证真实性。
错误处理 ：始终检查 OpenSSL 函数返回值，实现全面错误处理。
资源管理 ：确保分配资源正确释放，防止内存泄漏。
性能优化 ：大文件可分块调用 EVP_DigestVerifyUpdate，避免一次性加载。