OpenSSL 3.0 简介(4)_openssl3.0中文

        先介绍一些概念：

库上下文（Library Context）
        库上下文是一个在 OpenSSL 3.0 版源码中定义的不透明的结构体，在其内部保存全局性的数据。当前对这个结构体的使用，仅限于用来保存核心用到的全局数据，将来可能会做扩展，将其他存在的全局数据也放进去。一个应用程序可以创建和销毁一个或多个供核心使用的库上下文。如果应用程序不创建库上下文，这时一个内部默认的库上下文将被使用。
        创建和销毁库上下文的函数分别是：
OPENSSL_CTX  *OPENSSL_CTX_new( );
void  OPENSSL_CTX_free(OPENSSL_CTX *ctx);

属性（Properties）
        算法实现（包括密码学算法和非密码学算法）都具有属性。对于 OpenSSL 3.0，两种属性分别被定义为：
1）是否是默认的实现？
2）是否是 FIPS 验证通过的实现？
        通过使用可打印的 ASCII 字符串来定义属性，字符串是大小写敏感的。例如对于 default=yes 这个字符串，它定义了一个属性，含义是“这是默认的实现”，其中 default 是属性名，yes 是属性值。再如对于 fips=no 这个字符串，含义是“这不是 FIPS 验证通过的实现”，其中 fips 是属性名，no 是属性值。

算法查询（Algorithm Query）
        每一种算法类型都有一个对应的“获取函数”（fetch function），例如 EVP_MD 类型算法对应的获取函数是 EVP_MD_fetch( )，EVP_CIPHER 类型算法对应的获取函数是 EVP_CIPHER_fetch( )。每一个获取函数都会通过使用核心提供的服务，查找所需的算法实现。当具体的那一个算法实现被找到后，它将被存入一个与算法有关的结构体（例如 EVP_MD, EVP_CIPHER），然后返回给应用程序，供其调用。在根据名称和属性查询某一个具体的算法实现时，可能会出现多个同样好的结果被找到的情况，被返回的查询结果是不确定的。此时一个随机选择的结果将被返回，而在下一次查询时，可能另一个查询结果会被随机选中，然后被返回，这样每次返回的查询结果都有可能不一样。

算法查询缓存（Algorithm Query Caching）
        一般情况下查询具体算法实现的结果将被缓存，但该缓存也可以被手动清空。

基于属性的算法选择（Property-based Algorithm Selection）：
        提供者要对它能提供的每一种算法实现都设置属性值。应用程序在查询某一个具体的算法实现时，将指定的属性和值作为过滤规则的一部分来执行检索。
        为了指定属性值，可以通过三种途径：
1）在一个配置文件中进行全局性指定；
2）通过调用 API 进行全局性指定；
3）针对某一个对象（例如 SSL_CTX 类型的对象）指定相关的属性。
        默认情况下，OpenSSL 3.0 会加载一个配置文件，该文件中包含全局属性和其他设置，libcrypto 库文件将自动加载这个配置文件。注意 OpenSSL 3.0 与 OpenSSL 1.1.1 不同，在 1.1.1 版中是由 libssl 库文件在初始化时自动加载配置文件。
        当设置了全局属性，但获取函数在查询时使用了一个与全局属性所设值冲突的属性值时，获取函数使用的那个属性值优先级更高，查询将以获取函数使用的属性值作为过滤规则，而忽略全局属性。例如：全局属性为 fips=no，通过获取函数传入的属性值为 fips=yes，这时将根据 fips=yes 来进行查询，全局属性中使用的 fips=no 将被忽略。

“调度表”（dispatch table）

        调度表是由多个 <function-id, function-pointer> 配对组成的列表。function-id 由 OpenSSL 公开定义，与一组属性相关联，使用这些属性可以识别不同的具体实现。核心可以使用某一个属性及值作为过滤条件，执行查询，看看能否找到对应的函数。在代码中用以下结构体表示 <function-id, function-pointer> 配对：
typedef struct ossl_dispatch_st {
    int function_id;
    void *(*function)();
} OSSL_DISPATCH;
        调度表在代码中的存在形式是一个包含多个 OSSL_DISPATCH 类型元素的数组，这个数组最后一个元素的 function_id 值被设为 0，用来标记数组的结束位置。这种使用特殊元素值来表示数组终止位置的方式与 C 语言中使用 \0 表示字符串结束符有点类似。

        OpenSSL 3.0 在工作时其内部组件的交互过程如下图：

        工作流程大致是这样的：
1）加载提供者；加载分为隐式和显式两种，隐式加载是指使用默认的提供者或通过配置文件来指定提供者，显式加载是指在用户的应用程序中指定提供者。加载包含加载动态共享对象及初始化。加载提供者时，将执行以下操作：
      (a) 核心将模块加载到内存中；如果默认的提供者已经在内存中，则不需要执行这一步。
      (b) 为了初始化提供者，核心调用提供者的“入口点函数”（entry point function）。如果初始化成功，一个“提供者算法实现查询回调（callback）函数”会被返回给核心。
2）为了让用户的应用程序能够调用到一个密码算法实现，用户应用程序必须首先执行一个算法查询操作，即通过某个“属性”来查询相关算法的实现。具体过程是：用户应用程序通过调用“获取程序”（fetch function），发出对要使用的密码算法的“请求”（request），接下来由 EVP 接口合并全局属性与调用时临时指定的属性，用这些属性来检索将要使用的算法实施。当找到对应的算法实施后，创建并返回一个“库句柄“（library handle）给应用程序，例如 EVP_MD 和 EVP_CIPHER 类型的变量都是库句柄。搜索时，先在”调度表“（dispatch table）中查找，这是在一个内部缓存中执行的搜索过程。如果在缓存中未找到，接下来使用属性到提供者处查询。此时查询结果会被放入缓存，这样就能加速以后搜索的速度。提供者也可以选择不允许将搜索结果放入缓存。
3）用户应用程序通过 EVP API 调用算法。如果在上一步中搜索成功，应用程序就拿到了返回的库句柄，接下来调用库句柄（实质是一个函数指针），就能调用提供者中包含的算法实现、执行密码运算了。

        对于在 OpenSSL 3.0 之前版本中就已存在的 EVP_{algorithm} 形式的函数（比如EVP_sha256( ) ），整个执行过程不完全一样，区别在于未执行第（2）步中获取程序操作，因为对于这些函数，实际上在 EVP 初始化函数执行时，就完成了获取程序操作。例如在调用 EVP_sha256( ) 计算杂凑时，在将 EVP_MD_CTX 类型的变量与 EVP 初始化函数绑定的时刻，执行了获取程序操作。

        调用 EVP 层的函数，实质上是调用了提供者内部的、具有近似名称的函数，EVP函数将调用提供者内部函数的过程封装起来，使得调用提供者内部函数的过程对外不可见。例如在计算杂凑值时，通过调用 EVP_MD_fetch( ) 函数，在核心的调度表中使用消息摘要算法名称和其他属性作为关键字，查询提供者提供的那个具有近似名的函数，查询结果是一个函数指针，该指针将被放在 md 对象结构体（其类型为 EVP_MD）的一个成员中返回，应用程序使用这个函数指针来调用提供者内部的函数实现，做杂凑运算。

小结
        OpenSSL 3.0 之前的版本，可以看成是一系列功能函数的集合，这些函数只是被动地等待用户应用程序来调用它们。从OpenSSL 3.0 版开始，是参照 FIPS 140 系列标准来设计的，即设计的一个出发点是应符合对“密码模块”的安全要求。密码模块除了提供最基本的密码学运算等功能之外，还要具备启动时完整性自检和密码算法正确性自检等功能，如果自检失败就会退出，不再对外提供服务。当各种自检通过之后，密码模块才能正式向调用它的应用程序提供服务。自检通过后的工作步骤大体如下：
1）加载 OpenSSL 3.0 库文件，首先由核心加载各个提供者，提供者必须到核心处去注册自己能提供的服务项目，核心相当于一个管理员，把各位提供者能提供的服务项登记造册管理起来，即放入调度表中；
2）用户应用程序调用 OpenSSL 3.0，实际上是通过调用获取函数与核心通信，把用户应用程序的需求告诉核心，核心查询当前提供者填写的服务列表缓存，如果在缓存中找不到服务项，就再向提供者发出查询请求，提供者将查询结果发给核心，核心再把查询结果告知应用程序。
3）应用程序调用 EVP 接口，调用提供者内部的具体算法实现。
        OpenSSL 3.0 中引入的服务查询、调度表等概念，其实不是新鲜事，在微软组件模型（COM）的设计思想中，也有类似的概念。