OpenSSL 簽名驗證詳解：PKCS7* p7、cafile 與 RSA 驗簽實現

摘要

本文深入剖析 OpenSSL 中 PKCS7* p7 數據結構和 cafile 的作用及相互關系，詳細講解基于 OpenSSL 的 RSA 驗簽字符串的 C 語言實現，涵蓋簽名解析、證書加載、驗證流程及關鍵要點，助力開發者掌握數字簽名驗證技術，確保數據完整性和來源可靠性。

一、PKCS7* p7 與 cafile 的關鍵作用

（一）PKCS7* p7：簽名數據的核心載體

1. 結構與內容

   • PKCS#7（Public Key Cryptography Standards #7）標準涵蓋數字簽名、證書、數據加密及消息認證。PKCS7* p7 是處理 PKCS#7 格式數字簽名的關鍵數據結構，通過 d2i_PKCS7_bio() 函數將 DER 編碼的 PKCS#7 數據解析為該結構體。
   • p7 包含豐富的簽名信息，如簽名者信息、簽名算法、簽名數據及證書鏈等。在驗證簽名時，PKCS7_verify() 函數利用這些信息驗證簽名有效性、檢查證書鏈完整性，確保數據未被篡改。

2. 缺失影響

   PKCS7* p7 = d2i_PKCS7_bio(signp7_mem, 0);
   if (p7 == NULL) {// 無法獲取簽名信息，驗證過程無法進行
   }
   

   • 若缺失 p7，將無法讀取簽名數據，整個驗證過程直接失敗，相當于沒有驗證對象。

3. 釋放內存

   • 使用完畢后，需調用 PKCS7_free(p7); 釋放結構體，避免內存泄漏。

（二）cafile：信任鏈的根基

1. 作用與使用

   • cafile 是包含根證書或中間證書的 CA（Certificate Authority，證書頒發機構）證書文件，用于建立信任鏈，驗證簽名者證書合法性，是數字簽名驗證的信任錨點。
   • 在代碼中，通過 X509_STORE_load_locations(store, cafile, NULL) 將 CA 證書加載到證書庫。PKCS7_verify() 函數利用加載的 CA 證書驗證簽名者證書，檢查證書鏈完整性，確認簽名者證書由可信 CA 簽發。

2. 缺失影響

   if (!X509_STORE_load_locations(store, cafile, NULL)) {LOG_ERR("Load CA file %s fail\n", cafile);// 無法建立信任鏈，驗證過程無法完成return CRYPTO_FAIL;
   }
   

   • 若 cafile 缺失或無效，無法驗證簽名者證書真實性，無法確認簽名者身份，相當于有簽名但無法確認其真實性，驗證過程無法完成。

3. 兩者關系

   • p7 是驗證對象（要驗證什么），cafile 是驗證依據（如何驗證），二者缺一不可，只有結合才能完成完整的簽名驗證過程。

二、OpenSSL RSA 驗簽字符串的 C 語言實現

（一）完整代碼

#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>// 錯誤處理函數
void handle_openssl_error() {ERR_print_errors_fp(stderr);exit(EXIT_FAILURE);
}// Base64解碼函數
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驗簽函數
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. 根據算法名稱獲取哈希算法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. 加載公鑰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解碼簽名if (base64_decode(base64_signature, &signature, &sig_len) != 0) {fprintf(stderr, "Error decoding base64 signature\n");goto cleanup;}// 4. 初始化驗簽上下文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. 更新驗簽數據if (EVP_DigestVerifyUpdate(mdctx, message, strlen(message)) != 1) {fprintf(stderr, "Error updating verification data\n");goto cleanup;}// 6. 完成驗簽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. 清理資源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OpenSSLOpenSSL_add_all_algorithms();ERR_load_crypto_strings();int result = rsa_verify_string(argv[1], argv[2], argv[3], argv[4]);// 清理OpenSSLEVP_cleanup();ERR_free_strings();return (result != 1);
}

（二）代碼詳解

1. 哈希算法選擇

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

   • 根據傳入的哈希算法名稱（“sha1” 或 “sha256”），獲取對應的哈希算法結構體指針。也可使用 EVP_get_digestbyname("sha256") 動態獲取算法。

2. 公鑰加載

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

   • 從 PEM 格式的公鑰文件中讀取公鑰，支持 RSA、DSA、ECDSA 等多種公鑰類型。

3. Base64 解碼

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

   • 利用 OpenSSL 的 BIO 接口進行 Base64 解碼，BIO_FLAGS_BASE64_NO_NL 標志表示不處理換行符。

4. 驗簽流程

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

   • EVP_DigestVerifyInit：初始化驗簽上下文，指定哈希算法和公鑰。
   • EVP_DigestVerifyUpdate：輸入待驗證的數據，可多次調用以處理大消息。
   • EVP_DigestVerifyFinal：完成驗簽并返回結果。

5. 錯誤處理

   ERR_print_errors_fp(stderr);
   

   • OpenSSL 錯誤處理機制可輸出詳細錯誤信息，每個 OpenSSL 函數調用后都應檢查返回值。

（三）使用示例

1. 編譯命令

   gcc rsa_verify.c -o rsa_verify -lssl -lcrypto
   

2. 運行示例

   • 使用 SHA256 驗證：

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

   • 使用 SHA1 驗證：

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

（四）關鍵點說明

1. 哈希算法選擇

   • SHA1 產生 160 位（20 字節）摘要，SHA256 產生 256 位（32 字節）摘要。現代應用推薦使用 SHA256，SHA1 已逐漸被淘汰。

2. 簽名格式

   • RSA 簽名通常是 PKCS#1 v1.5 格式，簽名長度等于 RSA 密鑰長度（如 2048 位 = 256 字節）。

3. 性能考慮

   • 對于大消息，可分塊調用 EVP_DigestVerifyUpdate。SHA256 計算比 SHA1 稍慢但更安全。

4. 資源管理

   • 必須正確釋放所有 OpenSSL 對象，使用 goto cleanup 模式集中處理資源釋放。

5. Base64 處理

   • 簽名通常以 Base64 編碼傳輸，驗簽前需要解碼為二進制格式。

通過上述內容，開發者可以全面了解 OpenSSL 中 PKCS7* p7 和 cafile 的作用、關系以及 RSA 驗簽的 C 語言實現細節，從而在實際項目中靈活應用數字簽名驗證技術，保障數據的安全性和完整性。