Openssl 加密算法库编程精要 01 简介
提示：如果读者发现了本系列文章所述的问题和错误，笔者欢迎各位读者将建议发到笔者的电子邮箱 huowenjie0427@sina.com，我将不定时更正或优化。
参考资料
1.1 简述
Openssl 是一个免费开源的工具包，实现了 TLS/SSL 协议和绝大多数的主流密码算法和标准，最初的版本由 Eric A. Young 和 Tim J. Hudson 创建，其官方网站为 www.openssl.org。Openssl 主要包含三个部分：
- libssl – TLS 协议的实现（RFC 8446）
- libcrypto – 加密算法库，支持绝大多数密码算法，是实现 TLS 协议和 PKI 体系的基础
- openssl – 命令行工具
Openssl 当前主要的发布版本是 1.1.1，新开发的 Openssl3.0+ 相较于前者不论是架构体系还是设计理念都有了较大的变化。尽管 Openssl 团队发布声明会尽量将这次的版本升级的影响降至最低，但是不可避免的，用户在从 1.1.1 迁移至 3.0+ 仍然需要改动部份程序，并且需要重新编译应用程序。所以目前来看 Openssl3.0 这个版本并不兼容旧的版本，而且随着时间的推移会逐步将一大部分接口直接废弃，特别是那些贴近底层的 API。
Openssl 团队进一步优化了新版本架构，将各个模块的耦合性进一步降低，并且提供了一个叫 “Provider” 的模式用来管理其他的底层模块，实现动态的、可插拔的底层实现。而对于应用层而言，用户无需考虑各种底层实现，只需要专注于功能和应用，以下是 Openssl3.0 的整体架构设计图（所有的设计图片均摘录自 Openssl3.0 官方设计草案，见参考资料）：
按照我的理解，“Provider” 是一个抽象的概念，更像是一个标准。每个不同的 “Provider” 按照相同的标准实现相应的底层算法和功能，然后通过 “Core” 模块直接 “装配” 到 Openssl 上，通过这种方式给顶层的应用程序提供密码服务。这样的设计增加了整体结构的灵活性，除了可以隔离应用层和底层，使底层的变化不至于大范围的影响应用层，还可以自己定制个性化的 “Provider” 以满足特殊的需求。
Openssl 3.0 的内核设计也是非常的有特色，内核可以缓存和调度各个 Provider, 使其可以各自独立地工作互不影响，并且它和 EVP API 模块有着非常紧密的联系，如图所示：
用户首先会通过内核加载 Provider，在加载 Provider 的时候内核会将该 Provider 的相关信息包括算法实现全部加载到缓存区域，用户在使用该 Provider 提供的算法时会首先 “Fetch” 算法（其实就是查询），然后内核会将该算法的实现提供给 EVP，然后用户通过 EVP 模块调用算法，EVP 在这个过程扮演了一个代理的角色。
这里只是简单介绍一下 Openssl3.0 的设计理念，其他具体的设计方案和代码示例，读者均可在 openssl 官网上查到，参考网址可见本节末尾，这里不再讨论。
我在这里特别说明一下：由于 Openssl 的代码量十分庞大，单一个加密算法库就有数十万行的代码，而且由于密码学博大精深，相关的数学原理更是晦涩难懂，笔者能力有限，不可能精通所有相关的知识，所以本系列的文章并不会针对 Openssl 的源码进行深入的讨论，我只会在用户层面对 Openssl 的加密算法库做一些常用的 API 解读，重在应用！如果涉及到我相对了解的知识，我会尽量无保留地分享，文章有错误的话在所难免，我也欢迎各位读者对我文中的错误进行批评指正！共同学习，共同进步！
作者假定各位读者已经熟练掌握 C 语言和有基本的密码学知识。
1.2 编译和安装
Openssl 的编译十分简单，步骤如下：
（1）在官网下载 openssl3.0.1 版本，得到 openssl-3.0.1.tar.gz;
（2）输入 tar -zxvf openssl-3.0.1.tar.gz 解压 tar 包到当前目录；
（3）进入解压后的目录执行 ./Configure 生成 Makefile 文件（openssl 默认安装到 /usr/local 下，如需指定安装路径，则执行 ./Configure –prefix=/xxx/xxx）；
（4）执行 make 编译；
（5）执行 make install 安装。
1.3 常用的编译选项和配置
默认编译生成 release 版本的共享库，如果要生成可调式的库，则输入 ./Configure –debug，具体的编译选项请查询 INSTALL.md 文件。
1.4 Openssl3.0 加密算法库目录结构
虽然我们的目标并不是完全精通 Openssl 的源码，但是了解其源代码目录的含义仍然是有必要的：
- aes: AES 对称算法实现
- aria: ARIA 对称算法实现
- asn1: ASN.1 编解码实现
- aysnc: 异步线程池实现
- bf: blowfish 对称算法实现
- bio: I/O 流的抽象
- bn: 大数运算实现
- buffer: 内存缓冲区
- camellia: Camellia 块密码算法
- cast: CAST 对称算法
- chacha: ChaCha20 流密码算法
- cmac: 基于分组密码的消息认证码
- cmp: 证书管理协议
- cms: 加密消息语法
- comp: 压缩算法
- conf: 配置文件管理
- crmf: 暂时不确定这个是做什么的
- ct: 证书透明化（Certificate Transparency）
- des: des 对称算法
- dh: 密钥交换协议
- dsa: DSA签名算法
- dso: 动态库管理
- ec: 椭圆曲线算法
- encode_decode: 编码和解码
- engine: 引擎框架
- err: 错误处理
- ess: 增强安全服务（Enhanced Security Services）
- evp: 高层算法接口
- ffc: 有限域加密
- hmac: 基于 hash 的消息鉴别码
- http: http 协议实现
- idea: 国际数据加密算法
- kdf: 密钥派生函数
- lhash: 哈希链表实现
- md2: md2 摘要算法
- md4: md4 摘要算法
- md5: md5 摘要算法
- mdc2: mdc2 摘要算法
- modes: 对称算法的模式
- objects: 对象管理
- ocsp: 在线证书状态协议
- pem: PEM 编解码实现
- pkcs7: 加密签名消息语法标准 PKCS7 实现
- pkcs12: 个人信息交换语法标准 PKCS12 实现
- poly1305: Poly1305 消息认证码
- property: 暂不清楚这个目录下的文件是做什么的
- providers: 安全服务提供者，这个是 openssl3.0+ 最具特色的设计
- rand: 随机数
- rc2: RC2 对称算法
- rc4: RC4 对称算法
- rc5: RC5 对称算法
- ripemd: RACE原始完整性校验消息摘要
- rsa: RSA 非对称算法
- seed: 基于随机种子的对称加密算法
- sha: sha1、sha256、sha512等摘要算法实现
- siphash: SipHash 摘要算法
- sm2: 国密 sm2 椭圆曲线算法
- sm3: 国密 sm3 摘要算法
- sm4: 国密 sm4 分组加密算法
- srp: 暂时不清楚是做什么的
- stack: 栈的实现
- store: 临时存储通道
- ts: 可信时间？
- txt_db: 基于文本的数据库
- ui: 用户接口
- whirlpool: Whirlpool 散列算法
- x509: x509 证书系列标准实现