使用SSL进行网络加密传输

一、概述

在 Acl 的网络通信模块中，为了支持安全网络传输，引入了第三方 SSL 库，当前支持 Polarssl 及其升级版 MbedTLS，Acl 库中通过抽象与封装，大大简化了 SSL 的使用过程（现在开源的 SSL 库使用确实太复杂了），以下是在 Acl 库中使用 SSL 的特点：

• 为了不给不使用 SSL 功能的用户造成编译上的障碍，Acl 库采用动态加载 SSL 动态库方式，这样在连接时就不必提供 SSL 库（当然，通过设置编译开关，也允许用户采用静态连接 SSL 库的方式）；
• 在 Acl 的工程中，仅包含了指定版本的 Polarssl/Mbedtls 头文件（在 acl/include/ 目录下），这些头文件在编译 Acl 的 SSL 模块时会使用到，且不对外暴露，因此使用者需要自行提供对应版本的 SSL 动态二进制库（SSL库的源代码可以去官方 https://tls.mbed.org/ 下载，或者去 https://github.com/acl-dev/third_party 处下载）；
• 在 Acl SSL 模块中，分为全局配置类和 IO 通信类，配置类对象只需在程序启动时进行创建与初始化，且整个进程中按单例方式使用；IO 通信类对象与每一个 TCP 连接所对应的 socket 进行绑定，TCP 连接建立时进行初始化，进行 SSL 握手并接管 IO 过程；
• Acl SSL 模块支持服务端及客户端方式，在服务端模块时需要加载数字证书及证书私钥；
• Acl SSL 模块支持阻塞与非阻塞两种通信方式，阻塞方式还可以用在 Acl 协程通信中；
• Acl SSL 模块已经应用在 Acl HTTP 通信中，从而方便用户编写支持 HTTPS/Websocket 的客户端或服务端程序；同时，Acl SSL 模块也给 Acl Redis 模块提供了安全通信功能；
• Acl SSL 模块是线程安全的，虽然官方提供的 Mbedtls 库中增加支持线程安全的编译选项，但其默认情况下却是将此功能关闭的（这真是一个坑人的地方），当你需要打开线程支持功能时还必须得要提供线程锁功能（通过函数回调注册自己的线程锁，好在 Acl 库中有跨平台的线程模块），这应该是 Mbedtls 默认情况下不打开线程支持的原因；
• 当你使用 Mbedtls 时，建议从 https://github.com/acl-dev/third_party/tree/master/mbedtls-2.7.12 下载 Mbedtls 源码编译，此处的 Mbedtls 与官方的主要区别是：
  1. 在 config.h 中打开了线程安全的编译选项，同时添加了用于线程安全的互斥锁头文件：threading_alt.h；
  2. Mbedtls 库编译后生成了三个库文件：libmbedcrypto/libmbedx509/libmbedtls，而原来 Polarssl 只生成一个库文件，所以为了用户使用方便，修改了 libray/CMakeLists.txt 文件，可以将这三个库文件合并成一个；
  3. 增加了 visualc/VC2012（而官方仅提供了 VS2010），这样在 Windows 平台下可以使用 VS 2012 来编译生成 mbedtls 库。

二、API 接口说明

为了支持更加通用的 SSL 接口，在 Acl SSL 模块中定义了两个基础类：sslbase_conf 和 sslbase_io，其中 ssbase_conf 类对象可以用做全局单一实例，ssbase_io 类对象用来给每一个 TCP socket 对象提供安全 IO 通信功能。

2.1、sslbase_conf 类

在 ssbase_conf 类中定义了纯虚方法：open，用来创建 SSL IO 通信类对象，在当前所支持 Polarssl 和 MbedTSL 中的配置类中（分别为：acl::polarssl_conf 和 acl::mbedtls_conf）均实现了该方法。下面是 open 方法的具体说明：

/**
 * 纯虚方法，创建 SSL IO 对象
 * @param nblock {bool} 是否为非阻塞模式
 * @return {sslbase_io*}
 */
virtual sslbase_io* open(bool nblock) = 0;

在客户端或服务端创建 SSL IO 对象（即：sslbase_io 对象）时调用，被用来与 TCP socket 进行绑定。下面是绑定过程：

bool bind_ssl_io(acl::socket_stream& conn, acl::sslbase_conf& ssl_conf)
{
	// 创建一个阻塞式 SSL IO 对象
	bool non_block = false;
	acl::sslbase_io* ssl = ssl_conf.open(non_block); 
	
	// 将 SSL IO 对象与 TCP 连接流对象进行绑定，在绑定过程中会进行 SSL 握手，
	// 如果 SSL 握手失败，则返回该 SSL IO 对象，返回 NULL 表示绑定成功。
	if (conn.setup_hook(ssl) == ssl) {
		return false;
	} else {
		return true;
	}
}

其中 acl::sslbase_io 的父类为 acl::stream_hook，在acl::stream 流基础类中提供了方法setup_hook用来注册外部 IO 过程，其中的参数类型为stream_hook ，通过绑定外部 IO 过程，将 SSL IO 过程与 acl 中的流处理 IO 过程进行绑定，从而使 acl 的 IO 流过程具备了 SSL 安全传输能力。

下面的几个接口用在服务端进行证书及私钥加载过程：

/**                                                                    
 * 添加一个服务端/客户端自己的证书，可以多次调用本方法加载多个证书 
 * @param crt_file {const char*} 证书文件全路径，非空 
 * @return {bool} 添加证书是否成功 
 */                                                                    
 virtual bool add_cert(const char* crt_file);
/**                                                                    
 * 添加服务端/客户端的密钥(每个配置实例只需调用一次本方法) 
 * @param key_file {const char*} 密钥文件全路径，非空
 * @param key_pass {const char*} 密钥文件的密码，没有密钥密码可写 NULL
 * @return {bool} 设置是否成功
 */
virtual bool set_key(const char* key_file, const char* key_pass = NULL)；

/**
 * 当为服务端模式时是否启用会话缓存功能，有助于提高 SSL 握手效率
 * @param on {bool} 是否在服务端启用会话缓存方式
 * 注：该函数仅对服务端模式有效
 */
virtual void enable_cache(bool on)；

2.2、sslbase_io 类

acl::sslbase_io 类对象与每一个 TCP 连接对象 acl::socket_stream 进行绑定，使 acl::socket_stream 具备了进行 SSL 安全传输的能力，在 acl::sslbase_io类中声明了纯虚方法handshake，这使之成为纯虚类；另外，acl::sslbase_io 虽然继承于acl::stream_hook类，但并没有实现 acl::stream_hook 中规定的四个纯虚方法：open，on_close，read，send，这几个虚方法也需要 acl::sslbase_io的子类来实现，目前acl::sslbase_io有两个子类acl::polarssl_io及acl::mbedtls_io 分别用来支持 Polarssl 及 MbedTLS。
下面是这几个纯虚方法的声明：

/**
 * ssl 握手纯虚方法（属于 sslbase_io 类）
 * @return {bool} 返回 true 表示 SSL 握手成功，否则表示失败
 */
virtual bool handshake(void) = 0;

下面几个虚方法声明于 acl::stream_hook 类中：

/**
 * 读数据接口
 * @param buf {void*} 读缓冲区地址，读到的数据将存放在该缓冲区中
 * @param len {size_t} buf 缓冲区大小
 * @return {int} 读到字节数，当返回值 < 0 时表示出错
 */
virtual int read(void* buf, size_t len) = 0;

/**
 * 发送数据接口
 * @param buf {const void*} 发送缓冲区地址
 * @param len {size_t} buf 缓冲区中数据的长度(必须 > 0) 
 * @return {int} 写入的数据长度，返回值 <０　时表示出错
 */
virtual int send(const void* buf, size_t len) = 0;

/**
 * 在 stream/aio_stream 的 setup_hook 内部将会调用 stream_hook::open
 * 过程，以便于子类对象用来初始化一些数据及会话
 * @param s {ACL_VSTREAM*} 在 setup_hook 内部调用该方法将创建的流对象
 *  作为参数传入
 * @return {bool} 如果子类实例返回 false，则 setup_hook 调用失败且会恢复原样
 */
virtual bool open(ACL_VSTREAM* s) = 0; 

/**
 * 当 stream/aio_stream 流对象关闭前将会回调该函数以便于子类实例做一些善后工作
 * @param alive {bool} 该连接是否依然正常
 * @return {bool}
 */
virtual bool on_close(bool alive) { (void) alive; return true; } 

/**
 * 当 stream/aio_stream 对象需要释放 stream_hook 子类对象时调用此方法
 */
virtual void destroy(void) {}

以上几个虚方法均可以在 acl::polarssl_io 及 acl::mbedtls_io 中看到被实现。

三、编程示例

2.1、服务器模式（使用 MbedTLS）

首先给出一个完整的支持 SSL 的服务端例子，该例子使用了 MbedTLS 做为 SSL 库，如果想切换成 Polarssl 也非常简单，方法类似（该示例位置：https://github.com/acl-dev/acl/tree/master/lib_acl_cpp/samples/ssl/server）：

#include <assert.h>
#include "lib_acl.h"
#include "acl_cpp/lib_acl.hpp"

class echo_thread : public acl::thread {
public:
        echo_thread(acl::sslbase_conf& ssl_conf, acl::socket_stream* conn)
        : ssl_conf_(ssl_conf), conn_(conn) {}

private:
        acl::sslbase_conf&  ssl_conf_;
        acl::socket_stream* conn_;

        ~echo_thread(void) { delete conn_; }

        // @override
        void* run(void) {
                conn_->set_rw_timeout(60);

                // 给 socket 安装 SSL IO 过程
                if (!setup_ssl()) {
                        return NULL;
                }

                do_echo();

                delete this;
                return NULL;
        }

        bool setup_ssl(void) {
                bool non_block = false;
                acl::sslbase_io* ssl = ssl_conf_.open(non_block);

                // 对于使用 SSL 方式的流对象，需要将 SSL IO 流对象注册至网络
                // 连接流对象中，即用 ssl io 替换 stream 中默认的底层 IO 过程
                if (conn_->setup_hook(ssl) == ssl) {
                        printf("setup ssl IO hook error!\r\n");
                        ssl->destroy();
                        return false;
                }
                return true;
        }

        void do_echo(void) {
                char buf[4096];

                while (true) {
                        int ret = conn_->read(buf, sizeof(buf), false);
                        if (ret == -1) {
                                break;
                        }
                        if (conn_->write(buf, ret) == -1) {
                                break;
                        }
                }
        }
};

static void start_server(const acl::string addr, acl::sslbase_conf& ssl_conf) {
        acl::server_socket ss;
        if (!ss.open(addr)) {
                printf("listen %s error %s\r\n", addr.c_str(), acl::last_serror());
                return;
        }

        while (true) {
                acl::socket_stream* conn = ss.accept();
                if (conn == NULL) {
                        printf("accept error %s\r\n", acl::last_serror());
                        break;
                }
                acl::thread* thr = new echo_thread(ssl_conf, conn);
                thr->set_detachable(true);
                thr->start();
        }
}

static bool ssl_init(const acl::string& ssl_crt, const acl::string& ssl_key,
        acl::mbedtls_conf& ssl_conf) {

        ssl_conf.enable_cache(true);

        // 加载 SSL 证书
        if (!ssl_conf.add_cert(ssl_crt)) {
                printf("add ssl crt=%s error\r\n", ssl_crt.c_str());
                return false;
        }

        // 设置 SSL 证书私钥
        if (!ssl_conf.set_key(ssl_key)) {
                printf("set ssl key=%s error\r\n", ssl_key.c_str());
                return false;
        }

        return true;
}

static void usage(const char* procname) {
        printf("usage: %s -h [help]\r\n"
                " -s listen_addr\r\n"
                " -L ssl_libs_path\r\n"
                " -c ssl_crt\r\n"
                " -k ssl_key\r\n", procname);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
        acl::string addr = "0.0.0.0|2443";
#if defined(__APPLE__)
        acl::string ssl_lib = "../libmbedtls_all.dylib";
#elif defined(__linux__)
        acl::string ssl_lib = "../libmbedtls_all.so";
#elif defined(_WIN32) || defined(_WIN64)
        acl::string ssl_path = "../mbedtls.dll";

        acl::acl_cpp_init();
#else
# error "unknown OS type"
#endif
        acl::string ssl_crt = "../ssl_crt.pem", ssl_key = "../ssl_key.pem";

        int ch;
        while ((ch = getopt(argc, argv, "hs:L:c:k:")) > 0) {
                switch (ch) {
                case 'h':
                        usage(argv[0]);
                        return 0;
                case 's':
                        addr = optarg;
                        break;
                case 'L':
                        ssl_lib = optarg;
                        break;
                case 'c':
                        ssl_crt = optarg;
                        break;
                case 'k':
                        ssl_key = optarg;
                        break;
                default:
                        break;
                }
        }

        acl::log::stdout_open(true);
        
        // 设置 MbedTLS 动态库路径
        const std::vector<acl::string>& libs = ssl_lib.split2(",; \t");
        if (libs.size() == 1) {
                acl::mbedtls_conf::set_libpath(libs[0]);
        } else if (libs.size() == 3) {
                // libcrypto, libx509, libssl);
                acl::mbedtls_conf::set_libpath(libs[0], libs[1], libs[2]);
        } else {
                printf("invalid ssl_lib=%s\r\n", ssl_lib.c_str());
                return 1;
        }

        // 加载 MbedTLS 动态库
        if (!acl::mbedtls_conf::load()) {
                printf("load %s error\r\n", ssl_lib.c_str());
                return 1;
        }

        // 初始化服务端模式下的全局 SSL 配置对象
        bool server_side = true;

        // SSL 证书校验级别
        acl::mbedtls_verify_t verify_mode = acl::MBEDTLS_VERIFY_NONE;

        acl::mbedtls_conf ssl_conf(server_side, verify_mode);

        if (!ssl_init(ssl_crt, ssl_key, ssl_conf)) {
                printf("ssl_init failed\r\n");
                return 1;
        }
        
        start_server(addr, ssl_conf);
        return 0;
}

关于该示例有以下几点说明：

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• 该服务端例子使用了 MbedTLS 库；
• 采用了动态加载 MbedTLS 动态库的方式；
• 动态加载时需要设置 MbedTLS 动态库的路径，然后再加载，但在设置动态库的路径时却有两种方式，之所以有两种设置 MbedTLS 动态库路径的方法，主要是因为原来的 Polarssl 只生成一个库，而到 MbedTLS 后却生成了三个库：libmbedcrypto，libmbedx509 和 libmbedtls，其中的依赖关系是 libmbedx509 依赖于 libmbedcrypto，libmbedtls 依赖于 libmbedx509 和 libmbedcrypto；但在 Windows 平台上，官方却只提供了生成一个库（将这三个库合并）的工程；因此，在 acl::mbedtls_conf 中在加载动态库时，提供两种方式，一个接口是用来设置三个库的位置并加载，另一个接口用来设置一个统一库的位置度加载；
• 该例子大体处理流程：
  • 通过 acl::mbedtls_conf::set_libpath 方法设置 MbedTLS 的三个动态库或一个统一的动态库，然后调用 acl::mbedtls_conf::load 加载动态库；
  • 在 ssl_init 函数中，调用基类 acl::sslbase_conf 中的虚方法 add_cert 及 set_key 分别用来加载 SSL 数字证书及证书私钥；
  • 在 start_server 函数中，监听本地服务地址，每接收一个 TCP 连接（对应一个 acl::socket_stream 对象）便启动一个线程进行 echo 过程；
  • 在客户端处理线程中，调用 echo_thread::setup_ssl 方法给该 acl::socket_stream TCP 流对象绑定一个 SSL IO 对象，即：先通过调用 acl::mbedtls_conf::open 方法创建一个 acl::mbedtls_io SSL IO 对象，然后通过 acl::socket_stream 的基类中的方法 set_hook 将该 SSL IO 对象与 TCP 流对象进行绑定并完成 SSL 握手过程；
  • SSL 握手成功后进入到 echo_thread::do_echo 函数中进行简单的 SSL 安全 echo 过程。

2.2、客户端模式（使用 MbedTLS）

在熟悉了上面的 SSL 服务端编程后，下面给出使用 SSL 进行客户端编程的示例（该示例位置：https://github.com/acl-dev/acl/tree/master/lib_acl_cpp/samples/ssl/client）：

#include <assert.h>
#include "lib_acl.h"
#include "acl_cpp/lib_acl.hpp"

class echo_thread : public acl::thread {
public:
        echo_thread(acl::sslbase_conf& ssl_conf, const char* addr, int count)
        : ssl_conf_(ssl_conf), addr_(addr), count_(count) {}

        ~echo_thread(void) {}

private:
        acl::sslbase_conf&  ssl_conf_;
        acl::string addr_;
        int count_;

private:
        // @override
        void* run(void) {
                acl::socket_stream conn;
                conn.set_rw_timeout(60);
                if (!conn.open(addr_, 10, 10)) {
                        printf("connect %s error %s\r\n",
                                addr_.c_str(), acl::last_serror());
                        return NULL;
                }

                // 给 socket 安装 SSL IO 过程
                if (!setup_ssl(conn)) {
                        return NULL;
                }

                do_echo(conn);

                return NULL;
        }
        bool setup_ssl(acl::socket_stream& conn) {
                bool non_block = false;
                acl::sslbase_io* ssl = ssl_conf_.open(non_block);

                // 对于使用 SSL 方式的流对象，需要将 SSL IO 流对象注册至网络
                // 连接流对象中，即用 ssl io 替换 stream 中默认的底层 IO 过程
                if (conn.setup_hook(ssl) == ssl) {
                        printf("setup ssl IO hook error!\r\n");
                        ssl->destroy();
                        return false;
                }
                printf("ssl setup ok!\r\n");

                return true;
        }

        void do_echo(acl::socket_stream& conn) {
                const char* data = "hello world!\r\n";
                int i;
                for (i = 0; i < count_; i++) {
                        if (conn.write(data, strlen(data)) == -1) {
                                break;
                        }

                        char buf[4096];
                        int ret = conn.read(buf, sizeof(buf) - 1, false);
                        if (ret == -1) {
                                printf("read over, count=%d\r\n", i + 1);
                                break;
                        }
                        buf[ret] = 0;
                        if (i == 0) {
                                printf("read: %s", buf);
                        }
                }
                printf("thread-%lu: count=%d\n", acl::thread::self(), i);
        }
};

static void start_clients(acl::sslbase_conf& ssl_conf, const acl::string addr,
        int cocurrent, int count) {

        std::vector<acl::thread*> threads;
        for (int i = 0; i < cocurrent; i++) {
                acl::thread* thr = new echo_thread(ssl_conf, addr, count);
                threads.push_back(thr);
                thr->start();
        }

        for (std::vector<acl::thread*>::iterator it = threads.begin();
                it != threads.end(); ++it) {
                (*it)->wait(NULL);
                delete *it;
        }
}

static void usage(const char* procname) {
        printf("usage: %s -h [help]\r\n"
                " -s listen_addr\r\n"
                " -L ssl_libs_path\r\n"
                " -c cocurrent\r\n"
                " -n count\r\n", procname);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
        acl::string addr = "0.0.0.0|2443";
#if defined(__APPLE__)
        acl::string ssl_lib = "../libmbedtls_all.dylib";
#elif defined(__linux__)
        acl::string ssl_lib = "../libmbedtls_all.so";
#elif defined(_WIN32) || defined(_WIN64)
        acl::string ssl_path = "../mbedtls.dll";

        acl::acl_cpp_init();
#else
# error "unknown OS type"
#endif

        int ch, cocurrent = 10, count = 10;
        while ((ch = getopt(argc, argv, "hs:L:c:n:")) > 0) {
                switch (ch) {
                case 'h':
                        usage(argv[0]);
                        return 0;
                case 's':
                        addr = optarg;
                        break;
                case 'L':
                        ssl_lib = optarg;
                        break;
                case 'c':
                        cocurrent = atoi(optarg);
                        break;
                case 'n':
                        count = atoi(optarg);
                        break;
                default:
                        break;
                }
        }

        acl::log::stdout_open(true);

        // 设置 MbedTLS 动态库路径
        const std::vector<acl::string>& libs = ssl_lib.split2(",; \t");
        if (libs.size() == 1) {
                acl::mbedtls_conf::set_libpath(libs[0]);
        } else if (libs.size() == 3) {
                // libcrypto, libx509, libssl);
                acl::mbedtls_conf::set_libpath(libs[0], libs[1], libs[2]);
        } else {
                printf("invalid ssl_lib=%s\r\n", ssl_lib.c_str());
                return 1;
        }

        // 加载 MbedTLS 动态库
        if (!acl::mbedtls_conf::load()) {
                printf("load %s error\r\n", ssl_lib.c_str());
                return 1;
        }

        // 初始化客户端模式下的全局 SSL 配置对象
        bool server_side = false;

        // SSL 证书校验级别
        acl::mbedtls_verify_t verify_mode = acl::MBEDTLS_VERIFY_NONE;
        acl::mbedtls_conf ssl_conf(server_side, verify_mode);
        start_clients(ssl_conf, addr, cocurrent, count);
        return 0;
}

在客户方式下使用 SSL 时的方法与服务端时相似，不同之处是在客户端下使用 SSL 时不必加载证书和设置私钥。

2.3、非阻塞模式

在使用 SSL 进行非阻塞编程时，动态库的加载、证书的加载及设置私钥过程与阻塞式 SSL 编程方法相同，不同之处在于创建 SSL IO 对象时需要设置为非阻塞方式，另外在 SSL 握手阶段需要不断检测 SSL 握手是否成功，下面只给出相关不同之处，完整示例可以参考：https://github.com/acl-dev/acl/tree/master/lib_acl_cpp/samples/ssl/aio_server，https://github.com/acl-dev/acl/tree/master/lib_acl_cpp/samples/ssl/aio_client）：

• 调用 acl::sslbase_conf 中的虚方法 open 时传入的参数为 true 表明所创建的 SSL IO 对象为非阻塞方式；
• 在创建非阻塞 IO 对象后，需要调用 acl::aio_socket_stream 中的 read_wait 方法，以便可以触发 acl::aio_istream::read_wakeup 回调，从而在该回调里完成 SSL 握手过程；
• 在非阻塞IO的读回调里需要调用 acl::sslbase_io 中的虚方法 handshake 尝试进行 SSL 握手并通过 handshake_ok 检测握手是否成功。
  下面给出在 read_wakeup 回调里进行 SSL 握手的过程：

bool read_wakeup()
{
        acl::sslbase_io* hook = (acl::sslbase_io*) client_->get_hook();
        if (hook == NULL) { 
                // 非 SSL 模式，异步读取数据
                //client_->read(__timeout);
                client_->gets(__timeout, false); 
                return true;
        }       

        // 尝试进行 SSL 握手
        if (!hook->handshake()) {
                printf("ssl handshake failed\r\n");
                return false;
        }       

        // 如果 SSL 握手已经成功，则开始按行读数据
        if (hook->handshake_ok()) {
                // 由 reactor 模式转为 proactor 模式，从而取消
                // read_wakeup 回调过程
                client_->disable_read();

                // 异步读取数据，将会回调 read_callback
                //client_->read(__timeout);
                client_->gets(__timeout, false); 
                return true;
        }       

        // SSL 握手还未完成，等待本函数再次被触发
        return true;
}

在该代码片断中，如果 SSL 握手一直处于进行中，则 read_wakeup 可能会被调用多次，这就意味着 handshake 握手过程也会被调用多次，然后再通过 handshake_ok 判断握手是否已经成功，如果成果，则通过调用 gets 方法切换到 IO 过程（该 IO 过程对应的回调为 read_callback），否则进行 SSL 握手过程（继续等待 read_wakeup 被回调）。