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郑树新 61678ca2c7 add one artile about how to use ssl in acl
2021-12-02 22:30:14 +08:00

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# 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：
```c
/**
* 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：
```c
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：
```c
/**
* 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：
```c
/**
* 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：
```c
/**
* 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）：
```c
#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：
- 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）：
```c
#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：
```c
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）。
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