muduo实现ssl层的程序设计

news/2024/12/2 16:25:07/文章来源:https://www.cnblogs.com/wuhaiqiong/p/18580662

muduo的使用

muduo网络库内部分装了reactor和epoll以及socket，我们不需要知道其底层的内部封装；每次发生连接后都会调用连接onConnection的回调函数来处理连接。
每次当数据到达时都会调用onmessagecallback回调函数来执行数据的处理。

muduo增加ssl层

根据上一节，我们可以设计一个ssl_helper类，当发生连接时，就会调用ssl_helper的ssl握手的相关函数来执行ssl握手；
当数据到达时，我们就调用ssl_helper类的安全接收数据的函数即可；发送数据时也按照这样的步骤；客户端也是一样的。
处理接收数据时，首先会触发muduo的数据回调函数onmessage

ssl层处理连接的过程

  1. muduo的tcpserver中的连接回调函数绑定了sslserver的函数onServerConnection回调函数，当TCP连接完成时或连接中断时，就会执行这个回调函数，这个回调函数的主要步骤是：
    1：设置连接非延迟；
    2：创建SSL_Helper对象，并设置角色为server;
    3：需要将TcpConnectionPtr和SSL_Helper对象放入map中，这么做的目的是为了根据连接的指针，找到对应的ssl，因为数据发送到服务器时会触发onMessage回调函数，而这个回调函
    数的第一个参数就是TcpConnectionPtr，因此我们需要根据这个指针，传递给对应的SSL_Helper对象进行处理
    4：设置SSL层解密完数据后，处理数据的函数，即绑定处理数据的回调函数；
    5：调用SSL_Helper类的onSSLConnect函数来处理TCP连接后的SSL握手过程；
    6：如果是连接断开的，则需要将映射关系删除；
  2. SSL_Helper处理onSSLConnect的过程：
    1：需要判断连接是否已建立，如果不是则退出
    2：需要判断这个SSL_Helper的类型是什么，如果是server就执行do_ssl_accept()函数，否则执行do_ssl_connect()函数；
  3. do_ssl_accept()的执行过程：
    1：初始化openssl及ssl（调用四个函数，网上可以搜索）；
    2：创建ssl上下文，并设置服务器不验证对端的公钥证书；
    3：创建ssl指针对象；
    4：服务端需要设置SSL证书；
    5：创建BIO的接收缓冲区，并和ssl对象进行绑定，这么做的目的是为了后续当数据到来时ssl，知道从哪个bio缓冲区去取数据或写数据。（2-5都写在一个函数中）
    6：调用SSL_set_accept_state(m_Ssl)表示已经准备好进行ssl握手了，SSL_set_accept_state(m_Ssl)是一个宏；
    7：调用SSLProcessingAccept()来进行处理，本质是ssl_read，当ssl_read发现握手还没完成时，就会自动触发握手；

SSL层接收数据

  1. 触发muduo网络库的数据接收回调函数onMessage，这个函数内部会调用ssl层的onSSLMessage函数，并将数据传递给ssl层；
    onSSLMessage函数：
    1：调用SSLProcessingRecv函数来执行，这个函数内部主要是讲数据写入到bio内存缓冲区中，然后ssl_read就会从这个bio中解密并读取数据；
    2：调用SSLReceiveData()函数就来处理数据，这个函数内部回调用绑定的服务器的特定的数据处理的回调函数，即1.4绑定的函数；

SSL发送数据

SSL发送数据首先调用SSLSendData函数，这个函数内部使用ssl_write将数据写入到BIO内存中，然后再调用SSLProcessingSend()函数；
SSLProcessingSend()函数，内部主要是用于从bio中读取数据到指定的缓冲区中，然后再调用muduo的TcpConnectionPtr的send方法发送数据出去；

BIO的创建方式

BIO_new(BIO_s_mem()) 和BIO_new_mem_buf的区别

  1. BIO_new(BIO_s_mem())：

    • 用途：创建一个新的 BIO 内存缓冲区。
    • 特点：这个 BIO 内存缓冲区可以存放数据，大小是动态变化的，可以根据需要增加或减少。
    • 使用场景：适用于临时数据存储、测试和调试等需要动态处理内存数据的情况。

  2. BIO_new_mem_buf：

    • 用途：基于已存在的内存缓冲区创建一个 BIO 内存。
    • 特点：这个已存在的内存缓冲区作为 BIO 的数据源，因此 BIO 的大小是固定的，不会动态调整。
    • 使用场景：适用于读取或处理已经存在的内存数据，例如加载内存中的证书或密钥。

SSL_ReceiveData函数

SSL_ReceiveData函数内部是调用的绑定的可调用对象的函数，这个可调用对象的函数是通过set_receive_callback进行设置的，而这个可调用对象就是服务器或客户端
进行数据处理的具体的逻辑函数。例如服务端数据处理的函数

SSL握手注意事项

SSL握手是依赖于底层通信的实现的，我们需要实现SSL_processing_send和SSL_processing_Recv函数来处理基于muduo网络库的ssl层的数据通信服务，
即当SSL层的握手数据到达时，也是会触发Muduo网络库的onMessage的回调函数的，然后我们就需要通过这个函数来调用基于ssl层的数据接收和发送函数。
SSL_processing_send函数，本质就是SSL_write将数据加密后填入到bio缓冲区中，然后我们需要从这个缓冲区中读取数据，并发送出去；
SSL_processing_Recv函数，本质是将加密的数据写入到bio缓冲区中，然后就会使用ssl_read解密数据并填写到解密数据的缓冲区中，然后再通过SSL_ReceiveData()函数调用绑定的数据处理函数；而如果握手还未完成，则ssl_read会自动进行握手；

SSL层SSL_Helper实现

SSL_Helper.h

/********************************************************************************* @file           : SSL_Helper.h* @author         : sally* @brief          : None* @attention      : None* @date           : 24-12-1*******************************************************************************/#ifndef SSL_HELPER_H
#define SSL_HELPER_H
#include <muduo/net/TcpConnection.h>
#include <muduo/net/TcpServer.h>
#include <muduo/base/Timestamp.h>
#include <muduo/base/Logging.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <iostream>//muduo产生每个连接时，就会调用连接的回调函数，我们需要设置连接的回调函数
extern const char * ca_cert_key_pem;
extern const char * server_cert_key_pem;enum SSL_OPERATION_TYPE
{RECV = 0,SEND = 1
};enum SSL_TYPE
{SSL_SERVER = 0,SSL_CLIENT = 1
};//这个类封装了SSL握手过程，以及这个层需要封装接收数据后的实际处理的回调函数，但是这个回调函数是通过设置的方式绑定其它的类的函数的。
class SSL_Helper
{
public:SSL_Helper(const muduo::net::TcpConnectionPtr &conn);~SSL_Helper();//写一个连接建立后muduo网络库会直接调用ssl层的连接函数void onSSLConnection(const muduo::net::TcpConnectionPtr &conn);void setSSLType(SSL_TYPE type){m_sslType = type;}void onSSLMessage(const muduo::net::TcpConnectionPtr &conn,muduo::net::Buffer* buff,muduo::Timestamp time);void set_connected_callback(std::function<void()> &&func){m_SSL_connected_callback_ = func;}void set_receive_callback(std::function<int(SSL_Helper*,unsigned char *,size_t)> &&func){m_SSL_receive_callback_ = func;}void set_close_callback(std::function<void()> &&func){m_SSL_closed_callback_ = func;}private:void init_ssl();//创建服务端的ssl上下文函数void createServerSSLContext();//创建客户端的ssl上下文函数void createClientSSLContext();//还需要设置证书void setSSLCertificate();void close_session();int do_ssl_accept();int do_ssl_connect();//这个函数就是处理ssl握手的void SSL_processing_accept();  //这里是服务器进行ssl握手的函数void SSL_processing_connect();  //这是客户端的void SSL_processing_send();     //这是处理数据发送的void SSL_processing_Recv(const char * RecvBuffer,size_t BytesSizeRecieved);  //这是处理数据接收的void ssl_connected() const;void SSL_ReceiveData();bool IsSSLError(int ssl_error);private:const muduo::net::TcpConnectionPtr m_connection_; //这里表示一个已经连接的tcp//发送和接收数据的缓冲区BIO *m_bio[2];  //这里表示的是一个0接收的缓冲区，一个发送的缓冲区1SSL_CTX *m_ssl_ctx_;SSL * m_ssl_;bool m_handshaked;//存放数据的缓冲区std::vector<unsigned char> m_EncryptSendData;   //这是存放将要发送的数据std::vector<unsigned char> m_decryptRecvData;   //这是存放接收后解密后的数据int m_SendSize;SSL_TYPE m_sslType;unsigned long long  m_BytesSizeRecieved;unsigned long long  m_TotalRecived;unsigned long long  m_CurrRecived;//ssl连接建立完成后的回调函数std::function<void()> m_SSL_connected_callback_;//处理数据的回调函数，这个函数通常绑定的是server类的处理函数std::function<int(SSL_Helper*,unsigned char *,size_t)> m_SSL_receive_callback_;std::function<void()> m_SSL_closed_callback_;
};#endif //SSL_HELPER_H

SSL_Helper.cpp

/********************************************************************************* @file           : SSL_Helper.cpp* @author         : sally* @brief          : None* @attention      : None* @date           : 24-12-1*******************************************************************************/#include "SSL_Helper.h"SSL_Helper::SSL_Helper(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn): m_connection_(conn),m_CurrRecived(0),m_BytesSizeRecieved(0),m_TotalRecived(0),m_handshaked(false)
{m_EncryptSendData.resize(1024 * 10);m_decryptRecvData.resize(1024 * 10);init_ssl();
}SSL_Helper::~SSL_Helper()
{
}void SSL_Helper::onSSLConnection(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn)
{if (conn->connected()){if (m_sslType == SSL_SERVER)do_ssl_accept();elsedo_ssl_connect();}elseLOG_WARN << "connect close";
}void SSL_Helper::onSSLMessage(const muduo::net::TcpConnectionPtr& conn, muduo::net::Buffer* buff, muduo::Timestamp time)
{std::cout << "receive data,size: " << buff->readableBytes() << std::endl;auto datalen = buff->readableBytes();m_BytesSizeRecieved += datalen;SSL_processing_Recv(buff->peek(),datalen); //处理数据buff->retrieveAll(); //处理完毕后重置缓冲区
}/*** 这个函数的作用就是初始化openssl的*/
void SSL_Helper::init_ssl()
{SSL_load_error_strings();SSL_library_init();OpenSSL_add_all_algorithms();
}/*** 这个函数的主要作用就是初始化ssl的上下文么ssl句柄的*/
void SSL_Helper::createServerSSLContext()
{m_ssl_ctx_ = SSL_CTX_new(SSLv23_method());//服务端设置不检查客户端的证书SSL_CTX_set_verify(m_ssl_ctx_,SSL_VERIFY_NONE, nullptr);//将ssl和证书关联起来setSSLCertificate();//创建ssl句柄m_ssl_ = SSL_new(m_ssl_ctx_);//创建bio内存m_bio[RECV] = BIO_new(BIO_s_mem());m_bio[SEND] = BIO_new(BIO_s_mem());SSL_set_bio(m_ssl_, m_bio[RECV], m_bio[SEND]); //这是将ssl句柄和bio绑定在一起
}void SSL_Helper::createClientSSLContext()
{m_ssl_ctx_ = SSL_CTX_new(SSLv23_method());//客户端需要设置验证服务端的公钥证书// SSL_CTX_set_verify(m_ssl_ctx_,SSL_VERIFY_PEER,nullptr);//客户端没有证书就不需要将证书和ssl上下文绑定起来//初始化ssl句柄m_ssl_ = SSL_new(m_ssl_ctx_);m_bio[RECV] = BIO_new(BIO_s_mem());m_bio[SEND] = BIO_new(BIO_s_mem());SSL_set_bio(m_ssl_, m_bio[RECV], m_bio[SEND]);
}void SSL_Helper::setSSLCertificate()
{int length = strlen(server_cert_key_pem);BIO* bio_cert = BIO_new_mem_buf((void*)server_cert_key_pem, length);X509* cert = PEM_read_bio_X509(bio_cert, nullptr, nullptr, nullptr);//获取私钥，从server_cert_key_pem中EVP_PKEY* prikey = PEM_read_bio_PrivateKey(bio_cert, nullptr, nullptr, nullptr);int ret = SSL_CTX_use_certificate(m_ssl_ctx_, cert);if (ret != 1)close_session();ret = SSL_CTX_use_PrivateKey(m_ssl_ctx_, prikey);if (ret != 1)close_session();X509_free(cert);EVP_PKEY_free(prikey);BIO_free(bio_cert);
}void SSL_Helper::close_session()
{m_connection_->forceClose();printf("close_session()\n");
}int SSL_Helper::do_ssl_accept()
{//调用函数创建ssl上下文createServerSSLContext();SSL_set_accept_state(m_ssl_);//处理握手的函数SSL_processing_accept();return 1;
}int SSL_Helper::do_ssl_connect()
{createClientSSLContext();SSL_set_connect_state(m_ssl_);SSL_processing_connect();return 1;
}void SSL_Helper::SSL_processing_accept()
{int ret;int ssl_error;int dwBytesSizeRecieved = 0;do{ret = SSL_read(m_ssl_, m_decryptRecvData.data(), m_decryptRecvData.size());ssl_error = SSL_get_error(m_ssl_, ret);if (IsSSLError(ssl_error))close_session();if (ret > 0)dwBytesSizeRecieved += ret;}while (ret > 0);//判断ssl握手是否已经完成，如果完成了则是调用的结束数据的函数if (SSL_is_init_finished(m_ssl_)){m_handshaked = true;SSL_ReceiveData();}//处理完毕就需要调用发送的函数SSL_processing_send();
}void SSL_Helper::SSL_processing_connect()
{int ret,ssl_error;int bytesSizeRecived = 0;do{ret = SSL_read(m_ssl_,m_decryptRecvData.data(),m_decryptRecvData.size());ssl_error = SSL_get_error(m_ssl_,ret);if(IsSSLError(ssl_error))close_session();if(ret >0)bytesSizeRecived += ret;}while (ret >0);if (SSL_is_init_finished(m_ssl_)){m_handshaked = true;SSL_ReceiveData();//receive data from ssl sockets}SSL_processing_send();
}/*** 这个函数主要就是用来将数据发送出去的，在调用这个函数之前，SSL_Write会将数据写入到BIO[SEND]中，然后我们需要将* 数据从Bio中读取到加密数据的缓冲区中*/
void SSL_Helper::SSL_processing_send()
{int ret;int ssl_error;while (BIO_pending(m_bio[SEND])){ret = BIO_read(m_bio[SEND], m_EncryptSendData.data(), m_EncryptSendData.size());if (ret > 0)m_connection_->send(m_EncryptSendData.data(), ret);else{ssl_error = SSL_get_error(m_ssl_, ret);if (IsSSLError(ssl_error))close_session();}}
}void SSL_Helper::SSL_processing_Recv(const char* RecvBuffer, size_t BytesSizeRecieved)
{int ret;int ssl_error;if (m_BytesSizeRecieved > 0){//将数据写入到bio缓冲区中，以便使用ssl_read函数从bio缓冲区中读取并解密ret = BIO_write(m_bio[RECV], RecvBuffer, BytesSizeRecieved);if (ret > 0){int intRet = ret;if (intRet > m_BytesSizeRecieved)close_session();m_BytesSizeRecieved -= intRet;}else{ssl_error = SSL_get_error(m_ssl_, ret);if (IsSSLError(ssl_error))close_session();}}do{assert(m_decryptRecvData.size() - m_CurrRecived >0);ret = SSL_read(m_ssl_, m_decryptRecvData.data() + m_CurrRecived, m_decryptRecvData.size() - m_CurrRecived);if (ret > 0){m_CurrRecived += ret;m_TotalRecived += ret;if (m_handshaked){SSL_ReceiveData();}}else{ssl_error = SSL_get_error(m_ssl_, ret);if (IsSSLError(ssl_error))close_session();}}while (ret > 0);if (!m_handshaked){if (SSL_is_init_finished(m_ssl_)){m_handshaked = true;ssl_connected(); //这是连接完成后的回调函数}}SSL_processing_send();
}void SSL_Helper::ssl_connected() const
{if(m_SSL_connected_callback_)m_SSL_connected_callback_();
}/*** 这里面封装的调用绑定的数据处理的逻辑函数*/
void SSL_Helper::SSL_ReceiveData()
{if(m_SSL_receive_callback_)m_SSL_receive_callback_(this,m_decryptRecvData.data(),m_decryptRecvData.size());//处理完成后，清空数据缓冲区m_decryptRecvData.clear();
}bool SSL_Helper::IsSSLError(int ssl_error)
{switch (ssl_error){case SSL_ERROR_NONE:case SSL_ERROR_WANT_READ:case SSL_ERROR_WANT_WRITE:case SSL_ERROR_WANT_CONNECT:case SSL_ERROR_WANT_ACCEPT:return false;default: return true;}
}

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