20.7 OpenSSL 套接字SSL加密传输

OpenSSL 中的 SSL 加密是通过 SSL/TLS 协议来实现的。SSL/TLS 是一种安全通信协议，可以保障通信双方之间的通信安全性和数据完整性。在 SSL/TLS 协议中，加密算法是其中最核心的组成部分之一，SSL可以使用各类加密算法进行密钥协商，一般来说会使用RSA等加密算法，使用TLS加密针对服务端来说则需要同时载入公钥与私钥文件，当传输被建立后客户端会自行下载公钥并与服务端完成握手，读者可将这个流程理解为上一章中RSA的分发密钥环节，只是SSL将这个过程简化了，当使用时无需关注传输密钥对的问题。

与RSA实现加密传输一致，使用SSL实现加密传输读者同样需要自行生成对应的密钥对，密钥对的生成可以使用如下命令实现；

  • 生成私钥: openssl genrsa -out privkey.pem 2048
  • 生成公钥: openssl req -new -x509 -key privkey.pem -out cacert.pem -days 1095

执行如上两条命令，读者可得到两个文件首先生成2048位的privkey.pem也就是私钥，接着利用私钥文件生成cacert.pem证书文件，该文件的有效期为1095天也就是三年，当然此处由于是测试可以使用自定义生成，如果在实际环境中还是需要购买正规签名来使用的。

服务端实现代码与原生套接字通信保持高度一致，在连接方式上同样采用了标准API实现，唯一的不同在于当accept函数接收到用于请求时，我们需要通过SSL_new产生一个SSL对象，当需要发送数据时使用SSL_write，而当需要接收数据时则使用SSL_read函数，通过使用这两个函数即可保证中间的传输流程是安全的，其他流程与标准套接字编程保持一致，如下是服务端完整代码实现。

#include <WinSock2.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>

#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/crypto.h>

extern "C"
{
#include <openssl/applink.c>
}

#pragma comment(lib, "WS2_32.lib")
#pragma comment(lib,"libssl.lib")
#pragma comment(lib,"libcrypto.lib")

#define MAXBUF 1024

int main(int argc, char** argv)
{
  SOCKET sockfd, new_fd;
  struct sockaddr_in socket_ptr, their_addr;

  char buf[MAXBUF + 1] = {0};

  SSL_CTX* ctx;

  // SSL库初始化
  SSL_library_init();

  // 载入所有SSL算法
  OpenSSL_add_all_algorithms();

  // 载入所有SSL错误消息
  SSL_load_error_strings();

  // 以SSLV2和V3标准兼容方式产生一个SSL_CTX即SSLContentText
  ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
  if (ctx == NULL)
  {
    std::cout << "[-] 产生CTX上下文对象错误" << std::endl;
    return 0;
  }
  else
  {
    std::cout << "[+] 产生CTX上下文对象" << std::endl;
  }

  // 载入用户的数字证书,此证书用来发送给客户端,证书里包含有公钥
  if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, "d://cacert.pem", SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)
  {
    std::cout << "[-] 载入公钥失败" << std::endl;
    return 0;
  }
  else
  {
    std::cout << "[+] 已载入公钥" << std::endl;
  }

  // 载入用户私钥
  if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, "d://privkey.pem", SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)
  {
    std::cout << "[-] 载入私钥失败" << std::endl;
    return 0;
  }
  else
  {
    std::cout << "[+] 已载入私钥" << std::endl;
  }

  // 检查用户私钥是否正确
  if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx))
  {
    std::cout << "[-] 用户私钥错误" << std::endl;
    return 0;
  }

  // 开启Socket监听
  WSADATA wsaData;
  WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
  if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 2)
  {
    WSACleanup();
    return 0;
  }

  // 创建套接字
  if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
  {
    return 0;
  }

  socket_ptr.sin_family = AF_INET;
  socket_ptr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  socket_ptr.sin_port = htons(9999);

  // 绑定套接字
  if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&socket_ptr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
  {
    return 0;
  }
  if (listen(sockfd, 10) == -1)
  {
    return 0;
  }

  while (1)
  {
    SSL* ssl;
    int len = sizeof(struct sockaddr);

    // 等待客户端连接
    if ((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&their_addr, &len)) != -1)
    {
      printf("客户端地址: %s --> 端口: %d --> 套接字: %d \n", inet_ntoa(their_addr.sin_addr), ntohs(their_addr.sin_port), new_fd);
    }

    // 基于ctx产生一个新的SSL
    ssl = SSL_new(ctx);

    // 将连接用户的socket加入到SSL
    SSL_set_fd(ssl, new_fd);

    // 建立SSL连接
    if (SSL_accept(ssl) == -1)
    {
      closesocket(new_fd);
      break;
    }

    // 开始处理每个新连接上的数据收发
    memset(buf, 0, MAXBUF);
    strcpy(buf, "[服务端消息] hello lyshark");

    // 发消息给客户端
    len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));
    if (len <= 0)
    {
      goto finish;
      return 0;
    }

    memset(buf, 0, MAXBUF);

    // 接收客户端的消息
    len = SSL_read(ssl, buf, MAXBUF);
    if (len > 0)
    {
      printf("[接收到客户端消息] => %s \n", buf);
    }

    // 关闭套接字连接
  finish:
    SSL_shutdown(ssl);
    SSL_free(ssl);
    closesocket(new_fd);
  }

  closesocket(sockfd);
  WSACleanup();
  SSL_CTX_free(ctx);

  system("pause");
  return 0;
}

客户端实现代码同样与原生套接字编程保持一致，如下是完整代码，读者可以发现当使用connect连接到服务端后，依然调用了SSL_connect函数，此处的函数功能是在服务端下载证书信息，并完成证书通信验证，当验证实现后，则读者就可以向原生套接字那样去操作数据包的流向了。

#include <WinSock2.h>
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>

#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/crypto.h>

extern "C"
{
#include <openssl/applink.c>
}

#pragma comment(lib, "WS2_32.lib")
#pragma comment(lib,"libssl.lib")
#pragma comment(lib,"libcrypto.lib")

#define MAXBUF 1024

void ShowCerts(SSL* ssl)
{
  X509* cert;
  char* line;

  cert = SSL_get_peer_certificate(ssl);
  if (cert != NULL)
  {
    line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);
    printf("[+] 证书: %s \n", line);
    free(line);
    line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);
    printf("[+] 颁发者: %s \n", line);
    free(line);
    X509_free(cert);
  }
  else
  {
    printf("[-] 无证书信息 \n");
  }
}

int main(int argc, char** argv)
{
  int sockfd, len;
  struct sockaddr_in dest;
  char buffer[MAXBUF + 1] = { 0 };

  SSL_CTX* ctx;
  SSL* ssl;

  // SSL库初始化
  SSL_library_init();
  OpenSSL_add_all_algorithms();
  SSL_load_error_strings();

  // 建立CTX上下文
  ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());
  if (ctx == NULL)
  {
    WSACleanup();
    return 0;
  }

  // 创建Socket
  WSADATA wsaData;
  WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
  if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 2)
  {
    WSACleanup();
    return 0;
  }

  if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
  {
    WSACleanup();
    return 0;
  }

  // 初始化服务器端(对方)的地址和端口信息
  dest.sin_family = AF_INET;
  dest.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  dest.sin_port = htons(9999);

  // 连接服务器
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest)) != 0)
  {
    WSACleanup();
    return 0;
  }

  // 基于ctx产生一个新的SSL
  ssl = SSL_new(ctx);
  SSL_set_fd(ssl, sockfd);

  // 建立 SSL 连接
  if (SSL_connect(ssl) != -1)
  {
    printf("[+] SSL连接类型: %s \n", SSL_get_cipher(ssl));
    ShowCerts(ssl);
  }

  //接收服务器来的消息 最多接收MAXBUF字节
  len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);
  if (len > 0)
  {
    printf("接收消息: %s --> 共 %d 字节 \n", buffer, len);
  }
  else
  {
    goto finish;
  }

  memset(buffer, 0, MAXBUF);
  strcpy(buffer, "[客户端消息] hello Shark");

  // 发消息给服务器
  len = SSL_write(ssl, buffer, strlen(buffer));
  if (len > 0)
  {
    printf("[+] 发送成功 \n");
  }

finish:
  // 关闭连接
  SSL_shutdown(ssl);
  SSL_free(ssl);
  closesocket(sockfd);
  SSL_CTX_free(ctx);

  system("pause");
  return 0;
}

至此读者可以分别编译服务端与客户端程序，并首先运行服务端侦听套接字，接着运行客户端，此时即可看到如下图所示的通信流程，至此两者的通信数据包将被加密传输，从而保证了数据的安全性。

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