在libuv中使用openssl建立ssl连接

在libuv中使用openssl建立ssl连接

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使用openssl进行加密通信时，通常是先建立socket连接，然后使用SSL_XXX系列函数在普通socket之上建立安全连接，然后发送和接收数据。openssl的这些函数可以支持底层的socket是非阻塞模式的。但当将openssl和libuv进行结合时，会遇到一些问题：

1. openssl在进行数据读写之前，需要进行若干次“握手”。“握手”中会有若干次的数据读写。这个在普通的socket连接中是没有的，在libuv的回调函数中需要进行处理。
2. 由于openssl需要对数据进行加密和解密，当openssl读数据的时候，有可能会出现虽然加密的数据已经全部接收到本地了，但仍需要和远端进行通信来进一步确认如何解密数据。（会不会出现这个过程不太确定。。。网上有文章说可能会出现，我也没有仔细研究过openssl的实现细节，所有宁可信其有，不可信其无吧。。。）

解决这两个问题的思路是一样的，将openssl看做是一个数据过滤器，可参考这篇文章。

在和libuv结合时，openssl不能直接对socket进行读写，因为对socket的读写操作已经被libuv完全封装了。不过openssl可以通过BIO进行读写数据。也就是说，需要准备两个BIO，一个用于存储openssl加密好的数据，一个用于存储接收到的加密数据以备openssl解密。这个操作直接调用下面这个函数即可完成：

void SSL_set_bio(SSL *ssl, BIO *rbio, BIO *wbio);

设置好这两个BIO之后，SSL_XXX系列函数的所有操作都是针对这两个BIO，不再直接和socket打交道。这样对socket的操作就可以委托给libuv了。

对于写数据到socket，直接将数据丢给libuv就可以了。但读数据的时候会略微麻烦一些。在创建安全连接的时候openssl需要多次“握手”操作，也就是需要朝socket读写几次数据。这个过程需要在libuv的read_cb函数里处理。也就是说在libuv的read_cb函数需要区分要读的数据是“握手”时的数据还是真正通信读取的数据。这个判断通过

int SSL_is_init_finished(SSL *ssl);

函数实现，也就是判断openssl是否完成了安全连接的初始化。

对于前面提到的第二个问题，openssl提供了解决这个问题的机制。SSL_XXX系列函数的返回值可以通过

int SSL_get_error(const SSL *ssl, int ret);

来获取其具体的含义，其中两个重要的返回结果是SSL_ERROR_WANT_READ和SSL_ERROR_WANT_WRITE。在调用SSL_connect，SSL_read和SSL_write时，openssl可能需要读取更多的数据或者发送数据，这两个返回值表明openssl的意图。注意：这三个函数都有可能返回这两个值。也就是说在读数据的时候可能需要写数据，在写数据的时候可能需要读数据。

啰啰嗦嗦说了这么多，上代码才是王道。以下代码只是示意，并不能直接编译运行^v。
首先，声明变量：

SSL *ssl;
SSL_ctx *ssl_ctx;
BIO *read_bio;
BIO *write_bio;
uv_tcp_t *con

在libuv的on_connect_cb函数中初始化openssl并开始“握手”。

void on_connect_cb(uv_connect_t *req, int status)
{
    //设置数据读取的回调函数  
    uv_read_start((uv_stream_t*)con, on_alloc_cb, on_read_cb); 
    ssl = SSL_new(ssl_ctx);
    read_bio = BIO_new(BIO_s_mem());
    write_bio = BIO_new(BIO_s_mem());
    SSL_set_bio(ssl, read_bio, write_bio);
    SSL_set_connect_state(ssl);     // 这是个客户端连接
    int ret = SSL_connect(ssl);     // 开始握手。这个函数仅仅是将数据写如了BIO缓存，并没有发送到socket上。
    write_bio_to_socket();          // 如果有，将wirte BIO中的数据写入socket。（具体定义见后面代码）
    if (ret != 1) {
        // connect出错了，看看具体什么问题。
        int err = SSL_get_error(ssl, ret);
        if (err == SSL_ERROR_WANT_READ) {
            // 在read回调函数中读取数据
        } else if (err == SSL_ERROR_WANT_WRITE) {
            write_bio_to_socket();    // 将write BIO中的数据发送出去
        }
    }
}

真正的重头戏是在on_read_cb中。

void read_cb(uv_stream_t* stream, ssize_t nread, const uv_buf_t *buf)
{
    if (nread == UV_EOF) {
        // 已经读完了所有的数据
        read_data_after_handshake();
        return;
    } else {
        // 读取数据到BIO中。buf中的数据是加密数据，将其放到BIO中，让openssl将其解码。
        BIO_write(read_bio, buf -> base, nread);
        if (!SSL_is_init_finished(ssl)) {
            // 我们还没有完成ssl的初始化，继续进行握手。
            int ret = SSL_connect(ssl);
            write_bio_to_socket();
            if (ret != 1) {
                int err = SSL_get_error(ssl, ret);
                if (err == SSL_ERROR_WANT_READ) {
                    // 在read回调函数中读取数据
                } else if (err == SSL_ERROR_WANT_WRITE) {
                    write_bio_to_socket();
                }
            } else {
                // 握手完成，发送数据。
                send_data_after_handshake();
            }
        } else {
            // ssl已经初始化好了, 我们可以从BIO中读取已经解密的数据。
            read_data_after_handshake();
        }
    }
    free(buf -> base);
}

下面来看看write_bio_to_socket()的实现，这个函数很简单，就是将write_bio中的数据丢给libuv进行发送。

void write_bio_to_socket()
{
    char buf[1024];
    int hasread = BIO_read(write_bio, buf, sizeof(buf));
    if (hasread <= 0) {
        // 无数据可写。
        return;
    }
    uv_write_t *wreq = (uv_write_t*)malloc(sizeof(uv_write_t));
    char *tmp = malloc(hasread);
    memcpy(tmp, buf, hasread);
    uv_buf_t *bufs = (uv_buf_t*)malloc(sizeof(uv_buf_t) * 1);
    bufs[0].base = tmp;
    bufs[0].len = hasread;
    uv_write(wreq, (uv_stream_t*)con, bufs, 1, on_write_cb); // 记得在on_write_cb中释放这里分配的内存。
}

BIO_read有可能一次读取不完write_bio中的数据，所以这个地方需要一个循环多次调用BIO_read直到数据全部读完。这里为了简单就只读一次了^v。

send_data_after_handshake函数也很简单，就是将需要发送的数据写入wirte_bio中然后丢给libuv发送，还需要处理有数据要读取的情况。

void send_data_after_handshake()
{
    int ret = SSL_write(ssl, data, data_len);   // data中存放了要发送的数据
    if (ret > 0) {
        // 写入socket
        write_bio_to_socket();
    } else if (ret == 0) {
        // 连接关闭了？？
        uv_close((uv_handle_t*)con, on_close_cb);
    } else {
        // 需要读取或写入数据。
        int err = SSL_get_error(client -> ssl, ret);
        if (err == SSL_ERROR_WANT_READ) {
            // 在read回调中处理（其实如果有数据要读时什么都不要，等read回调就行了。。。）
        } else if (err == SSL_ERROR_WANT_WRITE) {
            write_bio_to_socket();
        }
    }
}

最后是read_data_after_handshake，这个函数将openlls解密好的数据读取出来，同时还需要处理在读取数据的时候需要写入数据的问题。

void read_data_after_handshake()
{
    char buf[1024];
    memset(buf, '', sizeof(buf));
    int ret = SSL_read(ssl, buf, sizeof(buf));
    if (ret < 0) {
        int err = SSL_get_error(client -> ssl, ret);
        if (err == SSL_ERROR_WANT_READ) {
            // 在read回调函数中读取数据
        } else if (err == SSL_ERROR_WANT_WRITE) {
            // 有数据要写，将write BIO中的数据发送出去
            write_bio_to_socket();
        }
    }
    // 解密好的数据就存放在buf中了。当然，这个地方也可能需要多次调用SSL_read来讲所有数据都读出来。
}

以上就是全部的示例代码了。

关于这个openssl和libuv结合使用的思路还没有进行严格的测试，我也只是在工程中初步测试了一下可以走通。对于一些细节的处理还不是很到位。这里只是提供了一个libuv和openssl结合的思路，如果有任何问题，欢迎指正。^v~