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 1024int 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SSLContentTextctx = 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SSLssl = SSL_new(ctx);// 将连接用户的socket加入到SSLSSL_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 1024void 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SocketWSADATA 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SSLssl = 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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