c++使用OpenSSL基于socket实现tcp双向认证ssl(使用TSL协议)代码实现-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了c++使用OpenSSL基于socket实现tcp双向认证ssl(使用TSL协议)代码实现。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

相信各位对OpenSSL库已经不陌生了，目前笔者使用这个库实现了RSA、AES加解密和tcp的双向认证功能，下面来看tcp的双向认证。

1、什么是双向认证

简单说双向认证就是：客户端认证服务端是否合法，服务端认证客户端是否合法。
可以借助于HTTPS来说明，http网络传输协议是超文本的明文协议，也就是说经过网卡传输的字节序列都是明文，那么HTTPS上的s就是双向认证的操作（ssl），实际上就是在http的逻辑上再套一层ssl握手，进程想要发送的字节序列数据经过http传输时再加上一层ssl来让c和s两端先相互认证是绝对正确的对端，然后ssl使用AES产生一个加密密钥，进行数据加密，传输给对端。而tcp的双向认证也是一样，只是tcp协议网络接口是socket套接字，因此需借助其配合开发，

在代码实现时有俩种：ssl、tsl，我们可以简单的将其看做tsl是ssl的版本升级，下面列举历史版本：
1994年，NetScape公司设计了SSL协议（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未发布。
1995年，NetScape公司发布SSL 2.0版，很快发现有严重漏洞。
1996年，SSL 3.0版问世，得到大规模应用。
1999年，互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版。
2006年和2008年，TLS进行了两次升级，分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。
目前，应用最广泛的是TLS 1.0，接下来是SSL 3.0。但是，主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的支持。TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。因此如果当项目计划使用ssl或者tsl做双向认证，无需疑惑，两者根本就是一回事，只不过是版本的差异而已，而且这个版本的选择，OpenSSL会自动在cs两端协商，开发者无需写死，且不能写死，防止cs两端因版本号无法进行ssl握手（ssl握手就是指双向认证的过程，参照tcp的三次握手四次挥手）

不论是Java、qt、Android移动端、c语言，本质都是一样的，也不论是https协议、tcp协议，ssl双向认证的逻辑都一样：都是在正常的明文传输基础上套一层ssl，用来实现安全传输，这个安全传输我理解有俩层含义：
1、数据的安全，在网络节点路由器上传输加密后数据序列；
2、访问的对端合法，站在自己的角度上确保对端是期望访问的合法进程节点，例如银行APP，在访问服务器时，必须确保访问的服务器是真的银行，不然我们把账号密码短信验证码都发给黑客的某个进程服务器，它收到后以我们的身份去访问银行，把我们的钱全卷走
注：因此，在安全要求高的产品上双向认证和数据加密传输很有必要的

2、双向认证流程

2.1、大体上了解了双向认证的概念，开始介绍基本的认证逻辑

ssl的基本逻辑是使用公钥加密、私钥解密（也就是加密是用RSA非对称算法）。也就是说，客户端先发起对服务器的访问，索要服务端的公钥证书，然后使用公钥证书加密一个随机数，发给服务端，如果服务端能够解密出来，那么说明对端服务器没有被黑客劫持，因为私钥是不会在网络中公开传播的，安全的前提就是私钥是绝对安全的，不会被其他人获取到

2.2、插入证书相关知识点

这里出现了公钥证书（数字证书）、私钥等等，插入一些知识点：在非对称的RSA加密算法中，公钥加密，只能由私钥解密，反之也成立，怎么保证公钥不被篡改，OpenSSL库的做法就是把公钥放到证书中，因此出现了公钥证书（因私钥不传播，因此无须制作成证书）。

我们还应该思考一个问题，对于某个client端来说，如果是黑客劫持的中间服务器给c端发了它自己的公钥证书，c端用一个随机数根据劫持服务器的公钥证书去加密传输给它，黑客的劫持服务器能不能解密，必然是可以的，公钥证书和私钥是配套的，这样就会导致client端认为这个服务器是合法的，开始给它传输大量数据，这是致命的bug，于是就出现了根证书

上述的问题实际上根本无法解决，因此就出现一个权威的认证机构，由它来生成颁发证书，只有记录在根证书里的公钥证书才被看做是合法的，国际权威就是CA机构，需要花钱，国内的华为、阿里都有这种业务，便宜也更方便一些。
综上所述，ssl协议的双向认证就出现了根证书（chain.crt）、公钥证书（数字证书certificate.crt）、私钥（privateKey.key）这三种，

这三种证书是有俩种后缀名称，也就是文件后缀类型：
1、pem
2、crt
也有两种编码格式：
1、ascll码，也就是字符串
2、asn1、也就是二进制字节

这两种后缀和两种编码格式没有固定的对应关系，需要生成证书的时候才能看出来（谁给证书，谁一定知道证书的编码格式，找他问），OpenSSL库可以生成自己测试的证书，搜一些博客有操作指南，是什么编码格式是需要确定的，因为代码里读取证书的时候需要把编码格式传入进去。一般来说Unix OS多数用字符串编码格式，window OS好像是der二进制编码用的多。

2.3、继续ssl认证逻辑

上面说到公钥加密、私钥解密，根据三个证书相关，现在可以保证两端的正确性，但是RSA非对称加密算法非常耗时，出现第二个问题：公钥加密计算量太大，如何减少耗用的时间

解决方法：每一次对话（session），客户端和服务器端都生成一个"对话密钥"（session key），用它来加密信息。由于"对话密钥"是对称加密，所以运算速度非常快，而服务器公钥只用于加密"对话密钥"本身，这样就减少了加密运算的消耗时间。

由此可知，SSL的主体流程是这样的：

（1）客户端向服务器端索要并验证公钥。
（2）双方协商生成"对话密钥"。
（3）双方采用"对话密钥"进行加密通信。

其中1、2叫ssl握手，3是建立安全通道后开始加密的数据传输。用一个手绘图来说明1、2
c++使用OpenSSL基于socket实现tcp双向认证ssl(使用TSL协议)代码实现
上图中就是1、2的步骤也被称为ssl握手，由OpenSSL库实现，开发者无需关注代码实现，懂得原理就行。

2.4、握手阶段的详细过程

c++使用OpenSSL基于socket实现tcp双向认证ssl(使用TSL协议)代码实现
握手涉及四次通信，且握手阶段都是明文，详细来看

2.4.1、c端发出请求（clientHello）

首先，客户端先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。

（1）支持的协议版本，比如TLS 1.0版。
（2）一个客户端生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
（3）支持的加密方法，比如RSA公钥加密。
（4）支持的压缩方法。

2.4.2、服务器回应（SeverHello）

服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。

（1）确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。
（2）一个服务器生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
（3）确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。
（4）服务器证书。
除了上面这些信息，如果服务器需要确认客户端的身份，就会再包含一项请求，要求客户端提供"客户端证书"。这是可以代码配置实现的

2.4.3、客户端回应

客户端收到服务器的回应后，首先验证服务器证书，如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。
如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。

（1）一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。
（2）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
（3）客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。

上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称"pre-master key"。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的同一把"会话密钥"。至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥"，dog250解释得很好：

1、“不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。
2、对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。
3、pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的可不是一。”

此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。

2.4.4、服务器的最后回应

服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的"会话密钥"。然后，向客户端最后发送下面信息

（1）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送
（2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。

这样，ssl握手就完成，但是需要注意，上述的流程是HTTPS，OpenSSL的tcp socket流程和它稍有不同，就是tcp的证书验证是在建立ssl_connect后开始验证对端发过来的数字证书，而不是握手过程中验证，理解本质的话都是一样的，ssl_connect完成后，假如证书不符合规定，会返回0终止此次ssl握手连接。

3、c++的代码实现

Java中可以使用SSLSockets来实现，qt中也有Qsslsocket，他们都是语言集成了OpenSSL库的双向认证与加密api工具，而纯c++没有，则开发者需要在程序中集成OpenSSL库，下面来看实现：

3.1、Android.mk中链接OpenSSL库

LOCAL_SHARED_LIBRARIES := \    
    libcrypto\
    libssl
//项目中可以将某个文件拷贝到image镜像中，TARGET_OUT指的是根目录下的system/目录
$(shell mkdir -p $(TARGET_OUT)/etc/crt)
$(shell cp $(LOCAL_PATH)/crt/chain.crt $(TARGET_OUT)/etc/crt)

3.2、实现双向认证

#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>
//验证证书的函数回调，返回1的时候，无论对端证书是否正确都会放行
static int internalCertificateVerificationCallback(int preverify_ok, X509_STORE_CTX* x509_ctx)
{
    //preverify_ok contains 1 if the pre-verification succeeded, 0 otherwise.
	ALOGE("111wwwww:start vefity");

    return 1; // This accepts every certificate
}

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

    cert = SSL_get_peer_certificate(ssl);
    // SSL_get_verify_result()是重点，SSL_CTX_set_verify()只是配置启不启用并没有执行认证，调用该函数才会真证进行证书认证
    // 如果验证不通过，那么程序抛出异常中止连接
    if(SSL_get_verify_result(ssl) == X509_V_OK){
        ALOGI("证书验证通过\n");
    }
    if (cert != NULL) {
        ALOGI("数字证书信息:\n");
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);
        ALOGI("证书: %s\n", line);
        free(line);
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);
        ALOGI("颁发者: %s\n", line);
        free(line);
        X509_free(cert);
		return TRUE;
    } else{
        ALOGI("无证书信息！\n");
		return FALSE;
    }
}

void createSocket(){

    SSL_CTX *ctx;
    SSL *ssl;
   /* SSL 库初始化 */
    SSL_library_init();
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    SSL_load_error_strings();
    ctx = SSL_CTX_new(TSL_client_method());
    if (ctx == NULL) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        ALOGE("SSL_CTX_new kill myself");
        kill(getpid(), SIGKILL);
    }
    /* 加载三个证书 */
    // 双向验证, internalCertificateVerificationCallback
	// SSL_VERIFY_PEER---要求对证书进行认证，没有证书也会放行
	// SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT---要求客户端需要提供证书，但验证发现单独使用没有证书也会放行
	//SSL_VERIFY_PEER|SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT
	SSL_CTX_set_verify(ctx, SSL_VERIFY_PEER, NULL);
	// 设置信任根证书
	if (SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, "chain.crt",NULL)<=0){
		ERR_print_errors_fp(stdout);
        ALOGE("SSL_CTX_load_verify_locations kill myself,%s",ERR_error_string( ERR_get_error(), NULL ));
        kill(getpid(), SIGKILL);
	}
	/* 载入用户的数字证书， 此证书用来发送给服务端端。 证书里包含有公钥 */
	if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, "certificate.crt", SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
		ERR_print_errors_fp(stderr);
        ALOGE("SSL_CTX_crt load error kill myself,%s,code = %d",ERR_error_string( ERR_get_error(), NULL ),SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, "/data/cipherdata/crt.crt", SSL_FILETYPE_PEM));
		kill(getpid(), SIGKILL);
	}
	/* 载入用户私钥 */
	if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, "key.key", SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
		ERR_print_errors_fp(stdout);
        ALOGE("SSL_CTX_key load error kill myself,error = %s",ERR_error_string( ERR_get_error(), NULL ));
		kill(getpid(), SIGKILL);
	}
		/* 检查用户私钥是否正确 */
	if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
		ERR_print_errors_fp(stdout);
        ALOGE("SSL_CTX_key verity error kill myself,error = %s",ERR_error_string( ERR_get_error(), NULL ));
		kill(getpid(), SIGKILL);
	}
    //**这里创建一个socket,从这里开始是伪代码！！！就是创建一个正常连接成功的socket
    mSocketFd= (int)socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    //connect,假设这里成功
    connect(mSocketFd,address,sizeof(address))
     /* 建立 SSL 连接 */
     ssl = SSL_new(ctx);
     if(ssl){
         SSL_set_fd(ssl, m_socket_id);
     }
     //SSL_shutdown(ssl);
     //SSL_free(ssl);
     //SSL_CTX_free(ctx);
      if (SSL_connect(ssl) == -1){
            ERR_print_errors_fp(stderr);
            ALOGE("SSL_connect error :%s",ERR_error_string( ERR_get_error(), NULL ));
            
			 closeSocket();
             return false;
       }else {
              ShowCerts(ssl);//返回true就是成功
             }
}
//当连接成功以后就可以使用SSL_write、SSL_read来收发数据，这里有个技巧，可能读者觉得这俩函数不太熟悉，不知道怎么使用，但是socket的send、recv函数应该是一直在使用的，直接把socket的send、recv替换成这俩ssl的读写函数就行，总归一句话，tcp的ssl双向认证，是基于socket开发的，先实现正常明文socket开发，然后把上述代码套进去，OpenSSL的双向认证就完成了

4、重点和难点和遇到的问题

4.1、因ssl协议版本不匹配导致的connect失败

上述代码中，ctx = SSL_CTX_new(TSL_client_method());这个形参的类型是有挺多协议类型的：

1、SSLv2_client_method()
2、SSLv3_client_method()
3、SSLv23_client_method()//包含v2和v3两种
4、TSL_client_method()
5、TSLv1_client_method()
…

从笔者开发测试来看，OpenSSL库是可以向下兼容的，也就是说在ssl握手过程中，会优先选择高版本的协议，这里是使用TSL_client_method()，尽量不要写死某个协议（例如TSLv1_client_method），否则一旦对端的协议版本不匹配，ssl_connect就会失败，而这种问题极难看出来原因，解决虽然很容易但是一时半刻想不到这里，会浪费很多时间。笔者在开发测试的过程中就遇到服务器写死了TSLv1_client_method这个类型，导致一直无法连接。

4.2、因socket是非阻塞模式导致的ssl_connect失败

在使用OpenSSL库实现双向认证的前提下，TCP socket套接字如果是非阻塞模式下进行ssl握手，就会一直连接失败，目前笔者这里是用阻塞式，暂时未找到原因！

5、总结

上述两个问题，解决起来其实很容易，问题是定位非常麻烦，c++的程序不像java抛异常给你提示的那么详细，而且实现代码又都在三方库里，看源码很不方便，那么上述俩问题是怎么定位出来的呢？网络相关的程序出问题，使用万能手段网络抓包工具wireshark，先把这个工具安装到电脑上，它可以自己抓包保存成文件，然后在工具中打开文档查看，当然我们要知道，任何抓包工具只能抓当前所在的网卡网络，你不能让电脑上的wireshark去抓手机网卡上的网络数据包，勿慌，adb shell命令可以抓网络包：

adb shell
tcpdump i any-w /data/log/xxx.cap

执行此命令即开始抓包，ctrl+c停止命令执行，数据包文件就保存到相应目录，导出来用wireshark查看，同一时刻肯定有很多网络请求经过网卡，根据自己进程访问的是哪个服务器IP来过滤数据，定位到具体的网络请求以后，查看你这一次的ssl握手执行到哪一步，对应去解决问题，wireshark网络数据抓包不只是用在查看ssl握手这里，只要有网络请求，必然能抓包，以后调试服务器接口等等都可以使用它，甚至是追踪网络请求的具体数据字节流，因此称之为万能手段文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-461792.html

到了这里，关于c++使用OpenSSL基于socket实现tcp双向认证ssl(使用TSL协议)代码实现的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！