20.7 OpenSSL 套接字SSL加密傳輸

lyshark發表於2023-11-05
加密

OpenSSL 中的 SSL 加密是透過 SSL/TLS 協議來實現的。SSL/TLS 是一種安全通訊協議，可以保障通訊雙方之間的通訊安全性和資料完整性。在 SSL/TLS 協議中，加密演算法是其中最核心的組成部分之一，SSL可以使用各類加密演算法進行金鑰協商，一般來說會使用RSA等加密演算法，使用TLS加密針對服務端來說則需要同時載入公鑰與私鑰檔案，當傳輸被建立後客戶端會自行下載公鑰並與服務端完成握手，讀者可將這個流程理解為上一章中RSA的分發金鑰環節，只是SSL將這個過程簡化了，當使用時無需關注傳輸金鑰對的問題。

與RSA實現加密傳輸一致，使用SSL實現加密傳輸讀者同樣需要自行生成對應的金鑰對，金鑰對的生成可以使用如下命令實現；

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

執行如上兩條命令，讀者可得到兩個檔案首先生成2048位的privkey.pem也就是私鑰，接著利用私鑰檔案生成cacert.pem證書檔案，該檔案的有效期為1095天也就是三年，當然此處由於是測試可以使用自定義生成，如果在實際環境中還是需要購買正規簽名來使用的。

服務端實現程式碼與原生套接字通訊保持高度一致，在連線方式上同樣採用了標準API實現，唯一的不同在於當accept函式接收到用於請求時，我們需要透過SSL_new產生一個SSL物件，當需要傳送資料時使用SSL_write，而當需要接收資料時則使用SSL_read函式，透過使用這兩個函式即可保證中間的傳輸流程是安全的，其他流程與標準套接字程式設計保持一致，如下是服務端完整程式碼實現。

#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庫初始化
  SSL_library_init();

  // 載入所有SSL演算法
  OpenSSL_add_all_algorithms();

  // 載入所有SSL錯誤訊息
  SSL_load_error_strings();

  // 以SSLV2和V3標準相容方式產生一個SSL_CTX即SSLContentText
  ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
  if (ctx == NULL)
  {
    std::cout << "[-] 產生CTX上下文物件錯誤" << std::endl;
    return 0;
  }
  else
  {
    std::cout << "[+] 產生CTX上下文物件" << std::endl;
  }

  // 載入使用者的數字證書,此證書用來傳送給客戶端,證書裡包含有公鑰
  if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, "d://cacert.pem", SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)
  {
    std::cout << "[-] 載入公鑰失敗" << std::endl;
    return 0;
  }
  else
  {
    std::cout << "[+] 已載入公鑰" << std::endl;
  }

  // 載入使用者私鑰
  if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, "d://privkey.pem", SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)
  {
    std::cout << "[-] 載入私鑰失敗" << std::endl;
    return 0;
  }
  else
  {
    std::cout << "[+] 已載入私鑰" << std::endl;
  }

  // 檢查使用者私鑰是否正確
  if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx))
  {
    std::cout << "[-] 使用者私鑰錯誤" << std::endl;
    return 0;
  }

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

  // 建立套接字
  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);

  // 繫結套接字
  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);

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

    // 基於ctx產生一個新的SSL
    ssl = SSL_new(ctx);

    // 將連線使用者的socket加入到SSL
    SSL_set_fd(ssl, new_fd);

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

    // 開始處理每個新連線上的資料收發
    memset(buf, 0, MAXBUF);
    strcpy(buf, "[服務端訊息] hello lyshark");

    // 發訊息給客戶端
    len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));
    if (len <= 0)
    {
      goto finish;
      return 0;
    }

    memset(buf, 0, MAXBUF);

    // 接收客戶端的訊息
    len = SSL_read(ssl, buf, MAXBUF);
    if (len > 0)
    {
      printf("[接收到客戶端訊息] => %s \n", buf);
    }

    // 關閉套接字連線
  finish:
    SSL_shutdown(ssl);
    SSL_free(ssl);
    closesocket(new_fd);
  }

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

  system("pause");
  return 0;
}

客戶端實現程式碼同樣與原生套接字程式設計保持一致，如下是完整程式碼，讀者可以發現當使用connect連線到服務端後，依然呼叫了SSL_connect函式，此處的函式功能是在服務端下載證書資訊，並完成證書通訊驗證，當驗證實現後，則讀者就可以向原生套接字那樣去運算元據包的流向了。

#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("[+] 證書: %s \n", line);
    free(line);
    line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);
    printf("[+] 頒發者: %s \n", line);
    free(line);
    X509_free(cert);
  }
  else
  {
    printf("[-] 無證書資訊 \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庫初始化
  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;
  }

  // 建立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;
  }

  // 初始化伺服器端(對方)的地址和埠資訊
  dest.sin_family = AF_INET;
  dest.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  dest.sin_port = htons(9999);

  // 連線伺服器
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest)) != 0)
  {
    WSACleanup();
    return 0;
  }

  // 基於ctx產生一個新的SSL
  ssl = SSL_new(ctx);
  SSL_set_fd(ssl, sockfd);

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

  //接收伺服器來的訊息 最多接收MAXBUF位元組
  len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);
  if (len > 0)
  {
    printf("接收訊息: %s --> 共 %d 位元組 \n", buffer, len);
  }
  else
  {
    goto finish;
  }

  memset(buffer, 0, MAXBUF);
  strcpy(buffer, "[客戶端訊息] hello Shark");

  // 發訊息給伺服器
  len = SSL_write(ssl, buffer, strlen(buffer));
  if (len > 0)
  {
    printf("[+] 傳送成功 \n");
  }

finish:
  // 關閉連線
  SSL_shutdown(ssl);
  SSL_free(ssl);
  closesocket(sockfd);
  SSL_CTX_free(ctx);

  system("pause");
  return 0;
}

至此讀者可以分別編譯服務端與客戶端程式，並首先執行服務端偵聽套接字，接著執行客戶端，此時即可看到如下圖所示的通訊流程，至此兩者的通訊資料包將被加密傳輸，從而保證了資料的安全性。

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