基于openssl v3搭建ssl安全加固的c++ tcpserver

1 概述

tcp server和tcp client同时使用openssl库，可对通信双方流通的字节序列进行加解密，保障通信的安全。本文以c++编写的tcp server和tcp client为例子，openssl的版本为v3。

2 安装openssl v3

2.1 安装 perl-IPC-Cmd

openssl项目中的config脚本需要用到perl-IPC-Cmd工具。

yum -y install perl-IPC-Cmd

2.2 安装openssl v3

安装的结果放在目录/opt/openssl中。

mkdir -p /opt
cd /opt
wget --no-check-certificate https://www.openssl.org/source/openssl-3.1.0.tar.gz
tar xf openssl-3.1.0.tar.gz
cd openssl-3.1.0
./config --prefix=/opt/openssl
make -j8
make install

安装完毕后，结果如下图所示：

3 生成SSL私钥和证书

3.1 创建自签CA：

以下将生成一个名称为ca.key的key文件和一个名称为ca.crt的证书文件，CA的common name叫EXAMPLE Cert Authority。

openssl req -x509 -sha256 -newkey rsa:4096 -keyout ca.key -out ca.crt \
-days 3650 \
-nodes -subj '/CN=EXAMPLE Cert Authority'

3.2 生成key文件和csr文件

key文件名称为server.key，csr文件名称为server.csr，common name为apigateway.example.com。

openssl req -new -newkey rsa:4096 -keyout server.key -out server.csr -nodes \
-subj '/CN=apigateway.example.com'

3.2 编写csr扩展文件extfile

SAN就在subjectAltName字段中指定，可以写多个域名和IP，例如域名为apigateway，IP为192.168.16.128。

cat > extfile.cnf << EOF
[ v3_req ]
# Extensions to add to a certificate request
extendedKeyUsage = serverAuth,clientAuth
subjectAltName = DNS:apigateway.example.com,DNS:localhost,IP:192.168.16.128,IP:127.0.0.1
basicConstraints = CA:FALSE
keyUsage = nonRepudiation, digitalSignature, keyEncipherment
EOF

3.3 生成证书文件

依据key文件、csr文件和csr扩展文件，生成证书文件（名称为server.crt）

openssl x509 -req -sha256 -days 3650 \
-extfile extfile.cnf \
-extensions v3_req \
-in server.csr \
-CA ca.crt \
-CAkey ca.key \
-out server.crt \
-CAcreateserial

3.4 检验证书文件是否由指定CA签署

openssl verify -CAfile ca.crt -verbose server.crt

4 编写服务端代码

代码来自博客：https://blog.csdn.net/lf940841989/article/details/16881331

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>

#define MAXBUF 1024

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd, new_fd;
    socklen_t len;
    struct sockaddr_in my_addr, their_addr;
    unsigned int myport, lisnum;
    char buf[MAXBUF + 1];
    SSL_CTX *ctx;

        printf("Usage: %s port listenno(1) ip publickey privaterkey\n", argv[0]);

        if(argc != 6) {
                printf("parameter error\n");
                exit(0);
        }

    if (argv[1])
        myport = atoi(argv[1]);
    else
        myport = 7838;
    if (argv[2])
        lisnum = atoi(argv[2]);
    else
        lisnum = 2;

    /* 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SSL V2 和V3 标准兼容方式产生一个SSL_CTX ，即SSL Content Text */
    ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
    //ctx = SSL_CTX_new(SSLv3_server_method());

    /* 也可以用SSLv2_server_method() 或SSLv3_server_method() 单独表示V2 或V3
     * 标准*/
    if (ctx == NULL) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }

    /* 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, argv[4], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }

    /* 载入用户私钥*/
    if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, argv[5], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }

    /* 检查用户私钥是否正确*/
    if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }

    /* 开启一个socket 监听*/
    if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    } else
        printf("socket created\n");

    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
    my_addr.sin_family = PF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(myport);

    if (argv[3])
        my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[3]);
    else
        my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof(struct sockaddr))
            == -1) {
        perror("bind");
        exit(1);
    } else
        printf("binded\n");

    if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
    } else
        printf("begin listen\n");

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

        /* 等待客户端连上来*/
        if ((new_fd =
                    accept(sockfd, (struct sockaddr *) &their_addr,
                           &len)) == -1) {
            perror("accept");
            exit(errno);
        } else
            printf("server: got connection from %s, port %d, socket %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) {
            perror("accept");
            close(new_fd);
            break;
        }

        /* 开始处理每个新连接上的数据收发*/
        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        strcpy(buf, "server->client");

        /* 发消息给客户端*/
        len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));
        if (len <= 0) {
            printf
            ("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
             buf, errno, strerror(errno));
            goto finish;
        } else
            printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d 个字节！\n",
                   buf, len);
        bzero(buf, MAXBUF + 1);

        /* 接收客户端的消息*/
        len = SSL_read(ssl, buf, MAXBUF);
        if (len > 0)
            printf("接收消息成功:'%s'，共%d 个字节的数据\n",
                   buf, len);
        else
            printf
            ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
             errno, strerror(errno));
        /* 处理每个新连接上的数据收发结束*/

finish:
        /* 关闭SSL 连接*/
        SSL_shutdown(ssl);

        /* 释放SSL */
        SSL_free(ssl);

        /* 关闭socket */
        close(new_fd);
    }

    /* 关闭监听的socket */
    close(sockfd);

    /* 释放CTX */
    SSL_CTX_free(ctx);

    return 0;
}

5 编写客户端代码

代码来自博客：https://blog.csdn.net/lf940841989/article/details/16881331

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <resolv.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>

#define MAXBUF 1024

void ShowCerts(SSL * ssl)
{
    X509 *cert;
    char *line;
    cert = SSL_get_peer_certificate(ssl);
    if (cert != NULL) {
        printf("数字证书信息:\n");
        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];
    SSL_CTX *ctx;
    SSL *ssl;

        printf("Usage: %s server_ip server_port\n", argv[0]);

    if (argc != 3) {

        printf("参数格式错误！正确用法,比如: %s 127.0.0.1 80\n"
                 "此程序用来从某个IP 地址的服务器某个端口接收最多MAXBUF 个字节的消息\n",
         argv[0]);

        exit(0);
    }

    /* SSL 库初始化，参看ssl-server.c 代码*/
    SSL_library_init();
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    SSL_load_error_strings();
    ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());
    // ctx = SSL_CTX_new(SSLv3_client_method());
    if (ctx == NULL) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }

    /* 创建一个socket 用于tcp 通信*/
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("Socket");
        exit(errno);
    }
    printf("socket created\n");

    /* 初始化服务器端（对方）的地址和端口信息*/
    bzero(&dest, sizeof(dest));
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    if (inet_aton(argv[1], (struct in_addr *) &dest.sin_addr.s_addr) == 0) {
        perror(argv[1]);
        exit(errno);
    }
    printf("address created\n");

    /* 连接服务器*/
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) {
        perror("Connect ");
        exit(errno);
    }
    printf("server connected\n");

    /* 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)
        ERR_print_errors_fp(stderr);
    else {
        printf("Connected with %s encryption\n", SSL_get_cipher(ssl));
        ShowCerts(ssl);
    }
    /* 接收对方发过来的消息，最多接收MAXBUF 个字节*/
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);

    /* 接收服务器来的消息*/
    len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);
    if (len > 0)
        printf("接收消息成功:'%s'，共%d 个字节的数据\n",
               buffer, len);
    else {
        printf
        ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
         errno, strerror(errno));
        goto finish;
    }
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);
    strcpy(buffer, "from client->server");

    /* 发消息给服务器*/
    len = SSL_write(ssl, buffer, strlen(buffer));
    if (len < 0)
        printf
        ("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
         buffer, errno, strerror(errno));
    else
        printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d 个字节！\n",
               buffer, len);

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

    return 0;
}

6 编译服务端代码并运行

g++ -o server server_ssl.c -Wl,-rpath,/opt/openssl/lib64 -L/opt/openssl/lib64 -lssl -lcrypto -I/opt/openssl/include

./server 8888 1 127.0.0.1 server.crt server.key

7 编译客户端代码

g++ -o client client_ssl.c -L/opt/openssl/lib64 -lssl -lcrypto -I/opt/openssl/include -Wl,-rpath,/opt/openssl/lib64

8 运行客户端

./client 127.0.0.1 8888

客户端的输出如下图：

客户端会打印服务端传输过来的ssl证书，CA和CN正是本文在创建证书阶段所填写的信息，说明在TCP握手之后，进行SSL握手也是成功的。握手成功后，往服务端发送信息"from client->server"。

此时服务端的输出如下图：

服务端在SSL握手成功后，通过SSL_read()方法接收来自客户端发送过来的加密信息并自动解密（明文信息为"from client->server"）。

9 小结

tcp握手成功后，服务端和客户端代码使用openssl库能加解密tcp中传输的字节序列，保障通信的安全。在代码编写套路上，服务端和客户端代码在拿到fd之后，将fd塞进ssl上下文对象中，使用格式如SSL_XXX的方法来进行SSL握手、读写数据。