OpenSSL 的异步 TLS 1.3 加密

[1. 为什么需要"异步"？](#1. 为什么需要“异步”？)

[2. 完整传输流程拆解](#2. 完整传输流程拆解)

[第一阶段：TLS 1.3 极速握手（1-RTT）](#第一阶段：TLS 1.3 极速握手（1-RTT）)

第二阶段：异步数据加密与发送

核心机制总结

对称加密是指加密和解密使用同一个密钥，通信双方必须提前拥有相同的密钥，它的优点是速度快、适合大量数据传输，缺点是密钥分发困难；

非对称加密是指使用一对密钥（公钥和私钥），公钥可以公开，私钥由自己保存，数据用公钥加密后只能用对应私钥解密，它解决了密钥交换问题，但计算速度较慢。

OpenSSL 在 TLS 通信中既会涉及公钥，也会涉及私钥，但它们承担的任务不同，并不是整个数据传输过程都用公钥/私钥加密。

简单总结：

在 OpenSSL 的 TLS（例如 TLS 1.3）通信中，服务器使用私钥证明自己的身份，客户端通过服务器的**公钥（证书中的公钥）验证服务器是否可信；**

****双方还会利用非对称密码算法完成身份认证和密钥协商，生成一个双方共享的对称会话密钥。

之后真正的大量数据传输（网页内容、文件、API数据等）使用的是速度更快的对称加密算法（如 AES-GCM、ChaCha20-Poly1305），而不是一直使用公钥和私钥加密。

TLS 1.3 是目前最安全、连接最快的网络加密协议；异步模式（Async） 则是让程序在做耗时的加密运算或等待网络时，不傻傻卡住，而是先去处理其他事情。

把 OpenSSL 想象成一个专门处理加密包裹的快递站：

1. 为什么需要"异步"？

在传统同步模式下，CPU 命令加密模块（比如 QAT 硬件加速卡）加密一段数据，CPU 会一直停在原地死等，直到加密完成，这会浪费极高的算力。

而在异步模式下：

下发任务：主线程把明文交给 OpenSSL。
挂起切换 ：OpenSSL 把繁重的加密任务丢给后台（硬件加速卡或后台线程），然后立刻返回一个状态："我正在算，你先去干别的（SSL_ERROR_WANT_ASYNC）"。
通知唤醒 ：后台加密完成后，通过事件（如 epoll 监听的文件描述符）通知主线程："货装好了，可以继续发了"。

2. 完整传输流程拆解

整个流程分为两大阶段：建立连接（握手） 和 数据加密传输（收发）。

第一阶段：TLS 1.3 极速握手（1-RTT）

TLS 1.3 相比旧版大幅简化，只需要一次往返就能完成身份验证并生成对称加密密钥：

复制代码

[客户端 Client]                                      [服务端 Server]
      |                                                     |
      | -------- 1. ClientHello + 客户端公钥 (KeyShare) ---> |
      |                                                     | (服务端生成共享密钥)
      | <------- 2. ServerHello + 服务端公钥 + 证书/签名 ---  | (异步验证/签名计算)
      |                                                     |
 (客户端验证证书并计算共享密钥) 
                            |
      |  因为椭圆曲线 Diffie-Hellman 的数学性质：                                                     
      | === 握手完成，双方计算出一致的【对称会话密钥】 ===     |

在这个阶段，OpenSSL 如果开启了异步，服务端的私钥签名、公钥解密等高耗时数学计算会被抛给加速芯片异步执行。

第二阶段：异步数据加密与发送

握手成功后，双方开始传输业务数据（如网页内容、API 请求）：

步骤	角色	动作说明
① 发起写请求	应用程序	调用 `SSL_write(ssl, buffer, len)` 发送明文数据。
② 启动异步任务	OpenSSL	内部以协程/纤程（Fiber）启动一个 `ASYNC_JOB`，将 AES-GCM 或 ChaCha20 加密任务提交给硬件加速卡。
③ 立即返回	OpenSSL	不等待硬件计算完成，直接让出执行权，返回错误码 `SSL_ERROR_WANT_ASYNC`。
④ 挂起等待	应用程序	收到该错误码后，把当前连接的异步文件描述符（`async_fd`）注册到事件循环（如 Linux 的 `epoll`），主线程转头去处理其他用户的请求。
⑤ 硬件完成通知	硬件/驱动	加密完成后，向 `async_fd` 写入完成信号，激活 `epoll`。
⑥ 恢复执行	应用程序	再次调用 `SSL_write`，OpenSSL 唤醒之前的上下文，获取密文并推入网络 TCP Socket 发送给对方。

SSL_write() 默认：当前线程干活，会占用线程
ASYNC_JOB：保存暂停/恢复状态，不是线程
硬件加速：硬件自己计算，不靠你的线程
是否有额外线程：取决于硬件驱动/加速引擎实现

cpp 复制代码

while (1) {
    ret = SSL_write(ssl, buf, len);

    if (ret > 0) {
        // 写成功
        break;
    }

    err = SSL_get_error(ssl, ret);

    if (err == SSL_ERROR_WANT_WRITE) {
        // 等socket可写
    }
    else if (err == SSL_ERROR_WANT_READ) {
        // 等socket可读
    }
    else if (err == SSL_ERROR_WANT_ASYNC) {
        // 等async_fd通知
    }
    else {
        // 真正错误
    }
}

核心机制总结

TLS 1.3 负责安全性与速度：砍掉了老旧加密套件，握手由 2 次往返缩减到 1 次，生成一次性会话密钥。
OpenSSL 异步框架负责高吞吐：利用类似协程的挂起/恢复机制，在进行大吞吐量对称加密（AES/ChaCha20）或非对称密码计算时释放 CPU，使单台服务器能够同时抗住数十万并发连接。