Rustls源码分析总结
- 作者：anhkgg
- 日期：2017-11-16
rustls已经支持tls1.3，但是测试分析中使用的tls1.2，所以后面分析主要集中在tls1.2。
主要分析的源码内容：
- client和server的握手协议流程
- rustls是如何进行数据传输的
- 数据传输是如何加密解密的
源码结构
分为client和server两部分
公共接口
session.rs定义了SessionCommon，包括了数据传输、数据加密、包处理相关接口。
主要字段
pub struct SessionCommon {
pub negotiated_version: Option<ProtocolVersion>, //协商好的协议版本
pub is_client: bool, //是客户端true，是服务端false
message_encrypter: Box<MessageEncrypter>, //数据加密接口
message_decrypter: Box<MessageDecrypter>, //数据解密接口
key_schedule: Option<KeySchedule>,
suite: Option<&'static SupportedCipherSuite>,
write_seq: u64,
read_seq: u64,
peer_eof: bool,
pub peer_encrypting: bool,
pub we_encrypting: bool,
pub traffic: bool, // 默认false，握手完成字段为true
pub want_write_key_update: bool,
pub message_deframer: MessageDeframer, //消息帧处理对象，保存所有Message包
pub handshake_joiner: HandshakeJoiner,
pub message_fragmenter: MessageFragmenter,
received_plaintext: ChunkVecBuffer, //缓存接收到的数据明文
sendable_plaintext: ChunkVecBuffer,//缓存握手后需要传输的数据明文
pub sendable_tls: ChunkVecBuffer, //缓存握手数据包
}
主要接口
| 函数名 | 说明 |
|---|---|
read_tls |
接收底层连接数据 |
write_tls |
通过底层连接发送数据 |
process_new_packets |
每次调用read_tls之后都需要调用该函数主动触发消息处理 |
wants_read/wants_write |
是否有数据需要接收发送 |
encrypt_outgoing |
加密要发送的数据，在握手完成之后需要 |
decrypt_incoming |
解密要接收的数据，在握手完成之后需要 |
send_msg_encrypt |
发送加密数据 |
send_appdata_encrypt |
发送握手之后的数据，加密 |
send_some_plaintext |
发送明文数据，握手之后会被加密发送 |
start_traffic |
握手完成之后调用，设置传输标志，发送缓存的数据明文 |
send_msg |
发送TLS消息，根据是否加密走不通发送方式 |
take_received_plaintext |
握手完成之后，收到数据会被调用，参数已经是明文Message |
set_message_encrypter |
设置消息加密接口，start_encryption_tls12中调用 |
set_message_decrypter |
设置消息解密接口，start_encryption_tls12中调用 |
start_encryption_tls12 |
TLS1.2设置加解密接口，在ExpectTLS12ServerDone::handle/ExpectTLS12ClientKX::handle调用 |
ciper.rs定义了加密解密的接口。
MessageEncrypter,MessageDecrypter，具体使用加解密方法在握手过程中ExpectTLS12ServerDone::handle/ExpectTLS12ClientKX::handle设置。
//client端
// 5e. Now commit secrets.
let hashalg = sess.common.get_suite().get_hash();
if st.handshake.using_ems {
sess.secrets = Some(SessionSecrets::new_ems(&st.handshake.randoms,
&handshake_hash,
hashalg,
&kxd.premaster_secret));
} else {
sess.secrets = Some(SessionSecrets::new(&st.handshake.randoms,
hashalg,
&kxd.premaster_secret));
}
sess.start_encryption_tls12();
//----------
pub fn start_encryption_tls12(&mut self, secrets: &SessionSecrets) {
let (dec, enc) = cipher::new_tls12(self.get_suite(), secrets);
self.message_encrypter = enc;
self.message_decrypter = dec;
}
client详解
src/client/mod.rs 导出ClientSession接口，外部使用
src/client/hs.rs tls协议中所有包处理，包括握手和传输
src/client/
ClientSession内部由ClientSessionImpl实现。
pub struct ClientSessionImpl {
pub config: Arc<ClientConfig>, //保存client端的证书，密钥配置等信息
pub secrets: Option<SessionSecrets>, //保存握手后的会话密钥
pub alpn_protocol: Option<String>,
pub common: SessionCommon, // 完成具体消息传输、加解密等
pub error: Option<TLSError>,
pub state: Option<Box<hs::State + Send>>, // 保存握手过程中的交互状态，握手中处理对象都实现State接口
pub server_cert_chain: CertificatePayload, // 服务端证书链
}
握手，准备第一个数据包。
ClientSessionImpl::new内部就会准备握手要发送的第一个数据包。
cs.state = Some(hs::start_handshake(&mut cs, hostname));
//cs.state保存下一次将处理数据对象
---> //进入hs.rs
InitialState::emit_initial_client_hello
--->
emit_client_hello_for_retry
---> //构造发送的数据包
let mut chp = HandshakeMessagePayload {
typ: HandshakeType::ClientHello,
payload: HandshakePayload::ClientHello(ClientHelloPayload {
client_version: ProtocolVersion::TLSv1_2,
random: Random::from_slice(&handshake.randoms.client),
session_id: session_id,
cipher_suites: sess.get_cipher_suites(),
compression_methods: vec![Compression::Null],
extensions: exts,
}),
};
然后，收到返回数据之后，会在ClientSessionImpl::process_main_protocol调用state.handle来处理收到的数据，然后返回新的state，用于下次处理，如此循环，知道握手完成。
fn process_main_protocol(&mut self, msg: Message) -> Result<(), TLSError> {
//检查消息是否合法
let state = self.state.take().unwrap();
state
.check_message(&msg)
.map_err(|err| {
self.queue_unexpected_alert();
err
})?;
//处理本次数据，返回下次需要处理的数据对象
self.state = Some(state.handle(self, msg)?);
Ok(())
}
消息处理调用流程如下：
//ClientSessionImpl
process_new_packets->process_msg->process_main_protocol->state.handle
下面直接列出client端握手处理流程：
ExpectServerHelloOrHelloRetryRequest:handle
ExpectServerHello:handle // 处理serverhello
ExpectTLS12Certificate: handle //验证证书
ExpectTLS12ServerKX: handle // 密钥交换
ExpectTLS12ServerDoneOrCertReq: handle
ExpectTLS12ServerDone: handle
emit_clientkx
emit_ccs
ExpectTLS12CCS:handle //通知使用加密方式发送报文，sess.common.peer_now_encrypting();设置后面数据会加密的状态
emit_finished
ExpectTLS12Finished:handle // 握手结束
在ExpectTLS12Finished::handle中，会保存session，开始传输数据，以及返回下次的state，此时握手协议已经完成。
save_session(&mut st.handshake,
&mut st.ticket,
sess);
if st.resuming {
emit_ccs(sess);
emit_finished(&mut st.handshake, sess);
}
sess.common.we_now_encrypting();
sess.common.start_traffic(); //发送数据
Ok(st.into_expect_tls12_traffic(fin)) // 下次需要ExpectTLS12Traffic
后面数据传输的所有流程都会进入ExpectTLS12Traffic::handle，也就是开始传输协议。
impl State for ExpectTLS12Traffic {
fn handle(self: Box<Self>, sess: &mut ClientSessionImpl, mut m: Message) -> StateResult {
sess.common.take_received_plaintext(m.take_opaque_payload().unwrap());
Ok(self) //返回的依然是ExpectTLS12Traffic给state，所以以后都会进入这里
}
}
传输数据的处理。
接收数据
调用take_received_plaintext将获取到的明文Message传给内部处理，存入SessionCommon的received_plaintext，等待用户的提取。
那明文Message是怎么来的呢？是在前面说到的消息处理流程中，到handle之前。
process_new_packets->process_msg->process_main_protocol->state.handle
在process_msg中会判断peer_encrypting状态为真则将数据解密，而该状态是在握手中ExpectTLS12CCS::handle 被设置为true的。
pub fn process_msg(&mut self, mut msg: Message) -> Result<(), TLSError> {
// Decrypt if demanded by current state.
if self.common.peer_encrypting {
let dm = self.common.decrypt_incoming(msg)?; //解密数据
msg = dm;
}
//self.common.peer_encrypting
pub fn peer_now_encrypting(&mut self) {
self.peer_encrypting = true;
}
发送数据
握手过程中，发送数据包使用sess.common.send_msg(ch, false)。send_msg内部根据是否加密状态（must_encrypt）进行不同处理，直接缓存或者调用send_msg_encrypt加密之后缓存。
send_msg_encrypt->send_single_fragment->encrypt_outgoing(加密)
最后都是通过queue_tls_message将数据先缓存，然后在调用write_tls之后将数据发送。
pub fn write_tls(&mut self, wr: &mut Write) -> io::Result<usize> {
self.sendable_tls.write_to(wr)
}
握手完成后，通过ClientSession实现的io::write（或者write_all）接口发送明文数据。
impl io::Write for ClientSession {
//先缓存数据
fn write(&mut self, buf: &[u8]) -> io::Result<usize>{
self.imp.common.send_some_plaintext(buf)
}
//flush时才发送数据
fn flush(&mut self) -> io::Result<()> {
self.imp.common.flush_plaintext();
Ok(())
}
}
send_some_plaintext在根据是否握手完成有不同的操作，握手未完成时，先缓存明文到sendable_plaintext，握手完成后，直接调用send_appdata_encrypt缓存密文（进入send_single_fragment过程加密）。
pub fn send_some_plaintext(&mut self, data: &[u8]) -> io::Result<usize> {
self.send_plain(data, Limit::Yes)
}
fn send_plain(&mut self, data: &[u8], limit: Limit) -> io::Result<usize> {
if !self.traffic { //握手未完成
let len = match limit { //缓存明文
Limit::Yes => self.sendable_plaintext.append_limited_copy(data),
Limit::No => self.sendable_plaintext.append(data.to_vec())
};
return Ok(len);
}
//握手完成，直接缓存加密数据
Ok(self.send_appdata_encrypt(data, limit))
}
握手完成时，之前缓存的明文数据通过start_traffic实际将数据加密缓存到sendable_tls，最后也是通过write_tls发送出去。
pub fn start_traffic(&mut self) {
self.traffic = true;
self.flush_plaintext();
}
->
flush_plaintext->send_plain->send_appdata_encrypt->send_single_fragment-> encrypt_outgoing(加密)
握手完成之后调用的send_some_plaintext是直接将数据加密缓存，在write_tls后发送出去。
server详解
src/server/mod.rs 导出ServerSession接口，外部使用
src/server/hs.rs tls协议中所有包处理，包括握手和传输
src/client/
公开外部使用的借口ServerSession，内部由ServerSessionImpl实现。
pub struct ServerSessionImpl {
pub config: Arc<ServerConfig>, //证书、密钥等配置
pub secrets: Option<SessionSecrets>, //会话密钥
pub common: SessionCommon, // 实际握手传输数据处理对象
sni: Option<webpki::DNSName>, //SNI(Server Name Indication) ，解决一个服务器使用多个域名和证书的SSL/TLS扩展
pub alpn_protocol: Option<String>,
pub error: Option<TLSError>,
pub state: Option<Box<hs::State + Send>>, //握手和传输中处理数据包的状态，每个状态的数据包处理对象
pub client_cert_chain: Option<Vec<key::Certificate>>, //client证书链
}
接口基本和ClientSession类似，不再详述
握手流程
server和client处理握手的方式都一样，每个握手包处理对象都会实现State接口。
pub trait State {
fn check_message(&self, m: &Message) -> CheckResult;
fn handle(self: Box<Self>, sess: &mut ServerSessionImpl, m: Message) -> StateResult;
}
然后在收到client消息之后，在process_main_protocol中调用对应握手包对象的handle函数，并且会返回握手期望处理的下次数据包对象给state，以便下次收到消息继续处理。
//process_main_protocol
self.state = Some(st.handle(self, msg)?);
握手流程：
-----ExpectClientHello::handle
-----ExpectTLS12Certificate::handle //如果需要验证client的证书，有这步
-----ExpectTLS12ClientKX::handle //密钥交换
-----ExpectTLS12CertificateVerify::handle //验证client证书
-----ExpectTLS12CCS::handle //通知使用加密方式发送报文
-----ExpectTLS12Finished::handle //握手完成
-----ExpectTLS12Traffic:: handle //开发传输数据
消息传输
同样，握手完成后，server在ExpectTLS12Traffic::handle中处理后续的传输协议中的消息。
impl State for ExpectTLS12Traffic {
fn handle(self: Box<Self>, sess: &mut ServerSessionImpl, mut m: Message) -> StateResult {
println!("-----ExpectTLS12Traffic::handle");
sess.common.take_received_plaintext(m.take_opaque_payload().unwrap());
Ok(self)
}
}
数据加密和解密流程基本和client类似，不再详述。
另外，client和server握手中需要发送的数据包构造都在hs.rs::emit_xxx函数中
消息相关
该部分存在单独的msgs目录下，包含了握手过程中各种消息类型的定义，消息传输具体设计的fragment/deframe等。
所有消息统一的结构Message，Message也定义了一下方便获取字段和数据的借口，这里不再详述。
pub struct Message {
pub typ: ContentType,
pub version: ProtocolVersion,
pub payload: MessagePayload,
}
//msgs/message.rs
MessagePayload
BorrowMessage
//msgs/handshake.rs
包含握手过程中，证书、密钥交换的一些数据结构
//msgs/deframe.rs
定义了MessageDeframer，管理Message数据，read/deframe_one
//msgs/hsjoiner.rs
HandshakeJoiner，重建握手数据，验证数据等定义
//msgs/enums.rs
各种版本号，算法类型号，握手包类型序号等等的enum定义
//msgs/ccs.rs
密钥交换相关定义
其他
| 文件 | 说明 |
|---|---|
| key.rs | 密钥、证书结构定义 |
| pemfile.rs | PEM文件解析生成密钥相关接口 |
| verify.rs | 证书验证相关 |
| suites.rs | 加密套件、密钥交换相关 |
| sign.rs | 签名相关 |
| vecbuf.rs | 所有消息数据最底层存储结构，vec构成 |
| webpki | 三方库，完成证书验证 |
| ring | 三方库，完成加密算法相关能力 |
下篇在根据示例代码分析一下rustls库具体的使用
博客原文：http://anhkgg.com/rustls-source-code-analyze/
公众号：汉客儿
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