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2021SC@SDUSC
7 抽象IO
7.1 openssl 抽象 IO
openssl 抽象 IO(I/O abstraction，即 BIO)是 openssl 对于 io 类型的抽象封装,
包括:内存、 文件、日志、标准输入输出、socket(TCP/UDP)、加/解密、摘要和 ssl 通道等。
Openssl BIO 通过回调函数为用户隐藏了底层实现细节，所有类型的 bio 的调用大体上是类似的。
Bio 中的数据能从一个 BIO 传送到另外一个 BIO 或者是应用程序。
其实包含了很多种接口，用通用的函数接口，主要控制在BIO_METHOD中的不同实现函数控制，
包括6种filter型和8种source/sink型。
source/sink类型的BIO是数据源，
例如，sokect BIO 和 文件BIO。
而filter BIO就是把数据从一个BIO转换到另外一个BIO或应用接口,
在转换过程中,些数据可以不修改（如信息摘要BIO)，也可以进行转换.
例如在加密BIO中，如果写操作，数据就会被加密，如果是读操作，数据就会被解密。
BIO是封装了许多类型I/O接口细节的一种应用接口,
可以和SSL连接、 非加密的网络连接以及文件IO进行透明的连接。
BIO可以连接在一起成为一个BIO链（单个的BIO就是一个环节的BIO链的特例）,
如下是BIO的结构定义，可以看到它有上下环节。
一个BIO链通常包括一个source BIO和一个或多个filter BIO，数据从第一个BIO读出或写入,
然后经过一系列BIO变化到输出（通常是一个source/sink BIO）。
BIO目录文件的简要说明:
bio.h： 主定义的头文件，包括了很多通用的宏的定义。
bio_lib.c: 主要的BIO操作定义文件，是比较上层的函数了。
bss_*系列：是soruce/sink型BIO具体的操作实现文件
bf_*系列： 是filter型BIO具体的操作实现文件
bio_err.c: 是错误信息处理文件
bio_cb.c： 是callback函数的相关文件
b_print.c: 是信息输出的处理函数文件
b_socket.c: 是Socket连接的一些相关信息处理文件
b_dump.c: 是对内存内容的存储操作处理
7.2 数据结构
BIO 数据结构主要有 2 个，在 crypto/bio.h 中定义如下:
BIO_METHOD
typedef struct bio_method_st {
int type;
const char *name;
int (*bwrite)(BIO *, const char *, int);
int (*bread)(BIO *, char *, int);
int (*bputs)(BIO *, const char *);
int (*bgets)(BIO *, char *, int);
long (*ctrl)(BIO *, int, long, void *);
int (*create)(BIO *);
int (*destroy)(BIO *);
long (*callback_ctrl)(BIO *, int, bio_info_cb *);
} BIO_METHOD;
该结构定义了 IO 操作的各种回调函数，根据需要，具体的 bio 类型必须实现其中的一种或多种回调函数，各项意义如下:
type: 具体 BIO 类型;
name: 具体 BIO 的名字;
bwrite: 具体 BIO 写操作回调函数;
bread: 具体 BIO 读操作回调函数;
bputs: 具体 BIO 中写入字符串回调函数;
bgets: 具体 BIO 中读取字符串函数;
ctrl: 具体 BIO 的控制回调函数;
create: 生成具体 BIO 回调函数;
destroy: 销毁具体 BIO 回调函数;
callback_ctrl: 具体 BIO 控制回调函数,与 ctrl 回调函数不一样,
该函数可由调用者(而不是实现者)来实现,然后通过
BIO_set_callback 等函数来设置。
BIO
truct bio_st {
BIO_METHOD *method;
long (*callback)(struct bio_st *,int,const char *,int, long,long);
char *cb_arg;
int init;
int shutdown;
int flags;
int retry_reason;
int num;
void *ptr;
structbio_st *next_bio;
struct bio_st *prev_bio;
int references;
nsigned long num_read;
unsigned long num_write;
CRYPTO_EX_DATA ex_data;
};
/*
主要项含义:
init: 具体句柄初始化标记，初始化后为1。
比如:文件 BIO 中,通过 BIO_set_fp 关联一个文件指针时，该标记则置 1 ;
socket BIO中,通过 BIO_set_fd 关联一个链接时,设置该标记为 1。
shutdown: BIO 关闭标记，当该值不为 0 时，释放资源; 该值可以通过控制函 数来设置。
flags: 有些 BIO 实现需要它来控制各个函数的行为。
比如文件 BIO 默认该值为 BIO_FLAGS_UPLINK，
这时文件读操作调用UP_fread 函数而不是调用fread 函数。
retry_reason: 重试原因,主要用在 socket 和 ssl BIO 的异步阻塞。
比如 socket bio 中，遇到 WSAEWOULDBLOCK 错误时，
openssl 告诉用户的操作需要重试。
num: 该值因具体 BIO 而异，比如 socket BIO 中 num 用来存放链接字。
ptr: 指针,体 bio 有不同含义。比如:
文件 BIO 中它用来存放文件句柄;
mem BIO 中它用来存放内存地址;
connect BIO 中它用来存放 BIO_CONNECT 数据，
accept BIO 中它用来存放 BIO_ACCEPT 数据。
next_bio: 下一个 BIO 地址，BIO 数据可以从一个BIO传送到另一个BIO，
该值指明了下一个 BIO 的地址。
references: 被引用数量。
num_read: BIO 中已读取的字节数。
num_write: BIO 中已写入的字节数。
ex_data: 用于存放额外数据。
*/
typedef struct bio_st BIO;
struct bio_st
{
BIO_METHOD *method;
long (*callback)(struct bio_st *,int,const char *,int, long,long);
char *cb_arg;
int init;
int shutdown;
int flags;
int retry_reason;
int num;
void *ptr;
struct bio_st *next_bio;
struct bio_st *prev_bio;
int references;
unsigned long num_read;
unsigned long num_write;
CRYPTO_EX_DATA ex_data;
};
7.3 BIO 函数
BIO 各个函数定义在 crypto/bio.h 中。所有的函数都由 BIO_METHOD 中的回调函 数来实现。函数主要分为几类:
-
具体BIO相关函数
比如:BIO_new_file(生成新文件)和 BIO_get_fd(设置网络链接)等。 -
通用抽象函数
比如 BIO_read 和 BIO_write 等。
另外,有很多函数是由宏定义通过控制函数 BIO_ctrl 实现，
比如 BIO_set_nbio、BIO_get_fd 和 BIO_eof 等等。
在BIO的所用成员中，method可以说是最关键的一个成员，它决定了BIO的类型，
可以看到，在定义一个新的BIO结构时，总是使用下面的函数：
BIO* BIO_new(BIO_METHOD *type);
在源代码可以看出，BIO_new函数除了给一些初始变量赋值外，
主要就是把type中的各个变量赋值给BIO结构中的method成员。
一般来说，上述type参数是以一个返回值为BIO_METHOD类型的函数提供的，
如生成一个mem型的BIO结构，就使用下面的语句：
BIO *mem = BIO_new(BIO_s_mem());
// 【source/sink型】
BIO_METHOD* BIO_s_accept() //一个封装了类似TCP/IP socket Accept规则的接口，并且使TCP/IP操作对于BIO接口透明。
BIO_METHOD* BIO_s_connect() //一个封装了类似TCP/IP socket Connect规则的接口，并且使TCP/IP操作对于BIO接口透明
BIO_METHOD* BIO_s_socket() //封装了socket接口的BIO类型
BIO_METHOD* BIO_s_bio() //封装了一个BIO对，数据从其中一个BIO写入，从另外一个BIO读出
BIO_METHOD* BIO_s_fd() //是一个封装了文件描述符的BIO接口，提供类似文件读写操作的功能
BIO_METHOD* BIO_s_file() //封装了标准的文件接口的BIO，包括标准的输入输出设备如stdin等
BIO_METHOD* BIO_s_mem() //封装了内存操作的BIO接口，包括了对内存的读写操作
BIO_METHOD* BIO_s_null() //返回空的sink型BIO接口，写入这种接口的所有数据读被丢弃，读的时候总是返回EOF
//【filter型】
BIO_METHOD* BIO_f_base64() //封装了base64编码方法的BIO,写的时候进行编码，读的时候解码
BIO_METHOD* BIO_f_cipher() //封装了加解密方法的BIO，写的时候加密，读的时候解密
BIO_METHOD* BIO_f_md() //封装了信息摘要方法的BIO，通过该接口读写的数据都是已经经过摘要的。
BIO_METHOD* BIO_f_ssl() //封装了openssl 的SSL协议的BIO类型，也就是为SSL协议增加了一些BIO操作方法。
BIO_METHOD* BIO_f_null() //一个不作任何事情的BIO，对它的操作都简单传到下一个BIO去了，相当于不存在。
BIO_METHOD* BIO_f_buffer() //封装了缓冲区操作的BIO，写入该接口的数据一般是准备传入下一个BIO接口的，从该——
//接口读出的数据一般也是从另一个BIO传过来的
7.4 编程示例
7.4.1 mem BIO
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <openssl/bio.h>
int main()
{
BIO *b=NULL;
int len=0;
char *out=NULL;
b=BIO_new(BIO_s_mem());
len=BIO_write(b,"openssl",4);
len=BIO_printf(b,"%s","zcp");
len=BIO_ctrl_pending(b);
out=(char *)OPENSSL_malloc(len);
len=BIO_read(b,out,len);
printf(" %zu : %s \n" ,strlen(out), out);
OPENSSL_free(out);
BIO_free(b);
return 0;
}
说明:
b=BIO_new(BIO_s_mem()); 生成一个mem 类型的BIO。
len=BIO_write(b,“openssl”,7); 将字符串"openssl"写入 bio。
len=BIO_printf(b,“bio test”,8); 将字符串"bio test"写入 bio。
len=BIO_ctrl_pending(b); 得到缓冲区中待读取大小。
len=BIO_read(b,out,50); 将bio中的内容写入out缓冲区。
7.4.2 file bio
#include <stdio.h>
#include <openssl/bio.h>
int main()
{
BIO *b=NULL;
int len=0,outlen=0;
char *out=NULL;
b=BIO_new_file("bf.txt","w");
len=BIO_write(b,"openssl",4);
len=BIO_printf(b,"%s","zcp");
BIO_free(b);
b=BIO_new_file("bf.txt","r");
len=BIO_pending(b);
len=50;
out=(char *)OPENSSL_malloc(len);
len=1;
while(len>0) {
len=BIO_read(b,out+outlen,1);
outlen+=len;
}
printf("outlen = %d \n" , outlen);
BIO_free(b);
free(out);
return 0;
}
7.4.3 socket BIO
( 待补充 ）
7.4.4 md BIO
#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/evp.h>
int main()
{
BIO *bmd=NULL,*b=NULL;
const EVP_MD *md=EVP_md5();
int len, i;
char tmp[1024]={0};
bmd=BIO_new(BIO_f_md());
BIO_set_md(bmd,md);
b= BIO_new(BIO_s_null());
b=BIO_push(bmd,b);
len=BIO_write(b,"openssl",7);
len=BIO_gets(b,tmp,1024);
for ( i=0 ; i < 16; i++)
printf("0x%02x: ", (uint8_t)tmp[i]);
BIO_free(b);
return 0;
}
说明: 本示例用 md BIO 对字符串"opessl"进行 md5 摘要。
bmd=BIO_new(BIO_f_md());生成一个 md BIO。
BIO_set_md(bmd,md); 设置 md BIO 为 md5 BIO。
b= BIO_new(BIO_s_null()); 生成一个 null BIO。
b=BIO_push(bmd,b); 构造BIO 链,md5 BIO 在顶部。
len=BIO_write(b,“openssl”,7); 将字符串送入 BIO 做摘要。
len=BIO_gets(b,tmp,1024); 将摘要结果写入 tmp 缓冲区
7.4.5 cipher BIO
#include <string.h>
#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/evp.h>
int main()
{
BIO *bc=NULL,*b=NULL;
const EVP_CIPHER *c = EVP_des_ecb();
int len,i;
char tmp[1024]={0};
unsigned char key[8],iv[8];
for(i=0;i<8;i++) {
memset(&key[i],i+1,1);
memset(&iv[i], i+1,1);
}
bc=BIO_new(BIO_f_cipher());
BIO_set_cipher(bc,c,key,iv,1);
b= BIO_new(BIO_s_null());
b=BIO_push(bc,b);
len=BIO_write(b,"openssl",7);
len=BIO_read(b,tmp,1024);
BIO_free(b);
for (i =0; i < 8; i++){
printf("%x ", (uint8_t) tmp[i]);
}
printf("\n");
BIO *bdec=NULL,*bd=NULL;
const EVP_CIPHER*cd=EVP_des_ecb();
bdec=BIO_new(BIO_f_cipher());
BIO_set_cipher(bdec,cd,key,iv,0);
bd= BIO_new(BIO_s_null());
bd=BIO_push(bdec,bd);
len=BIO_write(bdec,tmp,len);
len=BIO_read(bdec,tmp,1024);
BIO_free(bdec);
tmp[len]='\0';
printf("len = %d, %s \n", len, tmp);
return 0;
}
说明:本示例采用 cipher BIO 对字符串"openssl"进行加密和解密;
关键说明:
BIO_set_cipher(bc,c,key,iv,1);设置加密 BI。
BIO_set_cipher(bdec,cd,key,iv,0);设置解密 BIO。
其中 key 为对称密钥,iv 为初始化向量。 加/解密结果通过 BIO_read 获取。
7.4.6 SSl BIO
#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/ssl.h>
int main()
{
BIO*sbio, *out;
int len;
char tmpbuf[1024];
SSL_CTX *ctx;
SSL *ssl;
SSLeay_add_ssl_algorithms();
OpenSSL_add_all_algorithms();
ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());
sbio = BIO_new_ssl_connect(ctx);
BIO_get_ssl(sbio, &ssl);
if(!ssl) {
fprintf(stderr, "Can not locate SSL pointer\n");
return 0;
}
SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY);
BIO_set_conn_hostname(sbio, "www.baidu.com:https");
out = BIO_new_fp(stdout, BIO_NOCLOSE);
BIO_printf(out,"链接中...\n");
if(BIO_do_connect(sbio) <= 0) {
fprintf(stderr, "Error connecting to server\n");
return 0;
}
if(BIO_do_handshake(sbio) <= 0){
fprintf(stderr, "Error establishing SSL connection\n");
return 0;
}
BIO_puts(sbio, "GET / HTTP/1.0\n\n");
for(;;)
{
len = BIO_read(sbio, tmpbuf, 1024);
if(len <= 0) break;
BIO_write(out, tmpbuf, len);
}
BIO_free_all(sbio);
BIO_free(out);
return 0;
}
7.4.7 其他
#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/asn1.h>
int main()
{
int ret,len,indent;
BIO *bp;
char *pp,buf[5000];
FILE *fp;
bp = BIO_new(BIO_s_file());
BIO_set_fp(bp,stdout,BIO_NOCLOSE);
fp = fopen("der.cer","rb");
len = fread(buf,1,5000,fp);
fclose(fp);
pp = buf;
indent = 5;
ret = BIO_dump_indent(bp,pp,len,indent);
BIO_free(bp);
return 0;
}
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