《openssl编程》之BIO

2024-05-16 07:32:05

第七章抽象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。

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：

typedef struct bio_method_st

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 *);

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_METHOD *method;

/* bio, mode, argp, argi, argl, ret */

long (*callback)(struct bio_st *,int,const char *,int, long,long);

char *cb_arg; /* first argument for the callback */

int flags; /* extra storage */

int retry_reason;

struct bio_st *next_bio; /* used by filter BIOs */

struct bio_st *prev_bio; /* used by filter BIOs */

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；改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，具体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。

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：

1）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。

2）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。

7.4 编程示例

7.4.1 mem bio

#include <stdio.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);

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。

#include <stdio.h>

#include <openssl/bio.h>

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");

b=BIO_new_file("bf.txt","r");

len=BIO_pending(b);

out=(char *)OPENSSL_malloc(len);

len=BIO_read(b,out+outlen,1);

7.4.3 socket bio

#include <stdio.h>

#include <openssl/bio.h>

#include <string.h>

BIO *b=NULL,*c=NULL;

int sock,ret,len;

char *addr=NULL;

sock=BIO_get_accept_socket("2323",0);

b=BIO_new_socket(sock, BIO_NOCLOSE);

ret=BIO_accept(sock,&addr);

BIO_set_fd(b,ret,BIO_NOCLOSE);

memset(out,0,80);

len=BIO_read(b,out,80);

if(out[0]=='q')

printf("%s",out);

客户端telnet此端口成功后，输入字符，服务端会显示出来(linux下需要输入回车)。

#include <openssl/bio.h>

BIO *cbio, *out;

char tmpbuf[1024];

cbio = BIO_new_connect("localhost:http");

out = BIO_new_fp(stdout, BIO_NOCLOSE);

if(BIO_do_connect(cbio) <= 0)

fprintf(stderr, "Error connecting to server\n");

BIO_puts(cbio, "GET / HTTP/1.0\n\n");

len = BIO_read(cbio, tmpbuf, 1024);

if(len <= 0) break;

BIO_write(out, tmpbuf, len);

BIO_free(cbio);

说明：本示例用来获取本机的web服务信息。

cbio = BIO_new_connect("localhost:http");用来生成建立连接到本地web服务的BIO。

out = BIO_new_fp(stdout, BIO_NOCLOSE);生成一个输出到屏幕的BIO。

BIO_puts(cbio, "GET / HTTP/1.0\n\n");通过BIO发送数据。

len = BIO_read(cbio, tmpbuf, 1024);将web服务响应的数据写入缓存,此函数循环调用

直到无数据。

BIO_write(out, tmpbuf, len);通过BIO打印收到的数据。

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;

char tmp[1024];

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);

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

加/解密示例：

#include <string.h>

#include <openssl/bio.h>

#include <openssl/evp.h>

int main()

{

/* 加密 */

BIO *bc=NULL,*b=NULL;

const EVP_CIPHER *c=EVP_des_ecb();

int len,i;

char tmp[1024];

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);

/* 解密 */

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);

return 0;

}

说明：本示例采用cipher BIO对字符串"openssl"进行加密和解密,本示例编译需要用c++编译器;

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

编程示例：

#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(SSLv3_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, "mybank.icbc.com.cn: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;

}

本函数用ssl bio来链接mybank.icbc.com.cn的https服务，并请求首页文件。其中SSLeay_add_ssl_algorithms和OpenSSL_add_all_algorithms函数必不可少，否则不能找到ssl加密套件并且不能找到各种算法。

7.4.7 其他示例

#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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