Qt文档阅读笔记-DTLS server解析

此篇博文展示了如何创建一个简单的DTLS服务端：

注意：这个DTLS服务端需要和DTLS客户端一起跑，才能看出效果。

服务端实现了DtlsServer类，这个类使用了QUdpSocket，QDtlsClientVerifier，QDtls使用这些类用于和客户端的连接，完成握手及数据加密传输与读取。

  class DtlsServer : public QObject{Q_OBJECTpublic:DtlsServer();~DtlsServer();bool listen(const QHostAddress &address, quint16 port);bool isListening() const;void close();signals:void errorMessage(const QString &message);void warningMessage(const QString &message);void infoMessage(const QString &message);void datagramReceived(const QString &peerInfo, const QByteArray &cipherText,const QByteArray &plainText);private slots:void readyRead();void pskRequired(QSslPreSharedKeyAuthenticator *auth);private:void handleNewConnection(const QHostAddress &peerAddress, quint16 peerPort,const QByteArray &clientHello);void doHandshake(QDtls *newConnection, const QByteArray &clientHello);void decryptDatagram(QDtls *connection, const QByteArray &clientMessage);void shutdown();bool listening = false;QUdpSocket serverSocket;QSslConfiguration serverConfiguration;QDtlsClientVerifier cookieSender;std::vector<std::unique_ptr<QDtls>> knownClients;Q_DISABLE_COPY(DtlsServer)};

构造函数中QUdpSocket::readyRead()信号连接了readyRead()槽，用于获取客户端的数据报，最简单的设置了DTLS的配置：

  DtlsServer::DtlsServer(){connect(&serverSocket, &QAbstractSocket::readyRead, this, &DtlsServer::readyRead);serverConfiguration = QSslConfiguration::defaultDtlsConfiguration();serverConfiguration.setPreSharedKeyIdentityHint("Qt DTLS example server");serverConfiguration.setPeerVerifyMode(QSslSocket::VerifyNone);}

注意：服务端未使用证书，仅仅是依赖共享密钥（PSK）握手。

listen()与QUdpSocket进行了捆绑：

  bool DtlsServer::listen(const QHostAddress &address, quint16 port){if (address != serverSocket.localAddress() || port != serverSocket.localPort()) {shutdown();listening = serverSocket.bind(address, port);if (!listening)emit errorMessage(serverSocket.errorString());} else {listening = true;}return listening;}

readyRead()槽函数获取客户端数据报：

      ...const qint64 bytesToRead = serverSocket.pendingDatagramSize();if (bytesToRead <= 0) {emit warningMessage(tr("A spurious read notification"));return;}QByteArray dgram(bytesToRead, Qt::Uninitialized);QHostAddress peerAddress;quint16 peerPort = 0;const qint64 bytesRead = serverSocket.readDatagram(dgram.data(), dgram.size(),&peerAddress, &peerPort);if (bytesRead <= 0) {emit warningMessage(tr("Failed to read a datagram: ") + serverSocket.errorString());return;}dgram.resize(bytesRead);...

随后获取客户端的IP和端口，服务端发送数据报给客户端：

      ...if (peerAddress.isNull() || !peerPort) {emit warningMessage(tr("Failed to extract peer info (address, port)"));return;}const auto client = std::find_if(knownClients.begin(), knownClients.end(),[&](const std::unique_ptr<QDtls> &connection){return connection->peerAddress() == peerAddress&& connection->peerPort() == peerPort;});...

如果是新的客户端，未知地址和端口，客户端会发送ClientHello消息，随后服务端回HelloVerifyRequest这个要先处理下：

      ...if (client == knownClients.end())return handleNewConnection(peerAddress, peerPort, dgram);...

如果是连上的已知的客户端，服务端会进行解密：

      ...if ((*client)->isConnectionEncrypted()) {decryptDatagram(client->get(), dgram);if ((*client)->dtlsError() == QDtlsError::RemoteClosedConnectionError)knownClients.erase(client);return;}...

以及进行握手：

      ...doHandshake(client->get(), dgram);...

handleNewConnect()对客户端进行认证，以及发送HelloVerifyRequest：

  void DtlsServer::handleNewConnection(const QHostAddress &peerAddress,quint16 peerPort, const QByteArray &clientHello){if (!listening)return;const QString peerInfo = peer_info(peerAddress, peerPort);if (cookieSender.verifyClient(&serverSocket, clientHello, peerAddress, peerPort)) {emit infoMessage(peerInfo + tr(": verified, starting a handshake"));...

如果服务端认为新来的客户端可达，那个服务端会创建一个Qtls的配置，然后进行握手：

      ...std::unique_ptr<QDtls> newConnection{new QDtls{QSslSocket::SslServerMode}};newConnection->setDtlsConfiguration(serverConfiguration);newConnection->setPeer(peerAddress, peerPort);newConnection->connect(newConnection.get(), &QDtls::pskRequired,this, &DtlsServer::pskRequired);knownClients.push_back(std::move(newConnection));doHandshake(knownClients.back().get(), clientHello);...

关于握手的代码在doHandshake()中

  void DtlsServer::doHandshake(QDtls *newConnection, const QByteArray &clientHello){const bool result = newConnection->doHandshake(&serverSocket, clientHello);if (!result) {emit errorMessage(newConnection->dtlsErrorString());return;}const QString peerInfo = peer_info(newConnection->peerAddress(),newConnection->peerPort());switch (newConnection->handshakeState()) {case QDtls::HandshakeInProgress:emit infoMessage(peerInfo + tr(": handshake is in progress ..."));break;case QDtls::HandshakeComplete:emit infoMessage(tr("Connection with %1 encrypted. %2").arg(peerInfo, connection_info(newConnection)));break;default:Q_UNREACHABLE();}}

在握手中，QDtls::pskRequired()信号关联到pskRequired()槽函数中，并且设置了PSK：

  void DtlsServer::pskRequired(QSslPreSharedKeyAuthenticator *auth){Q_ASSERT(auth);emit infoMessage(tr("PSK callback, received a client's identity: '%1'").arg(QString::fromLatin1(auth->identity())));auth->setPreSharedKey(QByteArrayLiteral("\x1a\x2b\x3c\x4d\x5e\x6f"));}

在握手完成后，就可以进行数据的加密发送和响应了：

  void DtlsServer::decryptDatagram(QDtls *connection, const QByteArray &clientMessage){Q_ASSERT(connection->isConnectionEncrypted());const QString peerInfo = peer_info(connection->peerAddress(), connection->peerPort());const QByteArray dgram = connection->decryptDatagram(&serverSocket, clientMessage);if (dgram.size()) {emit datagramReceived(peerInfo, clientMessage, dgram);connection->writeDatagramEncrypted(&serverSocket, tr("to %1: ACK").arg(peerInfo).toLatin1());} else if (connection->dtlsError() == QDtlsError::NoError) {emit warningMessage(peerInfo + ": " + tr("0 byte dgram, could be a re-connect attempt?"));} else {emit errorMessage(peerInfo + ": " + connection->dtlsErrorString());}}

服务端关闭DTLS服务调用QDtls::shutdown()

  void DtlsServer::shutdown(){for (const auto &connection : qExchange(knownClients, {}))connection->shutdown(&serverSocket);serverSocket.close();}

下面是出现问题或警告时的代码：

  const QString colorizer(QStringLiteral("<font color=\"%1\">%2</font><br>"));void MainWindow::addErrorMessage(const QString &message){ui->serverInfo->insertHtml(colorizer.arg(QStringLiteral("Crimson"), message));}void MainWindow::addWarningMessage(const QString &message){ui->serverInfo->insertHtml(colorizer.arg(QStringLiteral("DarkOrange"), message));}void MainWindow::addInfoMessage(const QString &message){ui->serverInfo->insertHtml(colorizer.arg(QStringLiteral("DarkBlue"), message));}void MainWindow::addClientMessage(const QString &peerInfo, const QByteArray &datagram,const QByteArray &plainText){static const QString messageColor = QStringLiteral("DarkMagenta");static const QString formatter = QStringLiteral("<br>---------------""<br>A message from %1""<br>DTLS datagram:<br> %2""<br>As plain text:<br> %3");const QString html = formatter.arg(peerInfo, QString::fromUtf8(datagram.toHex(' ')),QString::fromUtf8(plainText));ui->messages->insertHtml(colorizer.arg(messageColor, html));}

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