Rustls 源码分析总结（一）

**由于不知道 V2EX 支持的表格格式是什么样的？解析不对，所以直接放原样 md 了**

# 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：
1. client 和 server 的握手协议流程
2. rustls 是如何进行数据传输的
3. 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
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：[https://anhkgg.github.io/rustls-source-code-analyze/]( https://anhkgg.github.io/rustls-source-code-analyze/)