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Linux C/C++实现SSL的应用层VPN (MiniVPN)_ssl通讯 c++

作者：木道寻08 | 2024-08-11 16:39:01

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ssl通讯 c++

SSL协议和VPN（虚拟私人网络）原理是网络安全领域中的两个重要概念。

SSL协议，全称安全套接层（Secure Sockets Layer），是一种广泛应用于互联网的安全协议，主要在两个通信端点之间建立安全连接，以保护数据的传输安全。具体来说，SSL通过使用公钥加密算法实现数据的加密和解密，在客户端和服务器之间建立安全的通信通道。它还使用数字证书来验证通信双方的的身份，一旦身份验证成功，SSL就会使用加密算法对通信数据进行加密，确保数据在传输过程中不被篡改或窃取。

VPN是一种可以在公共网络上建立加密通道的技术，通过这种技术可以使远程用户访问公司内部网络资源时，实现安全的连接和数据传输。VPN通常是通过虚拟专用网络（Virtual Private Network）来实现的，即在公共网络上建立一个虚拟的专用网络，将用户的数据流量加密并隧道化，使得数据在传输过程中无法被窃听和篡改。

总的来说，SSL协议和VPN原理都是为了实现网络安全而设计的。SSL协议主要保护数据的传输安全，而VPN技术则是在公共网络上建立加密通道，使得数据在传输过程中更加安全。

OpenSSL库用于实现SSL的应用层VPN

OpenSSL是一个功能强大的开源SSL库，它提供了丰富的API和工具，可以用于实现SSL/TLS协议、加密算法、证书处理等功能。它还包含了IPSec和L2TP等VPN协议的实现。

使用OpenSSL库实现SSL的应用层VPN需要用到以下一些函数：

SSL_CTX_new(const SSL_METHOD *method)：创建新的SSL上下文结构体。
SSL_new(SSL_CTX *ctx)：基于SSL上下文创建一个新的SSL结构体。
SSL_set_fd(SSL *ssl, int fd)：将SSL结构体的文件描述符设置为传入的文件描述符。
SSL_set_connect_state(SSL *ssl)：设置SSL结构体为客户端模式。
SSL_do_handshake(SSL *ssl)：执行SSL握手过程，与对方建立安全的连接。
SSL_write(SSL *ssl, const void *buf, int len)：向对方发送数据。
SSL_read(SSL *ssl, void *buf, int len)：从对方接收数据。
SSL_shutdown(SSL *ssl)：关闭SSL连接，发送关闭通知并终止会话。
SSL_free(SSL *ssl)：释放SSL结构体及其相关资源。
SSL_CTX_free(SSL_CTX *ctx)：释放SSL上下文及其相关资源。

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这些是OpenSSL库中一些常用的函数，它们用于在C语言中实现SSL的应用层VPN。在实际开发中，你可能还需要查看OpenSSL的文档和示例代码以获得更详细的信息和指导。

证书颁发机构

证书颁发机构是SSL协议中非常重要的一个环节，它负责为服务器颁发数字证书，以验证服务器的身份。客户端在和服务器建立连接时，会验证服务器的身份，以确保连接的安全性。

密钥交换

SSL协议使用密钥交换协议来协商客户端和服务器之间的加密密钥。密钥交换协议包括RSA密钥交换、Diffie-Hellman密钥交换等，它们都可以用于在客户端和服务器之间建立一个安全的通信通道。

Linux C/C++实现SSL的应用层VPN（实现MiniVPN）

  • vpn_client:

要使用OpenSSL命令生成CA证书（ca.crt）、客户端证书（client.crt）、客户端密钥（client.key）以及客户端的证书请求（client.crs），可以按照以下步骤进行操作：
生成CA证书（ca.crt）：

openssl genrsa -out ca.key 2048
openssl req -new -x509 -days 365 -key ca.key -sha256 -out ca.crt

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上述命令将生成一个2048位的RSA私钥（ca.key）并使用它创建一个自签名的CA证书（ca.crt）。
生成客户端证书（client.crt）和客户端密钥（client.key）：

openssl genrsa -out client.key 2048
openssl req -new -key client.key -out client.csr

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上述命令将生成一个2048位的RSA私钥（client.key）并使用它创建一个证书请求（client.csr）。
生成客户端证书请求的证书（client.crs）：

openssl x509 -req -days 365 -sha256 -in client.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out client.crt

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上述命令将使用CA证书（ca.crt）和CA私钥（ca.key）对客户端证书请求（client.csr）进行签名，生成客户端证书（client.crt）。
完成以上步骤后，你将得到以下文件：
ca.crt：CA证书
client.crt：客户端证书
client.key：客户端密钥
client.crs：客户端证书请求（通常不需要使用，但可以保留作为记录）

int verify_callback(int preverify_ok, X509_STORE_CTX *x509_ctx);
SSL *setupTLSClient(const char *hostname);
int setupTCPClient(const char *hostname, int port);
int createTunDevice();
int try_login(SSL *ssl);
void sendto_TUN(SSL *ssl, int tunfd);
void sendto_SSL(SSL *ssl, int tunfd);
...
#define CERTF HOME "client.crt"
#define KEYF HOME "client.key"
#define CACERT HOME "ca.crt"
...
int main(int argc, char *argv[])
{
...

    /*------ Destination initialization ------*/
    printf(PREFIX "Enter server name:");
    scanf("%s", hostname);
    printf(PREFIX "Enter port:");
    scanf("%d", &port);
    /*------ TLS initialization ------*/
    SSL *ssl = setupTLSClient(hostname);
    /*------ TCP connection ------*/
    int sockfd = setupTCPClient(hostname, port);
    /*------ TLS handshake ------*/
    SSL_set_fd(ssl, sockfd);
    int err = SSL_connect(ssl);
    CHK_SSL(err);
    printf(PREFIX "SSL connected! \n");
    printf(PREFIX "SSL connection using %s\n", SSL_get_cipher(ssl));
    /*------ Authenticating ------*/
    int ret = try_login(ssl);
    //login failed
    if (ret < 0){
        printf(PREFIX"Login failed!\n");
        SSL_shutdown(ssl);
        SSL_free(ssl);
        close(sockfd);
        return 0;
    }
    printf(PREFIX "Login successfully!\n");
    /*------ Allocate IP ------*/
    char client_IP[64] = {0};
    char cmd[100];
    SSL_read(ssl, client_IP, sizeof(client_IP));
    printf(PREFIX "Auto-assigned IP:%s\n", client_IP);
    /*------ Add route ------*/
    int tunfd = createTunDevice();
    sprintf(cmd, "sudo ifconfig tun0 %s/24 up", client_IP);
    system(cmd);
    sprintf(cmd, "sudo route add -net 192.168.60.0/24 tun0");
    system(cmd);
    /*------ Listen sock&tun0 ------*/
    while (1)
    {
        fd_set readFDSet;
        int ret;
        FD_ZERO(&readFDSet);
        FD_SET(sockfd, &readFDSet);
        FD_SET(tunfd, &readFDSet);
        ret = select((sockfd > tunfd ? sockfd : tunfd) + 1, &readFDSet, NULL, NULL, NULL);
        if (FD_ISSET(sockfd, &readFDSet))
        {
            ret = sendto_TUN(ssl, tunfd);
            // 服务端关闭会话
            if (ret == -1)
            {
                printf(PREFIX "Server disconnected!\n");
                SSL_shutdown(ssl);
                SSL_free(ssl);
                close(sockfd);
            }
        }
        ...
        if (FD_ISSET(tunfd, &readFDSet))
            sendto_SSL(ssl, tunfd);
    }
    return 0;
}

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  • vpn_server:

您可以使用以下步骤生成CA证书（ca.crt）、服务器证书（server.crt）、服务器密钥（server.key）以及服务器证书请求（server.crs）文件：
生成CA证书（ca.crt）：

openssl genrsa -out ca.key 2048
openssl req -new -x509 -days 365 -key ca.key -sha256 -out ca.crt

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这将生成一个2048位的RSA私钥（ca.key），然后使用它创建自签名的CA证书（ca.crt）。
生成服务器证书（server.crt）和服务器密钥（server.key）：

openssl genrsa -out server.key 2048
openssl req -new -key server.key -out server.csr

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这将生成一个2048位的RSA私钥（server.key），然后使用它创建一个证书请求（server.csr）。
生成服务器证书请求的证书（server.crt）：

openssl x509 -req -days 365 -sha256 -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out server.crt

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这将使用CA证书（ca.crt）和CA私钥（ca.key）对服务器证书请求（server.csr）进行签名，生成服务器证书（server.crt）。
完成以上步骤后，您将得到以下文件：
ca.crt：CA证书
server.crt：服务器证书
server.key：服务器密钥
server.crs：服务器证书请求（通常不需要使用，但可以保留作为记录）

...
typedef struct
{
    char client_ip[16];
    char virtual_ip[16];
    int socket_fd;
    SSL *ssl_session;
} session_t;

typedef struct
{
    int last_byte_IP;
    bool if_valid;
} last_byte_pool;
void initialize_IP_POOL();
int add_session(const char *client_ip, const char *virtual_ip, int socket_fd,SSL* ssl_session);
session_t *find_session(const char *virtual_ip);
void remove_session(int client_sock);
SSL *setupTLSServer();
int setupTCPServer();
int createTunDevice();
int sendto_TUN(SSL *ssl, int client_sock, int tunfd);
void sendto_SSL(int tunfd);
int login(char *user, char *passwd);
int verify_user(SSL *ssl, struct sockaddr_in client_addr, int sock);
...
#define CERTF HOME "server.crt"
#define KEYF HOME "server.key"
#define CACERT HOME "ca.crt"
...
int main(int argc, char **argv)
{
...
    /*------ TCP Connect ------*/
    int listen_sock = setupTCPServer();
    if (listen_sock <= 0)
        printf(PREFIX "Create listen_sock failed\n");
    /*------ tunnel init, redirect and forward ------*/
    int tunfd = createTunDevice();
    system("sudo ifconfig tun0 192.168.53.1/24 up");
    system("sudo sysctl net.ipv4.ip_forward=1");
    /*------ Initialize IP pool ------*/
    initialize_IP_POOL();
    /*------ Manage multiple tunnels ------*/
    while (1)
    {
...
        for (i = 0; i < MAX_SESSIONS; i++)
        {
            // 将大于0的项加入readfds
            if (session_table[i].socket_fd > 0)
            {
                FD_SET(session_table[i].socket_fd, &readfds);
                if (session_table[i].socket_fd > max_fd)
                    max_fd = session_table[i].socket_fd;
            }
        }
        int ret = select(max_fd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);
        if (ret <= 0)
            printf(PREFIX "Select fds failed\n");
        // 当有新的客户端连接请求
        if (FD_ISSET(listen_sock, &readfds))
        {
            int new_sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr *)&sa_client, &client_len);
            CHK_ERR(new_sock, "accept");
            printf(PREFIX "TCP accept successfully! sock:%d\n", new_sock);
            // 连接的客户端数量达到上限
            if (session_count >= MAX_SESSIONS)
            {
                printf(PREFIX "Client connection full!\n");
                close(new_sock);
                continue;
            }
            //为该会话创建一个新的ssl
            SSL *ssl = setupTLSServer();
            ret = SSL_set_fd(ssl, new_sock);
            if (!ret)
            {
                printf(PREFIX "SSL_set_fd failed\n");
                exit(1);
            }
            int err = SSL_accept(ssl);
            fprintf(stderr, PREFIX "SSL_accept return %d\n", err);
            CHK_SSL(err);
            printf(PREFIX "SSL connection established!\n");
            int ret = verify_user(ssl, sa_client, new_sock);
            if (ret == -1)
                printf(PREFIX "Login failed!\n");
        }
        // 从SSL链路接收数据及判断客户端是否断开连接
        for (i = 0; i < MAX_SESSIONS; i++)
        {
            if (session_table[i].socket_fd <= 0)
                continue;
            if (FD_ISSET(session_table[i].socket_fd, &readfds))
            {
                int client_sock = session_table[i].socket_fd;
                SSL* ssl = session_table[i].ssl_session;
                sendto_TUN(ssl, client_sock, tunfd);
            }
        }
        ...
        // 从tun0接收数据到SSL链路
        if (FD_ISSET(tunfd, &readfds))
        {
            sendto_SSL(tunfd);
        }
    }
    ...
    return 0;
}

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If you need the complete source code, please add the WeChat number (c17865354792)

运行结果：

在这里插入图片描述

Linux添加虚拟网卡(tunctl添加虚拟网卡TUN):
在这里插入图片描述可以使用命令"route -n"来查看路由表:
完成代码后，需要进行调试和测试，以确保VPN和SSL的正常工作，实现SSL的应用层VPN是一项复杂的任务，需要深入了解网络协议和安全原理。

总结

在VPN的实现过程中，SSL协议常常被用于对数据进行加密，从而确保数据的传输安全。因此，SSL VPN是使用SSL协议来实现的安全通信通道，提供更高级别的安全性。此外，VPN还可以隐藏用户的真实IP地址，提供匿名性和绕过地理限制。

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