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1. TLS的背景 在SSL/TLS出现之前，很多应用层协议（http、ftp、smtp等）都存在着网络安全问题，例如大家所熟知的http协议，在传输过程中使用的是明文信息，传输报文一旦被截获便会泄露传输内容；传输过程中报文如果被篡改，无法轻易发现；无法保证消息交换的对端身份的可靠性。为了解决此类问题，人们在应用层和传输层之间加入了SSL/TLS协议。
如下图所示，HTTP/1.1 协议默认是以明文方式传输数据的，这就带来三个风险：窃听风险、伪装风险、篡改风险。HTTP 协议自身没有加密机制，但可以通过和 TLS (Transport Layer Security) / SSL (Secure Socket Layer) 的组合使用，加密 HTTP 的通信内容，借助 TLS / SSL 提供的信息加密功能、完整性校验功能、身份验证功能保障网络通信的安全，与 TLS / SSL 组合使用的 HTTP 被称为 HTTPS（HTTPSecure），可以说 HTTPS 相当于身披 SSL / TLS 外壳的 HTTP。 ![]()
HTTPS协议分层模型2. 什么是TLS TLS（Transport Layer Security，安全传输层)，TLS是建立在传输层TCP协议之上的协议，服务于应用层，它的前身是SSL（Secure Socket Layer，安全套接字层），它实现了将应用层的报文进行加密后再交由TCP进行传输的功能。 2.1 TLS的作用 TLS协议主要解决如下三个网络安全问题。 保密(message privacy)，保密通过加密encryption实现，所有信息都加密传输，第三方无法嗅探；
完整性(message integrity)，通过MAC校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现；
认证(mutual authentication)，双方认证,双方都可以配备证书，防止身份被冒充； 2.2 TLS的发展过程 1995: SSL 2.0, 由Netscape提出，这个版本由于设计缺陷，并不安全，很快被发现有严重漏洞，已经废弃。
1996: SSL 3.0. 写成RFC，开始流行。目前(2015年)已经不安全，必须禁用。
1999: TLS 1.0. 互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版
2006: TLS 1.1. 作为 RFC 4346 发布。主要修复了CBC模式相关的如BEAST攻击等漏洞
2008: TLS 1.2. 作为 RFC 5246 发布 。增进安全性，目前应该主要部署的版本
2018: TLS 1.3 作为 RFC 8446 发布 ，大幅增进安全性 ![]()
SSL/TLS协议发布时间与网站支持率对比2.3 TLS 报文结构 TLS (Transport Layer Security)协议是由TLS 记录协议（TLS Record Protocol）和TLS 握手协议（TLS Handshake Protocol）这两层协议叠加而成的，位于底层的TLS 记录协议负责进行信息传输和认证加密，位于上层的TLS 握手协议则负责除加密以外的其它各种操作，比如密钥协商交换等。上层的TLS 握手协议又可以分为4个子协议，TLS 协议的层次结构如下图所示：
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TLS协议的层次结构
前面已经介绍了TLS 协议的认证加密算法，这里先介绍TLS 记录协议的报文结构，每一条TLS 记录以一个短标头起始，标头包含记录内容的类型（或子协议）、协议版本和长度，消息数据紧跟在标头之后，如下图所示： ![]()
TLS记录报文
了解了TLS 记录报文结构，前面也介绍了认证加密过程，下面以AES-GCM为例，看看密文（消息明文AES-CNT加密而来，当不需要对消息加密时，此处保持明文即可）和MAC（将序列号、标头等附加信息与密文一起通过Galois-MAC计算而来）是如何添加进TLS 记录报文的：上图中的几个字段作用如下：
序列号：任一端都有自身的序列号并跟踪来自另一端TLS记录的数量，能确保消息不被重放攻击；
标头：将标头作为计算GMAC输入的一部分，能确保未进行加密的标头不会遭受篡改；
nonce：在加密通信中仅使用一次的密钥，比如前面介绍过的 IV(Initialization Vector)或CTR初始值。 3. RT-Thread使用TLS 目前常用的 TLS 方式：MbedTLS、OpenSSL、s2n 等，但是对于不同的加密方式，需要使用其指定的加密接口和流程进行加密，对于部分应用层协议的移植较为复杂。因此 SAL TLS 功能产生，主要作用是提供 Socket 层面的 TLS 加密传输特性，抽象多种 TLS 处理方式，提供统一的接口用于完成 TLS 数据交互。 3.1 RT-Thread SAL TLS 功能使用方式 使用流程如下：
配置开启任意网络协议栈支持（如 lwIP 协议栈）；
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配置开启 MbedTLS 软件包（目前RT-Thread只支持 MbedTLS 类型加密方式）；
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配置开启 SAL_TLS 功能支持（如下配置选项章节所示）； ![]()
配置完成之后，只要在 socket 创建时传入的 protocol 类型使用 PROTOCOL_TLS 或 PROTOCOL_DTLS ，即可使用标准 BSD Socket API 接口，完成 TLS 连接的建立和数据的收发。示例代码如下所示：#include #include #include #include #include /* RT-Thread 官网，支持 TLS 功能 */ #define SAL_TLS_HOST "www.rt-thread.org" #define SAL_TLS_PORT 443 #define SAL_TLS_BUFSZ 1024 static const char *send_data = "GET /download/rt-thread.txt HTTP/1.1
" "User-Agent: rtthread/4.0.1 rtt
"; void sal_tls_test(void) { int ret, i; char *recv_data; struct hostent *host; int sock = -1, bytes_received; struct sockaddr_in server_addr; /* 通过函数入口参数url获得host地址（如果是域名，会做域名解析） */ host = gethostbyname(SAL_TLS_HOST); recv_data = rt_calloc(1, SAL_TLS_BUFSZ); if (recv_data == RT_NULL) { rt_kprintf("No memory
"); return; } /* 创建一个socket，类型是SOCKET_STREAM，TCP 协议, TLS 类型 */ if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, PROTOCOL_TLS)) < 0) { rt_kprintf("Socket error
"); goto __exit; } /* 初始化预连接的服务端地址 */ server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_port = htons(SAL_TLS_PORT); server_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr); rt_memset(&(server_addr.sin_zero), 0, sizeof(server_addr.sin_zero)); if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0) { rt_kprintf("Connect fail!
"); goto __exit; } /* 发送数据到 socket 连接 */ ret = send(sock, send_data, strlen(send_data), 0); if (ret <= 0) { rt_kprintf("send error,close the socket.
"); goto __exit; } /* 接收并打印响应的数据，使用加密数据传输 */ bytes_received = recv(sock, recv_data, SAL_TLS_BUFSZ - 1, 0); if (bytes_received <= 0) { rt_kprintf("received error,close the socket.
"); goto __exit; } rt_kprintf("recv data:
"); for (i = 0; i < bytes_received; i++) { rt_kprintf("%c", recv_data); } __exit: if (recv_data) rt_free(recv_data); if (sock >= 0) closesocket(sock); } #ifdef FINSH_USING_MSH #include MSH_CMD_EXPORT(sal_tls_test, SAL TLS function test); #endif /* FINSH_USING_MSH */ 4. RT-Thread 基于SAL接口的TLS实现 4.1 TLS接口注册 TLS(Transport Layer Security)安全传输层协议主要用于通信数据的加密，并不影响SAL向上提供的接口。RT-Thread使用的TLS组件时mbedtls（一个由 ARM 公司使用 C 语言实现和维护的 SSL/TLS 算法库），如果启用了TLS组件，SAL层的实现函数中会自动调用mbedtls的接口函数，实现数据的加密传输。 RT-Thread的SAL接口的TLS协议的数据结构描述与需要向其注册的接口函数集合如下： // .
t-threadcomponents
etsal_socketincludesal_tls.h struct sal_proto_tls { char name[RT_NAME_MAX]; /* TLS protocol name */ const struct sal_proto_tls_ops *ops; /* SAL TLS protocol options */ }; struct sal_proto_tls_ops { int (*init)(void); void* (*socket)(int socket); int (*connect)(void *sock); int (*send)(void *sock, const void *data, size_t size); int (*recv)(void *sock, void *mem, size_t len); int (*closesocket)(void *sock); int (*set_cret_list)(void *sock, const void *cert, size_t size); /* Set TLS credentials */ int (*set_ciphersurite)(void *sock, const void* ciphersurite, size_t size); /* Set select ciphersuites */ int (*set_peer_verify)(void *sock, const void* peer_verify, size_t size); /* Set peer verification */ int (*set_dtls_role)(void *sock, const void *dtls_role, size_t size); /* Set role for DTLS */ }; sal_proto_tls对象的初始化和注册过程如下，（注册相关函数代码位于rt-threadcomponents
etsal_socketimplproto_mbedtls.c）：
// .
t-threadcomponents
etsal_socketimplproto_mbedtls.c static const struct sal_proto_tls_ops mbedtls_proto_ops= { RT_NULL, mebdtls_socket, mbedtls_connect, (int (*)(void *sock, const void *data, size_t size)) mbedtls_client_write, (int (*)(void *sock, void *mem, size_t len)) mbedtls_client_read, mbedtls_closesocket, }; static const struct sal_proto_tls mbedtls_proto = { "mbedtls", &mbedtls_proto_ops, }; int sal_mbedtls_proto_init(void) { /* register MbedTLS protocol options to SAL */ sal_proto_tls_register(&mbedtls_proto); return 0; } INIT_COMPONENT_EXPORT(sal_mbedtls_proto_init); // .
t-threadcomponents
etsal_socketsrcsal_socket.c #ifdef SAL_USING_TLS /* The global TLS protocol options */ static struct sal_proto_tls *proto_tls; #endif #ifdef SAL_USING_TLS int sal_proto_tls_register(const struct sal_proto_tls *pt) { RT_ASSERT(pt); proto_tls = (struct sal_proto_tls *) pt; return 0; } #endif 变量proto_tls在文件sal_socket.c中属于全局变量（被static修饰，仅限于本文件内），该文件是SAL组件对外访问接口函数的实现文件。也就是说，我们启用TLS协议后，SAL组件对外提供的访问接口函数实现代码中就会调用TLS接口，完成数据的加密传输，而且该组件的注册是被自动初始化的，比较省心。 4.2 SAL对外提供的访问接口 SAL组件初始化并注册成功后，我们就可以使用SAL提供的接口进行应用开发了，先看看SAL组件提供了哪些访问接口： // .
t-threadcomponents
etsal_socketincludesal_socket.h int sal_accept(int socket, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); int sal_bind(int socket, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen); int sal_shutdown(int socket, int how); int sal_getpeername (int socket, struct sockaddr *name, socklen_t *namelen); int sal_getsockname (int socket, struct sockaddr *name, socklen_t *namelen); int sal_getsockopt (int socket, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen); int sal_setsockopt (int socket, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen); int sal_connect(int socket, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen); int sal_listen(int socket, int backlog); int sal_recvfrom(int socket, void *mem, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen); int sal_sendto(int socket, const void *dataptr, size_t size, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen); int sal_socket(int domain, int type, int protocol); int sal_closesocket(int socket); int sal_ioctlsocket(int socket, long cmd, void *arg);
// .
t-threadcomponents
etsal_socketincludesal_netdb.h struct hostent *sal_gethostbyname(const char *name); int sal_gethostbyname_r(const char *name, struct hostent *ret, char *buf, size_t buflen, struct hostent **result, int *h_errnop); void sal_freeaddrinfo(struct addrinfo *ai); int sal_getaddrinfo(const char *nodename, const char *servname, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res); 如果不习惯使用SAL层提供的sal_xxx形式的接口，SAL还为我们进行了再次封装，将其封装为比较通用的BSD Socket API，封装后的接口如下： // .
t-threadcomponents
etsal_socketincludesocketsys_socketsyssocket.h #ifdef SAL_USING_POSIX int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); int bind(int s, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen); int shutdown(int s, int how); int getpeername(int s, struct sockaddr *name, socklen_t *namelen); int getsockname(int s, struct sockaddr *name, socklen_t *namelen); int getsockopt(int s, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen); int setsockopt(int s, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen); int connect(int s, const struct sockaddr *name, socklen_t namelen); int listen(int s, int backlog); int recv(int s, void *mem, size_t len, int flags); int recvfrom(int s, void *mem, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen); int send(int s, const void *dataptr, size_t size, int flags); int sendto(int s, const void *dataptr, size_t size, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen); int socket(int domain, int type, int protocol); int closesocket(int s); int ioctlsocket(int s, long cmd, void *arg); #else #define accept(s, addr, addrlen) sal_accept(s, addr, addrlen) #define bind(s, name, namelen) sal_bind(s, name, namelen) #define shutdown(s, how) sal_shutdown(s, how) #define getpeername(s, name, namelen) sal_getpeername(s, name, namelen) #define getsockname(s, name, namelen) sal_getsockname(s, name, namelen) #define getsockopt(s, level, optname, optval, optlen) sal_getsockopt(s, level, optname, optval, optlen) #define setsockopt(s, level, optname, optval, optlen) sal_setsockopt(s, level, optname, optval, optlen) #define connect(s, name, namelen) sal_connect(s, name, namelen) #define listen(s, backlog) sal_listen(s, backlog) #define recv(s, mem, len, flags) sal_recvfrom(s, mem, len, flags, NULL, NULL) #define recvfrom(s, mem, len, flags, from, fromlen) sal_recvfrom(s, mem, len, flags, from, fromlen) #define send(s, dataptr, size, flags) sal_sendto(s, dataptr, size, flags, NULL, NULL) #define sendto(s, dataptr, size, flags, to, tolen) sal_sendto(s, dataptr, size, flags, to, tolen) #define socket(domain, type, protocol) sal_socket(domain, type, protocol) #define closesocket(s) sal_closesocket(s) #define ioctlsocket(s, cmd, arg) sal_ioctlsocket(s, cmd, arg) #endif /* SAL_USING_POSIX */
// .
t-threadcomponents
etsal_socketincludesocket
etdb.h struct hostent *gethostbyname(const char *name); int gethostbyname_r(const char *name, struct hostent *ret, char *buf, size_t buflen, struct hostent **result, int *h_errnop); void freeaddrinfo(struct addrinfo *ai); int getaddrinfo(const char *nodename, const char *servname, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res); BSD Socket API也是我们进行网络应用开发时最常使用的接口，如果要使用这些接口，除了启用相应的宏定义，还需要包含这些接口所在的两个头文件。 5. RT-Thread TLS拓展 5.1 Wireshark 抓取TLS报文 5.1.1 配置抓包环境 1.SG105 Pro网关交换机配置
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按照图片所示配置配置网关交换机的端口镜像功能，这样端口1连接PC，端口2连接开发板，开发板所有数据包都可以通过PC端的wireshark软件抓取。
2.PC端Wireshark配置 ![]()
设置IP地址过滤(ip.addr == xxx.xxx.xxx.xxx,其中ip地址为开发板ip地址)
3.webclient抓包http协议，所有数据都是明文，没有加密#include #include #define GET_HEADER_BUFSZ 1024 #define GET_RESP_BUFSZ 1024 #define GET_LOCAL_URI "http://www.rt-thread.com/service/rt-thread.txt" /* send HTTP GET request by common request interface, it used to receive longer data */ static int webclient_get_comm(const char *uri) ![]()
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3.webclient抓包https协议，密文数据#include #include #define GET_HEADER_BUFSZ 1024 #define GET_RESP_BUFSZ 1024 #define GET_LOCAL_URI "https://www.rt-thread.com/service/rt-thread.txt" /* send HTTP GET request by common request interface, it used to receive longer data */ static int webclient_get_comm(const char *uri)
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原作者：windoufu
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