mbedtls轻量级HTTPS客户端：基于mbedtls的HTTP over TLS实现

mbedtls轻量级HTTPS客户端：基于mbedtls的HTTP over TLS实现

【免费下载链接】mbedtls An open source, portable, easy to use, readable and flexible TLS library, and reference implementation of the PSA Cryptography API. Releases are on a varying cadence, typically around 3 - 6 months between releases. 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/mb/mbedtls

引言

在嵌入式系统和资源受限环境中，实现安全的HTTPS通信一直是一个挑战。mbedtls作为一款轻量级的TLS库，为开发者提供了在资源受限设备上实现安全通信的可能性。本文将详细介绍如何使用mbedtls库实现一个轻量级的HTTPS客户端，通过HTTP over TLS的方式与服务器进行安全通信。

mbedtls简介

mbedtls是一个开源、可移植、易于使用且灵活的TLS库，同时也是PSA Cryptography API的参考实现。该库专为嵌入式系统设计，具有代码体积小、资源占用低等特点，非常适合在资源受限的环境中使用。mbedtls支持多种加密算法和协议，包括TLS 1.2、TLS 1.3等主流安全协议。

项目的主要代码结构如下：

• 头文件：include/mbedtls/
• 库文件：library/
• 示例程序：programs/
• 测试程序：tests/

HTTPS客户端实现原理

HTTPS客户端的核心是在HTTP协议的基础上添加TLS加密层。使用mbedtls实现HTTPS客户端的主要步骤包括：

1. 创建并配置SSL上下文
2. 建立TCP连接
3. 进行TLS握手
4. 发送HTTP请求
5. 接收并处理HTTP响应
6. 关闭连接

下面是HTTPS客户端的工作流程图：

实现步骤

1. 初始化SSL上下文

首先需要初始化mbedtls的各种上下文结构，包括加密库、SSL配置和SSL上下文。

mbedtls_net_context server_fd;
mbedtls_ssl_context ssl;
mbedtls_ssl_config conf;
mbedtls_x509_crt cacert;
mbedtls_pk_context pkey;
mbedtls_entropy_context entropy;
mbedtls_ctr_drbg_context ctr_drbg;

// 初始化各种上下文
mbedtls_net_init(&server_fd);
mbedtls_ssl_init(&ssl);
mbedtls_ssl_config_init(&conf);
mbedtls_x509_crt_init(&cacert);
mbedtls_pk_init(&pkey);
mbedtls_entropy_init(&entropy);
mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg);

2. 配置SSL上下文

配置SSL上下文是实现HTTPS客户端的关键步骤，包括设置随机数生成器、加载CA证书、配置TLS版本和加密套件等。

// 初始化随机数生成器
ret = mbedtls_ctr_drbg_seed(&ctr_drbg, mbedtls_entropy_func, &entropy,
                           (const unsigned char *)"ssl_client",
                           strlen("ssl_client"));
if (ret != 0) {
    // 错误处理
}

// 加载CA证书
ret = mbedtls_x509_crt_parse_file(&cacert, "ca-cert.pem");
if (ret != 0) {
    // 错误处理
}

// 配置SSL
ret = mbedtls_ssl_config_defaults(&conf,
                                 MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT,
                                 MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_STREAM,
                                 MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT);
if (ret != 0) {
    // 错误处理
}

// 设置CA证书
mbedtls_ssl_conf_ca_chain(&conf, &cacert, NULL);

// 设置随机数生成器
mbedtls_ssl_conf_rng(&conf, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg);

// 设置主机名验证
mbedtls_ssl_set_hostname(&ssl, "example.com");

// 关联SSL上下文和配置
ret = mbedtls_ssl_setup(&ssl, &conf);
if (ret != 0) {
    // 错误处理
}

3. 建立TCP连接

使用mbedtls提供的网络函数建立与服务器的TCP连接。

// 连接到服务器
ret = mbedtls_net_connect(&server_fd, "example.com", "443", MBEDTLS_NET_PROTO_TCP);
if (ret != 0) {
    // 错误处理
}

// 将网络连接与SSL上下文关联
mbedtls_ssl_set_bio(&ssl, &server_fd, mbedtls_net_send, mbedtls_net_recv, NULL);

4. 进行TLS握手

调用mbedtls_ssl_handshake函数进行TLS握手。

// 进行TLS握手
ret = mbedtls_ssl_handshake(&ssl);
if (ret != 0) {
    // 错误处理
}

// 验证服务器证书
if (mbedtls_ssl_get_verify_result(&ssl) != 0) {
    // 证书验证失败处理
}

5. 发送HTTP请求

TLS握手成功后，可以通过加密通道发送HTTP请求。

const char *request = "GET / HTTP/1.1\r\n"
                      "Host: example.com\r\n"
                      "Connection: close\r\n\r\n";

// 发送HTTP请求
ret = mbedtls_ssl_write(&ssl, (const unsigned char *)request, strlen(request));
if (ret <= 0) {
    // 错误处理
}

6. 接收HTTP响应

接收并处理服务器的HTTP响应。

unsigned char buf[1024];
int len;

// 接收HTTP响应
while ((len = mbedtls_ssl_read(&ssl, buf, sizeof(buf) - 1)) > 0) {
    buf[len] = '\0';
    printf("%s", buf);
}

if (len < 0 && len != MBEDTLS_ERR_SSL_PEER_CLOSE_NOTIFY) {
    // 错误处理
}

7. 关闭连接

通信完成后，需要关闭SSL连接并释放资源。

// 发送关闭通知
mbedtls_ssl_close_notify(&ssl);

// 释放资源
mbedtls_net_free(&server_fd);
mbedtls_ssl_free(&ssl);
mbedtls_ssl_config_free(&conf);
mbedtls_x509_crt_free(&cacert);
mbedtls_pk_free(&pkey);
mbedtls_ctr_drbg_free(&ctr_drbg);
mbedtls_entropy_free(&entropy);

完整示例代码

mbedtls提供了一个完整的HTTPS客户端示例程序，可以在programs/ssl/ssl_client2.c找到。这个示例程序支持多种配置选项，包括：

• 服务器地址和端口
• CA证书配置
• 客户端证书和密钥
• TLS版本和加密套件
• 各种TLS扩展

以下是使用示例程序的基本命令：

./ssl_client2 server_name=example.com server_port=443 ca_file=ca-cert.pem

常见问题及解决方案

1. 证书验证失败

如果遇到证书验证失败的问题，可以检查以下几点：

• 确保CA证书正确加载
• 检查系统时间是否正确
• 验证服务器主机名是否与证书中的一致

可以通过设置调试级别查看详细的证书验证过程：

mbedtls_ssl_conf_debug(&conf, debug_fprintf, stdout);
mbedtls_ssl_set_debug_level(&ssl, 3);

2. 连接超时

连接超时可能是由于网络问题或服务器配置导致的。可以尝试以下解决方案：

• 检查网络连接
• 验证服务器地址和端口
• 增加连接超时时间

// 设置读取超时
mbedtls_ssl_set_read_timeout(&ssl, 5000); // 5秒超时

3. 不支持的加密套件

如果客户端和服务器之间没有共同支持的加密套件，可以通过以下方式解决：

• 检查mbedtls编译选项，确保支持所需的加密套件
• 在代码中显式指定支持的加密套件

// 设置加密套件
const int ciphersuites[] = {
    MBEDTLS_TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384,
    MBEDTLS_TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384,
    MBEDTLS_TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384,
    0
};
mbedtls_ssl_conf_ciphersuites(&conf, ciphersuites);

总结

本文详细介绍了使用mbedtls实现轻量级HTTPS客户端的方法，包括实现原理、步骤和常见问题解决方案。mbedtls提供了丰富的API和示例程序，可以帮助开发者快速构建安全的HTTPS客户端。

官方文档：docs/ 更多示例：programs/ 测试程序：tests/

通过本文的介绍，相信您已经掌握了使用mbedtls实现HTTPS客户端的基本方法。如果您有任何问题或建议，欢迎在项目的GitHub页面提交issue或PR。

参考资料

• mbedtls官方文档
• mbedtls示例程序
• mbedtls测试程序
• RFC 5246 - The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.2
• RFC 8446 - The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.3

【免费下载链接】mbedtls An open source, portable, easy to use, readable and flexible TLS library, and reference implementation of the PSA Cryptography API. Releases are on a varying cadence, typically around 3 - 6 months between releases. 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/mb/mbedtls