用Rust手把手编写一个Proxy(代理), TLS加密通讯

项目 ++wmproxy++

github: https://github.com/tickbh/wmproxy

为什么选择TLS

了解TLS

安全传输层协议（TLS）用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。

该协议由两层组成： TLS 记录协议（TLS Record）和 TLS 握手协议（TLS Handshake）。

TLS版本的历程

版本	发表年份	RFC文件	弃用年份	RFC链接
TLS1.0	1999年	RFC2246	2021年弃用	https://datatracker.ietf.org/doc/rfc2246/
TLS1.1	2006年	RFC4346	2021年弃用	https://datatracker.ietf.org/doc/rfc4346/
TLS1.2	2008年	RFC5246	正在使用	https://datatracker.ietf.org/doc/rfc5246/
TLS1.3	2018年	RFC8446	正在使用	https://datatracker.ietf.org/doc/rfc8446/

TLS协议的优势是与高层的应用层协议（如HTTP、FTP、Telnet等）无耦合。应用层协议能透明地运行在TLS协议之上，由TLS协议进行创建加密通道需要的协商和认证。应用层协议传送的数据在通过TLS协议时都会被加密，从而保证通信的私密性。

我们此时正应用他与应用层完全不耦合，又经历20年的发展历程非常的完善和安全，完全可以信任。

sequenceDiagram
Client->>Server: TLS协议版本、随机数、支持的加密套件和对应公钥A

Server-)Server: 生成随机数B，根据信息生成密钥
Server-->>Client: 选用加密套件，服务端随机数，服务端证书
Server-->>Client: 使用的P、G、公钥B与签名
Server-->>Client: 握手报文的信息（服务端加密）

Client-)Client: 验证证书，使用a、B计算出K，得到密钥
Client->>Server: 握手报文的信息（客户端加密）
Client->>Server: 应用数据（客户端加密）
Server-->>Client: 应用数据（服务端加密）

了解RSA算法

1. 算法原理

算法本身基于一个简单的数论知识：给出两个素数，很容易将它们相乘，然而给出它们的乘积，想得到这两个素数就显得尤为困难。如果能够解决大整数（比如几百位的整数）分解的快速方法，那么 RSA 算法将轻易被破解。

2.公钥私钥的生成

准备两个非常大的素数p和q（转化成二进制后1024位或者4096或者更大位数，位数越多越难破解）;

计算出两个大素数的乘积n=pq;

同样的方法计算m=(p-1)(q-1)，这里的m为n的欧拉函数

找到一个数e(1 < e < m)，满足(e,m)的最大公约数为1，即互素

找到数字d，需满足ed mod m = 1，即余数为1

此时生成完毕，公钥为(n,e)，私钥为(n, d)

3. RSA加密

对明文x，用公钥(n, e)对x加密，将x转换成数字，通过公式得出密文y

y = x^e mod n

4. RSA解密

对明文y，用私钥(n, d)对y解密

x = y^d mod n

5. 小数测试

取p=5，q=11，得到n=p*q=55

m=(p-1)(q-1) = 40

取e=3，根据ed mod m = 1，可取d=27

此时公钥(n, e)=(55, 3)

此时私钥(n, d)=(55, 27)

提供明文a = 14，用公钥加密则密文c = a ^ e mod n = 14 ^ 3 mod 55 = 49

解密密文b = 49，用私钥解密则明文d = b ^ d mod n = 49 ^ 27 mod 55 = 14

6. 性能分析

因为RSA用到了指数级的计算，位数又是至少1024位起的，所以计算量非常的庞大，所以RSA的算法效率并不高，所以TLS除一开始密文交换的时候用到RSA，后续均用得到的密文做对称加密以减少计算量，TLS1.3所用如下TLS_AES_128_GCM_SHA256，TLS_AES_256_GCM_SHA384，TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256，TLS_AES_128_CCM_SHA256，TLS_AES_128_CCM_8_SHA256等对称加密算法。

7. Nginx证书文件pem及key

key文件，即包含-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----的文件，这里面包含的信息有n, e, d, p, q等完整的RSA信息，也是保证安全最重要的信息，格式类似如下

RSAPrivateKey ::= SEQUENCE {

  version           Version,

  modulus           INTEGER,  -- n

  publicExponent    INTEGER,  -- e

  privateExponent   INTEGER,  -- d

  prime1            INTEGER,  -- p

  prime2            INTEGER,  -- q

  exponent1         INTEGER,  -- d mod (p-1)

  exponent2         INTEGER,  -- d mod (q-1)

  coefficient       INTEGER,  -- (inverse of q) mod p

  otherPrimeInfos   OtherPrimeInfos OPTIONAL

}

pem文件，包含了公钥信息(n, d)及证书链信息，可以知道谁签发的。

加密节点实现

角色说明，在wmproxy中存在两种角色，

末端的处理服务器

中间方只进行流量转发

关于TLS的参数有以下参数

pub struct Proxy {

    /// 连接服务端是否启用tls

    ts: bool,

    /// 接收客户端是否启用tls

    tc: bool,

    /// tls证书所用的域名

    domain: Option<String>,

    /// 公开的证书公钥文件

    cert: Option<String>,

    /// 隐私的证书私钥文件

    key: Option<String>,

}

因为加密存在可能的性能损耗，若在私有网络里不存在传输安全理论上可以不用开启加密传输。如果存在多个节点，前面节点已启用过加密，理论上后面节点也无需多次加密。

直接用https传输可能暴露什么？

因为客户端发起Client Hello的时候必须带上访问的domain，也就是网络的嗅探方虽然无法知道你访问的具体内容，但是可以知道你访问的网站列表。如：

启动二级代理

在本地启动代理

wmproxy -b 127.0.0.1 -p 8090 -S 127.0.0.1:8091 --ts

因为纯转发，所以在当前节点设置账号密码没有意义-S表示连接到的二级代理地址，有该参数则表示是中转代理，否则是末端代理。--ts表示连接父级代理的时候需要用加密的方式链接

在远程启动代理

wmproxy --user proxy --pass proxy -b 0.0.0.0 -p 8091 --tc

--tc表示接收子级代理的时候需要用加密的方式链接，可以--cert指定证书的公钥，--key指定证书的私钥，--domain指定证书的域名，如果不指定，则默认用自带的证书参数

至此通过代理访问的，我们已经没有办法得到真正的请求地址，只能得到代理发起的请求

源码说明

关于TLS依赖，选择的是rustls，tokio-rustls。

那么关于客户端的连接，那就有两种情况，一种是TcpStream，另一种是TlsStream<TcpStream>，我们的处理函数不确定传入的是哪种类型，所以此前的入参TcpStream全部改成泛型T，类似

async fn deal_stream<T>(&mut self, inbound: T) -> ProxyResult<()>

where T: AsyncRead + AsyncWrite + Unpin {

}

这样子只要可以异步读和写都可以成为入参的流。

如果存在tc参数，那么会将客户端转成TlsStream以便继续处理

if let Some(a) = accept.clone() {

    let inbound = a.accept(inbound).await;

    if let Ok(inbound) = inbound {

        // 获取的流跟正常内容一样读写, 在内部实现了自动加解密

        let _ = self.deal_stream(inbound).await;

    } else {

        println!("accept error = {:?}", inbound.err());

    }

} else {

    let _ = self.deal_stream(inbound).await;

};

客户端连接

let connector = TlsConnector::from(tls_client.unwrap());

let stream = TcpStream::connect(&server).await?;

// 这里的域名只为认证设置

let domain = rustls::ServerName::try_from(&*domain.unwrap_or("soft.wm-proxy.com".to_string()))

    .map_err(|_| io::Error::new(io::ErrorKind::InvalidInput, "invalid dnsname"))?;

if let Ok(mut outbound) = connector.connect(domain, stream).await {

    // connect 之后的流跟正常内容一样读写, 在内部实现了自动加解密

    let _ = tokio::io::copy_bidirectional(&mut inbound, &mut outbound).await?;

}

这里利用的是TLS与上层解藕，只要他参与握手完之后，完全按我们的通讯来定。

后续改进

现在每个请求都和代理服务端进行一次请求握手，当开启断开非常多的时候会比较耗性能，可以考虑共用一条socket然后内部做协议解析，会减少握手时间，只是在流量非常大的时候会出现某条请求耗光了所有的带宽。