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深入理解nginx的https alpn机制

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1. 概述

??应用层协议协商（Application-Layer Protocol Negotiation，简称ALPN）是一个传输层安全协议(TLS) 的扩展, ALPN 使得应用层可以协商在安全连接层之上使用什么协议, 避免了额外的往返通讯, 并且独立于应用层协议。ALPN 用于 HTTP/2 连接, 和HTTP/1.x 相比, HTTP 2的使用增强了网页的压缩率减少了网络延时。ALPN 和 HTTP/2 协议是伴随着 Google 开发 SPDY 协议出现的。

??nginx能够在一个ssl监听端口上同时提供http/1.1和http/2的服务，而http/2协议规定是必须基于tls安全通信协议的，因此，nginx在ssl握手过程中实现了ALPN的协议协商功能，能够自动完成和客户端的协议协商，从而根据客户端的协议支持能力提供http/1.1或者http/2的服务。

??本文基于nginx，对alpn的实现原理进行深入的分析。

2. alpn协议的简要理解

2.1 ssl的握手过程

?由上图可以看到，alpn的协商过程是在ssl握手的最早的两个阶段，即ClientHello和ServerHello中完成的，通过将应用层协议协商信息附加到ClientHello和ServerHello报文中完成的交互。

2.2 通过抓包看一下alpn的细节

??下面通过TLS v1.2握手协议来查看alpn的细节，对于TLS v1.3协议，在ServerHello响应的时候由于alpn部分的信息被加密，所以查看起来比较会麻烦。抓包通过wireshark来实现，通过以下命令来模拟http2的请求：

curl --http2 \\\"https://www.test.com\\\" -kv

??下到的报文如下：

??ClientHello报文：

深入理解nginx的https alpn机制

??ServerHello报文:

??在ClientHello报文中可以看到application_layer_protocol_negotiation的信息，表明了客户端可以同时支持h2和http/1.1，而在ServerHello报文中也可以看到application_layer_protocol_negotiation的信息，表明服务器选择了h2协议作为应用层协议。

3. nginx源码分析

3.1 给ssl上下文设置alpn回调

?? nginx在启动的时候，ngx_http_ssl_module模块在ngx_http_ssl_merge_srv_conf的时候，有以下这段代码对ssl的上下文进行初始化：

/* 创建ssl上下文 */  if (ngx_ssl_create(&conf->ssl, conf->protocols, conf) != NGX_OK) {        return NGX_CONF_ERROR;    }
  /* 注册用于ssl上下文资源回收的回调函数    cln = ngx_pool_cleanup_add(cf->pool, 0);    if (cln == NULL) {        ngx_ssl_cleanup_ctx(&conf->ssl);        return NGX_CONF_ERROR;    }
    cln->handler = ngx_ssl_cleanup_ctx;    cln->data = &conf->ssl;
  /* 设置ClientHello消息回调 */#if defined(T_INGRESS_SHARED_MEMORY_PB) && OPENSSL_VERSION_NUMBER >= 0x10101000L    SSL_CTX_set_client_hello_cb(conf->ssl.ctx,                                ngx_http_ssl_client_hello_callback, NULL);#endif
  /* 设置SNI消息回调 */#ifdef SSL_CTRL_SET_TLSEXT_HOSTNAME
    if (SSL_CTX_set_tlsext_servername_callback(conf->ssl.ctx,                                               ngx_http_ssl_servername)        == 0)    {        ngx_log_error(NGX_LOG_WARN, cf->log, 0,            \\\"nginx was built with SNI support, however, now it is linked \\\"            \\\"dynamically to an OpenSSL library which has no tlsext support, \\\"            \\\"therefore SNI is not available\\\");    }
#endif
  /* 设置ALPN消息回调  */#ifdef TLSEXT_TYPE_application_layer_protocol_negotiation    SSL_CTX_set_alpn_select_cb(conf->ssl.ctx, ngx_http_ssl_alpn_select, NULL);#endif







?? 没错，最以上源码的最后部分，nginx向openssl底层库设置了alpn的回调函数ngx_http_ssl_alpn_select，以期待接收到从客户端发过来的ClientHello中分析出有alpn扩展信息的时候回调这个函数。



3.2 连接初始化


??在3.1节中所述的ssl上下文准备好以后，ssl连接当然是还没有建立的，只能说仍然只是停留在配置阶段，那么接下去可以想到客户端发起了tcp连接，nginx接受了这个连接，就需要开始对这个连接进行初始化，连接的初始化过程是由ngx_http_init_connection函数来完成的。那么如果开启了https，就会执行如下代码：


#if (NGX_HTTP_SSL)    {    ngx_http_ssl_srv_conf_t  *sscf;
    sscf = ngx_http_get_module_srv_conf(hc->conf_ctx, ngx_http_ssl_module);
    if (sscf->enable || hc->addr_conf->ssl) {        hc->ssl = 1;        c->log->action = \\\"SSL handshaking\\\";        rev->handler = ngx_http_ssl_handshake;    }    }#endif







??这段代码给当前连接的读事件设置了一个回调函数，即ngx_http_ssl_handshake函数，它用来进行ssl的握手操作。那么当nginx从这个连接上收到请求数据的时候就会开始执行ssl握手操作。在ngx_http_ssl_handshake函数中，有以下这段代码：


  if (ngx_ssl_create_connection(&sscf->ssl, c, NGX_SSL_BUFFER)    != NGX_OK)  {    ngx_http_close_connection(c);    return;  }







??这段代码用之前启动阶段准备好的ssl上下文和当前的socket连接来创建一个新的ssl连接，这样子就将当前的socket连接和ssl上下文关联起来了。后面就是真正的ssl握手操作了，在ngx_http_ssl_handshake代码里有：


    rc = ngx_ssl_handshake(c);







??在ngx_ssl_handshake函数里面会发起异步的ssl握手操作，这里略过。



3.3 处理alpn协议回调


?? 在握手期间，ssl底层逻辑会解析ClientHello数据报文，发现有alpn数据后，就回调前面设置好的ngx_http_ssl_alpn_select函数了。下面来分析一下ngx_http_ssl_alpn_select函数的实现：


static intngx_http_ssl_alpn_select(ngx_ssl_conn_t *ssl_conn, const unsigned char **out,    unsigned char *outlen, const unsigned char *in, unsigned int inlen,    void *arg){    unsigned int            srvlen;    unsigned char          *srv;#if (NGX_DEBUG)    unsigned int            i;#endif
#if (NGX_HTTP_V2)    ngx_http_connection_t  *hc;#if (T_NGX_HTTP2_SRV_ENABLE)    ngx_http_v2_srv_conf_t *h2scf;#endif#endif#if (NGX_HTTP_V2 || NGX_DEBUG)    ngx_connection_t       *c;
  /* 获取ssl连接的底层socket连接 */    c = ngx_ssl_get_connection(ssl_conn);#endif
#if (NGX_DEBUG)    for (i = 0; i < inlen; i += in[i] + 1) {        ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_HTTP, c->log, 0,                       \\\"SSL ALPN supported by client: %*s\\\",                       (size_t) in[i], &in[i + 1]);    }#endif
#if (NGX_HTTP_V2)    hc = c->data;
#if (T_NGX_HTTP2_SRV_ENABLE)    h2scf = ngx_http_get_module_srv_conf(hc->conf_ctx, ngx_http_v2_module);#endif
    if (#if (T_NGX_HTTP2_SRV_ENABLE)        (#endif        hc->addr_conf->http2#if (T_NGX_HTTP2_SRV_ENABLE)        && h2scf->enable != 0) || h2scf->enable == 1#endif        )    {        /* 如果开启了http2,那么http2是优先协议排在前面,           然后是http/1.1 http/1.0 http/0.9          */        srv = (unsigned char *) NGX_HTTP_V2_ALPN_PROTO NGX_HTTP_ALPN_PROTOS;        srvlen = sizeof(NGX_HTTP_V2_ALPN_PROTO NGX_HTTP_ALPN_PROTOS) - 1;    } else#endif    {        srv = (unsigned char *) NGX_HTTP_ALPN_PROTOS;        srvlen = sizeof(NGX_HTTP_ALPN_PROTOS) - 1;    }      /* server端和client端支持的协议进行匹配，按server端支持列表顺序选择两者都支持的协议 */    if (SSL_select_next_proto((unsigned char **) out, outlen, srv, srvlen,                              in, inlen)        != OPENSSL_NPN_NEGOTIATED)    {        return SSL_TLSEXT_ERR_ALERT_FATAL;    }
    ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_HTTP, c->log, 0,                   \\\"SSL ALPN selected: %*s\\\", (size_t) *outlen, *out);
    return SSL_TLSEXT_ERR_OK;}
#endif







??本函数的入口参数in中存放的是alpn的协议名称列表，格式如下：


?1个或者多个alpn的协议名称被并排连续组装在了一起，长度字段占一个字节，长度字段表示了后面协议名占多少个字节。
?i入口参数nlen表示了入口参数in指针指向的地址总共包含了多少字节的数据。


??接下去就是要做真正的协议选择了，协议选择最终是通过SSL_select_next_proto来完成了，这个是SSL地层函数，该函数的定义如下：


__owur int SSL_select_next_proto(unsigned char **out, unsigned char *outlen,                                 const unsigned char *in, unsigned int inlen,                                 const unsigned char *client,                                 unsigned int client_len);







??其中out和outlen表示最终选择的协议名称及其长度，in和inlen表示服务器端的可选协议列表及其长度，client和client_len表示客户端的可选协议列表及其长度，在第一个in中设置的并且在client中存在的协议名称将被选中并输出到out和outlen中。
?经过ngx_http_ssl_alpn_select的协议选择，ssl底层会把选择的结果保存起来。待ssl底层握手完成后，nginx需要根据握手的alpn结果设置是否启用http2。



3.4 握手完成，启用http协议


?? 经过3.3节的步骤，已经完成了协议的选择，那么接下去就是nginx的事情了，它需要根据选择的结果，是开启http2还是http1.1与客户端进行通信，当然接下去的通讯因为已经是ssl握手后了，所以数据的通讯都是经过ssl加密的了。
?在ssl握手完成后，ssl底层将回调ngx_http_ssl_handshake_handler函数，这个函数是在函数ngx_http_ssl_handshake中通过以下代码设置的：


  rc = ngx_ssl_handshake(c);
  if (rc == NGX_AGAIN) {    /* 如果异步握手没有即时完成，则设置ssl握手回调函数ngx_http_ssl_handshake_handler    if (!rev->timer_set) {      cscf = ngx_http_get_module_srv_conf(hc->conf_ctx,                        ngx_http_core_module);      ngx_add_timer(rev, cscf->client_header_timeout);    }
    c->ssl->handler = ngx_http_ssl_handshake_handler;    return;  }  /* 如果握手即时完成了，则直接调用ngx_http_ssl_handshake_handler*/  ngx_http_ssl_handshake_handler(c);






    

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?? 最后来看看ngx_http_ssl_handshake_handler函数的实现，源码如下：


static voidngx_http_ssl_handshake_handler(ngx_connection_t *c){    if (c->ssl->handshaked) {
        /*         * The majority of browsers do not send the \\\"close notify\\\" alert.         * Among them are MSIE, old Mozilla, Netscape 4, Konqueror,         * and Links.  And what is more, MSIE ignores the server\\\'s alert.         *         * Opera and recent Mozilla send the alert.         */
        c->ssl->no_wait_shutdown = 1;
#if (NGX_HTTP_V2                                                              \\\\     && defined TLSEXT_TYPE_application_layer_protocol_negotiation)        {        unsigned int            len;        const unsigned char    *data;        ngx_http_connection_t  *hc;
#if (T_NGX_HTTP2_SRV_ENABLE)        ngx_http_v2_srv_conf_t *h2scf;#endif        hc = c->data;
#if (T_NGX_HTTP2_SRV_ENABLE)        h2scf = ngx_http_get_module_srv_conf(hc->conf_ctx, ngx_http_v2_module);#endif
        if (#if (T_NGX_HTTP2_SRV_ENABLE)            (#endif             hc->addr_conf->http2#if (T_NGX_HTTP2_SRV_ENABLE)             && h2scf->enable != 0) || h2scf->enable == 1#endif           )        {
#ifdef TLSEXT_TYPE_application_layer_protocol_negotiation      /* 获取alpn的选择结果 */            SSL_get0_alpn_selected(c->ssl->connection, &data, &len);
#ifdef TLSEXT_TYPE_next_proto_neg            if (len == 0) {                SSL_get0_next_proto_negotiated(c->ssl->connection, &data, &len);            }#endif
#else /* TLSEXT_TYPE_next_proto_neg */            SSL_get0_next_proto_negotiated(c->ssl->connection, &data, &len);#endif      /* 如果选择结果是 h2，那么就执行http2的初始化 */            if (len == 2 && data[0] == \\\'h\\\' && data[1] == \\\'2\\\') {                ngx_http_v2_init(c->read);                return;            }        }        }#endif
        c->log->action = \\\"waiting for request\\\";    /* 设置连接读事件的回调函数ngx_http_wait_request_handler进行http/1.1的处理    */        c->read->handler = ngx_http_wait_request_handler;        /* STUB: epoll edge */ c->write->handler = ngx_http_empty_handler;
        ngx_reusable_connection(c, 1);
        ngx_http_wait_request_handler(c->read);
        return;    }
    if (c->read->timedout) {        ngx_log_error(NGX_LOG_INFO, c->log, NGX_ETIMEDOUT, \\\"client timed out\\\");    }
    ngx_http_close_connection(c);}







?? ngx_http_ssl_handshake_handler函数的实现和我们猜测的一样，就是从ssl底层通过SSL_get0_alpn_selected函数获取alpn的选择结果，如果没有获取到，则通过SSL_get0_next_proto_negotiated获取npn的选择结果。最后，发现如果选择的是h2(即http2)，则开始初始化http2连接，否则设置连接的读事件回调为ngx_http_wait_request_handler，进入到http/1.1的后续处理阶段。



4.4 总结


??本文从ssl上下文的初始化、ssl连接的初始化、alpn回调处理，到最后ssl握手完成并启用http2协议的整个流程说明了nginx alpn的实现过程，nginx的实现逻辑清晰，简单明了，对我们未来自己去实现支持ssl连接请求的服务器有非常好的借鉴意义。





                                                        
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