https大势已来？看腾讯专家如何在高并发压测中支持https

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WeTest 导读

用epoll编写一个高并发网络程序是很常见的任务，但在epoll中加入ssl层的支持则是一个不常见的场景。腾讯WeTest服务器压力测产品，在用户反馈中收到了不少支持https协议的请求。基于此，本文介绍了在基于epoll的高并发机器人框架中加入openssl，实现对https支持时的基本实现思路。

1、背景

2014年，谷歌在其官方博客中发布公告称，为了打造更安全的互联网环境，谷歌搜索引擎将尝试把“是否使用安全加密”（HTTPS）作为搜索排名算法中的一个参考因素，使用加密技术的网站将得到更多的展示机会，排名相对同类网站也更有优势。面对运营商的http劫持，广告嵌入，将产品页面重定向到其他页面，http站点通常束手无策。所以仅仅是为了加密流量，https的部署也将成为大势所趋。

腾讯WeTest服务器性能测试原本的简单模式，主要针对以http协议为主的轻量级场景（游戏业务一般会采用更复杂的协议）。而在上线之后，收到了不少需要https测试的用户反馈，由此决定在我们使用的压测框架中加入https支持。

腾讯WeTest服务器性能测试是一个基于epoll的高并发机器人网络行为模拟框架。其中的网络传输模块，是用单线程epoll的多路复用方式，将多个机器人和服务器的交互包进行非阻塞高速转发。配合以Linux系统层面的一些配置优化，就可以达到单进程几千的机器人数量。

后台开发同学，一般在自己的web服务器中加https的配置相对常见，但自己到socket层去写https的代码实现，这个需求还真不太多。动手之前，我们调研了https层可用的库，最常见的就是OpenSSL了。像curl也有https的相应支持，不过考虑到要在tcp socket（epoll）这一层实现，还是选择了OpenSSL。

2、OpenSSL

在介绍OpenSSL之前，首先要介绍下https。https是什么？https就是http+tls/ssl（下文简称ssl）。从网络协议的层面来说，tcp是传输层协议，http是应用层协议，ssl就是为了给应用层的http报文加密，专门加在tcp和http之间的一层安全协议。网络上对https协议进行介绍的好文很多，如：http://www.cnblogs.com/LittleHann/p/3741907.html
，详细阐述了https的原理，这里就不再赘述。

OpenSSL就是在常用的socket层连接建好之后，完成ssl层的连接建立、收发包、连接释放，其实调用的基本思路还是很清晰的。我们以本文中要实现的client侧为例，如下图所示：

可以看到，就是在普通的socket建立好tcp连接后，再用SSL_connect建立ssl层的连接。然后用SSL_read/SSL_write替代recv/send进行收发数据，并在close socket的前后释放ssl层的资源即可。

由于已经实现了基于epoll的客户端数据收发和http协议的解析，所以这两者都不是本文的重点——下文主要介绍的是在epoll的框架中使用openssl收发数据时，需要注意的地方。

3、全双工实现

看到这个标题，肯定有同学会纳闷：tcp本来不就是全双工的么，https是在tcp层之上的，怎么还会单独拎出这个来说？没错，tcp是全双工的，但openssl的实现，不代表你能像普通socket一样在收发两个通道上随意操作。

要点1：OpenSSL并发读写，是不安全的

其实OpenSSL官方的文档上还没找到直接的话术指明同一个SSL不能两个线程并发读写，但实际上，外网上、km上都有文章说在多线程并发情况下读写会引起程序崩溃。想来是SSL对象内部实现中，维护了共享的状态变量或者缓存区之类的资源，并发读写时会改坏数据导致崩溃。可以通过初始化时设置加锁回调的方式来避免（http://linux.die.net/man/3/crypto_set_locking_callback），但锁终究对性能有不小的影响。

不过gaps现有的实现是单进程的，即单进程中通过epoll完成了多个机器人连接的收发数据，所以并不存在多线程并发的问题，也无需加锁。由此，小标题的“全双工实现”其实更严格说是”单进程情况下读写互不干扰的双工实现“。

要点2：OpenSSL的建链、收包、发包接口，其是否阻塞都随socket本身属性而变，所以OpenSSL可以非阻塞使用
在我们的场景下，用epoll来维护机器人的并发建连接和收发包，当然希望任何一个动作都是非阻塞的，这样才能将多路复用的功效发挥到极致。那现在加了个ssl2进去，是否还能保持这一点？答案是能。所以，这里的要点是，OpenSSL的建立连接、收包、发包，都可以是非阻塞的。

建立连接不用上图中的SSL_connect，而用SSL_do_handshake。这样，如果socket本身设置为非阻塞的，那这个操作也就不会阻塞，而是有三种返回可能：

1）返回0：

意味着ssl层的交互阻塞了。直观地去理解，虽然这时候tcp已经连好了，但总要去收发些握手数据什么的来建立ssl层连接吧，而这个过程收发数据阻塞了。此时，用SSL_get_error()可以获取具体的错误码：若是SSL_ERROR_WANT_READ或SSL_ERROR_WANT_WRITE，就在epoll中关注该连接的可读或可写事件，并在事件被触发时接着调用SSL_do_handshake，直到返回下面的1。

2）返回1：

ssl层建链数据交互完成，可以开始收发业务数据了

3）<0：

协议或连接层各种异常出错，不再详述。

非阻塞建立SSL连接的过程如图所示：

建链之后，就是收发数据了。由于socket为非阻塞，所以收发数据的函数SSL_read、SSL_write一样会非阻塞。他们的参数和普通的recv/send等读写类函数很像，就是传入buff和length这些。需要注意的在于，和SSL_do_handshake一样，如果返回值大于0，表示成功收发了业务层数据；如果返回值等于0，则需要判断下错误码是不是SSL_ERROR_WANT_READ或SSL_ERROR_WANT_WRITE，即读写阻塞了。

发包，即发送一个请求到http服务器的逻辑如下图：

可以看出，发包的逻辑和普通的使用epoll发包的逻辑大概相同，区别在于以下几点：

1）SSL_write替代了普通的send

2）SSL_write也会阻塞。只是，我们这里只关注写阻塞（即图中的错误码为SSL_ERROR_WANT_WRITE），然后加入epoll，关注socket的可写事件。

上面的第2点就是openSSL比较奇葩的一个地方了：调用SSL_write发包，可能返回的是一个SSL_ERROR_WANT_READ，即发包可能阻塞在读操作！无法理解吧。其实这个是因为在http的底层，会有一个重协商的过程，这个过程，相当于在业务数据正在单向地收或发的时候，突然在ssl链路层要去交互协议数据，重建链接了——那这个时候，重协商协议数据交互是双方的，client可能刚好在recv协议数据时被阻塞了，那就只能乖乖地等socket可读了——SSL_write在这种情况下，会返回一个SSL_ERROR_WANT_READ，等待可读。而下次可读事件发生时，还需要重复调用SSL_write，直到SSL_write成功......是不是有点奇怪，epoll告知我们socket可读了，我们居然要对socket调用写操作......

重协商的原理网上也有很多，这里不详述。只是，我们在全双工的模式下，对于SSL_write操作，只认为写阻塞是正常的！一旦因为重协商发生而产生读阻塞，我们就认为链路出现问题了——否则，无法真正实现收发互不考虑的全双工，这个会在半双工的时候具体介绍。

收包，即接收服务器侧返回的http响应的逻辑如下图：

可以看到，收包的逻辑和发包类似，也是有可能会因为重协商产生写阻塞，我们在全双工实现的做法，一样是认为出错。

4、加入半双工开关——重协商考虑

要点3：当SSL_read或SSL_write阻塞时，需要在SSL对象上重复调用该操作直到收发完成

要点3正是我们上面提到的奇葩之处。这也是在OpenSSL的官方文档中说明了的：

所以，我们如果需要真正支持重协商，就必须有一种半双工的实现——这种实现会在收发包阻塞在对应的操作后，记录一个中间状态，不处理当前不期望的收或发，直到之前被阻塞的操作完成。这种情况下，相当于对这个自定义的状态维护了一个状态机。由于实际实现非常复杂，所以代码细节就不在这里贴了。概括一下，大概是下面的这个状态机转移图和一些要点：

如上图：

1）“正常状态”可以认为连接当前是空闲的，不需要收发数据；

2）正常态下有客户端数据要发送，则调用SSL_write接口，如果阻塞，则会进入图左的两个状态；

3）正常态下epoll提示有服务端返回的数据可读，则调用SSL_read接口，如果阻塞，则会进入图右的两个状态；

4）在外侧的四种状态下，不是当前期望的操作，都不会处理：如阻塞在等待读/写时，epoll的可写/可读事件都不理会，又如，阻塞在任何一种状态时，客户的发包请求都会入队列；

5）红字标出的两个状态和平时普通socket+epoll的操作刚好相反，值得留意。

如此，一个半双工的https客户端实现就有了。但它的缺陷很明显：每次读、写操作都可能阻塞另一个方向上的数据传输，性能会有急剧的下降。由于通常服务器端并不推荐重协商的过程，所以这种情况也是很少见的。因而，全双工的实现加了开关，当普通https服务器进行压测时，关闭开关，保证性能；当面对真有重协商这种特殊需求的服务器时，才打开开关。

5、HTTPS测试功能的使用

下面，我们来看一下如何在简单模式中进行https页面的服务器性能测试。

1） 点击服务器性能测试产品首页（http://wetest.qq.com/gaps/ ）中的快捷入口：HTTP直压。模式选择简单模式，名称和描述可以自己填写。（图中示例起始人数50人，每隔60秒增加50人，加到200人为上限）

点击左侧“HTTP直压“进入压测

输入合适的测试标题和测试设置（此图为动图，横屏观看效果更佳）

2）新建一个客户端请求，接口压测包括读写接口，读接口基本是GET请求，写接口基本是POST请求。GET请求使用url请求参数，填写测试用例的基础数值，选择正确的URL

配置页面header信息

3） 随后进行Header的配置，Header的名称在选定URL的内，打开URL的链接（推荐使用chrome浏览器），敲击F12并刷新页面，选定Network-Name-Headers-Request Headers（Header的名称与值均在内查看，如下图所示）

查看页面header信息

到这里，基本就完成了对https的配置过程了，是不是很简单？下面动图可以再回顾一下操作的流程：