[openssl] openssl async模块框架分析

[classic_tong: https://www.cnblogs.com/hugetong/p/14379347.html]

这一部分内容的前面还有个第一部分，可以作为接下来内容的前提或者背景进行阅读：[openssl] intel qat场景下的openssl框架

 

引言

openssl1.1.1版本新增了async功能。是为了更好支持qat卡新增的功能。

详见：[openssl] intel qat场景下的openssl框架  有关性能部分的讨论。

 

API

回顾前文我们讨论了openssl的基本框架，包含：app，ssl，crypto，engines四部分。

async模块是crypto component中的一部分。它目前仅被ssl模块引用，被封装在SSL的api调用下面

sync模块的主要API：

/* 提供给应用程序的接口， */
int ASYNC_init_thread(size_t max_size, size_t init_size);
void ASYNC_cleanup_thread(void);
int ASYNC_start_job(ASYNC_JOB **job, ASYNC_WAIT_CTX *ctx, int *ret, int (*func)(void *), void *args, size_t size);

/* 提供给应用程序用于epoll的接口。 */
ASYNC_WAIT_CTX *ASYNC_get_wait_ctx(ASYNC_JOB *job);
int ASYNC_WAIT_CTX_get_fd(ASYNC_WAIT_CTX *ctx, const void *key, OSSL_ASYNC_FD *fd, void **custom_data);
int ASYNC_WAIT_CTX_get_all_fds(ASYNC_WAIT_CTX *ctx, OSSL_ASYNC_FD *fd, size_t *numfds);
int ASYNC_WAIT_CTX_get_changed_fds(ASYNC_WAIT_CTX *ctx, OSSL_ASYNC_FD *addfd, size_t *numaddfds, OSSL_ASYNC_FD *delfd, size_t *numdelfds);

/* 对ENGINE的接口，在ENGINE中调用 */
ASYNC_WAIT_CTX *ASYNC_WAIT_CTX_new(void);
void ASYNC_WAIT_CTX_free(ASYNC_WAIT_CTX *ctx);
int ASYNC_WAIT_CTX_set_wait_fd(ASYNC_WAIT_CTX *ctx, const void *key, OSSL_ASYNC_FD fd, void *custom_data,
       void (*cleanup)(ASYNC_WAIT_CTX *, const void *, OSSL_ASYNC_FD, void *));
int ASYNC_pause_job(void);

 

SSL模块的主要API

/* SSL的基本IO接口 */
SSL *SSL_new(SSL_CTX *ctx);
void SSL_free(SSL *ssl);
int SSL_accept(SSL *ssl);
int SSL_connect(SSL *ssl);
int SSL_read(SSL *ssl, void *buf, int num);
int SSL_peek(SSL *ssl, void *buf, int num);
int SSL_write(SSL *ssl, const void *buf, int num);

/* SSL 用于异步处理的 socket fd */
int SSL_get_fd(const SSL *s);

/* SSL 用于异步处理的加解密设备 fd */
int SSL_waiting_for_async(SSL *s);
int SSL_get_all_async_fds(SSL *s, OSSL_ASYNC_FD *fds, size_t *numfds);
int SSL_get_changed_async_fds(SSL *s, OSSL_ASYNC_FD *addfd,
        size_t *numaddfds, OSSL_ASYNC_FD *delfd, size_t *numdelfds);

 

ENGINE注册进openssl的接口

ENGINE_set_id(e, engine_qat_id)
ENGINE_set_name(e, engine_qat_name)
ENGINE_set_RSA(e, qat_get_RSA_methods())
ENGINE_set_DSA(e, qat_get_DSA_methods())
ENGINE_set_DH(e, qat_get_DH_methods())
ENGINE_set_EC(e, qat_get_EC_methods())
ENGINE_set_pkey_meths(e, qat_pkey_methods)
ENGINE_set_RSA(e, multibuff_get_RSA_methods())
ENGINE_set_pkey_meths(e, multibuff_x25519_pkey_methods)
ENGINE_set_ciphers(e, qat_ciphers)

 

上下文切换

async为了达到并行的目的，在单线程中实现了协程。请读：[openssl] 协程

async模块中，将其抽象为job，job为一次运行即结束的。多个job同时运行，使用协程进行调度。

job有个pool，这个pool是堆内存，地址存储在每线程的全局变量里，使用api pthread_getspecfic()

核心的协程切换在这个函数里：https://github.com/openssl/openssl/blob/master/crypto/async/arch/async_posix.h::async_fibre_swapcontext()

 

封装

这一小节讲，上面的三部分接口是怎么结合起来的。主要包括ssl怎么与async结合，engine怎么对async支持。

ssl与async

ssl内部组织了一个状态机，将握手，读写等操作抽象为两个job，ssl_io_intern(读写), ssl_do_handshake_intern(握手), 统一通过api ASYNC_start_job()进行job调度。

JOB有 ASYNC_ERR, ASYNC_PAUSE, ASYNC_FINISH, ASYNC_NO_JOBS, 四个状态。状态表征了job的运行情况。

async的基本模型是，1 cpu进行用户应用的前期计算，2  cpu进行ssl框架内的前期计算， 3  write数据进qat卡，4 qat卡计算，5 read数据出qat卡，6  cpu进行ssl框架内的后期计算，7 cpu进行用户应用的后期计算。

async的目标就是让cpu在阶段3进行有效计算。

为了达到这个目标，async模块将流程2356划分为一个job，17作为主流程（主协程？主job）。4被卸载到了硬件卡上，不占用cpu。协程的本质是对cpu的分时复用，所以，我们讨论job的时候，就是在讨论cpu的时间片分配。

 

ssl调用了async_start_job之后，便进入了job 2356流程，当job执行完23之后，会调用api ASYNC_pause_job() 切换回主job，并将job状态设置为ASYNC_PAUSE, 这个时候CPU会交还给主job完全其他计算工作，qat并行的进行他自己的计算。

主job知道另一个job没有进入结束状态，所以它利用SSL_waiting_for_async()接口获得的一个eventfd，并将它epoll（）起来。当qat卡计算完成（另一个问题，cpu怎么知道qat卡计算完成了？）会执行一个回调，这个回调会写入eventfd，从而

主job再次进入ssl之前的api，继续job的56流程。完成6之后，再调用ASYNC_pause_job()切换主job，并将job状态设置为ASYNC_FINISH. 主job完成流程7.  结束。

 

async与engine

接上面的问题， cpu怎么知道qat卡完成了计算？  

答案：文章[openssl] intel qat场景下的openssl框架中提到了四种模式，其中模式inline启动了一个线程，该线程在不停的调用qatdriver的polling api，轮训获取qat的计算状态，得到相应结果后，写入eventfd，唤醒job。

其他基于timer的模式，机制类似。

 

前文提到的流程2(一部分)356(一部分)，都被封装在了以插件的形式注册的加解密函数中，如前文的api表格所示。

这部分处理除了负责读写硬件，还有另外两个职责，1， job的切回，也就是pause。2，eventfd的唤醒。

 

千言万语抵不过一张图，通过下图理解一下：

 

性能

最后回到上一篇提到的性能问题。

先回顾一下关于qat性能的讨论。 性能的提升有两个角度。

1.  用户调用openssl时使用异步IO，就是使用epoll，select等，完成多个SSL的操作，这个与常规典型的异步IO使用的方法一下，不在赘述。

2.  一个ssl流程里都包括，算随机数，做秘钥协商，非对称加密，对每个block的对称加密，对每个block的对称解密，这一个序列的每一个步都可以由qat卡完成计算。

    他们每一个被抽象成一个job，共同并行。这个并行包括了多个qat卡bank和cpu，他们多者之间的并行。

    也就是说，如上图所示的同一个SSL_accept(1st)的调用里，可以有多个ASYNC_start_job().

    而性能优化的角度1是：如上图的event_loop()的地方，可以有多个SSL_accept(1st)在等待完成。

 

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完