Update the OpenSSL Guide tutorials with changes to the demos
[openssl.git] / doc / man7 / ossl-guide-tls-client-non-block.pod
1 =pod
2
3 =begin comment
4
5 NB: Changes to the source code samples in this file should also be reflected in
6 demos/guide/tls-client-non-block.c
7
8 =end comment
9
10 =head1 NAME
11
12 ossl-guide-tls-client-non-block
13 - OpenSSL Guide: Writing a simple nonblocking TLS client
14
15 =head1 SIMPLE NONBLOCKING TLS CLIENT EXAMPLE
16
17 This page will build on the example developed on the
18 L<ossl-guide-tls-client-block(7)> page which demonstrates how to write a simple
19 blocking TLS client. On this page we will amend that demo code so that it
20 supports a nonblocking socket.
21
22 The complete source code for this example nonblocking TLS client is available
23 in the B<demos/guide> directory of the OpenSSL source distribution in the file
24 B<tls-client-non-block.c>. It is also available online at
25 L<https://github.com/openssl/openssl/blob/master/demos/guide/tls-client-non-block.c>.
26
27 As we saw in the previous example a blocking socket is one which waits (blocks)
28 until data is available to read if you attempt to read from it when there is no
29 data yet. Similarly it waits when writing if the socket is currently unable to
30 write at the moment. This can simplify the development of code because you do
31 not have to worry about what to do in these cases. The execution of the code
32 will simply stop until it is able to continue. However in many cases you do not
33 want this behaviour. Rather than stopping and waiting your application may need
34 to go and do other tasks whilst the socket is unable to read/write, for example
35 updating a GUI or performing operations on some other socket.
36
37 With a nonblocking socket attempting to read or write to a socket that is
38 currently unable to read or write will return immediately with a non-fatal
39 error. Although OpenSSL does the reading/writing to the socket this nonblocking
40 behaviour is propagated up to the application so that OpenSSL I/O functions such
41 as L<SSL_read_ex(3)> or L<SSL_write_ex(3)> will not block.
42
43 Since this page is building on the example developed on the
44 L<ossl-guide-tls-client-block(7)> page we assume that you are familiar with it
45 and we only explain how this example differs.
46
47 =head2 Setting the socket to be nonblocking
48
49 The first step in writing an application that supports nonblocking is to set
50 the socket into nonblocking mode. A socket will be default be blocking. The
51 exact details on how to do this can differ from one platform to another.
52 Fortunately OpenSSL offers a portable function that will do this for you:
53
54     /* Set to nonblocking mode */
55     if (!BIO_socket_nbio(sock, 1)) {
56         sock = -1;
57         continue;
58     }
59
60 You do not have to use OpenSSL's function for this. You can of course directly
61 call whatever functions that your Operating System provides for this purpose on
62 your platform.
63
64 =head2 Performing work while waiting for the socket
65
66 In a nonblocking application you will need work to perform in the event that
67 we want to read or write to the socket, but we are currently unable to. In fact
68 this is the whole point of using a nonblocking socket, i.e. to give the
69 application the opportunity to do something else. Whatever it is that the
70 application has to do, it must also be prepared to come back and retry the
71 operation that it previously attempted periodically to see if it can now
72 complete. Ideally it would only do this in the event that the state of the
73 underlying socket has actually changed (e.g. become readable where it wasn't
74 before), but this does not have to be the case. It can retry at any time.
75
76 Note that it is important that you retry exactly the same operation that you
77 tried last time. You cannot start something new. For example if you were
78 attempting to write the text "Hello World" and the operation failed because the
79 socket is currently unable to write, then you cannot then attempt to write
80 some other text when you retry the operation.
81
82 In this demo application we will create a helper function which simulates doing
83 other work. In fact, for the sake of simplicity, it will do nothing except wait
84 for the state of the socket to change.
85
86 We call our function C<wait_for_activity()> because all it does is wait until
87 the underlying socket has become readable or writeable when it wasn't before.
88
89     static void wait_for_activity(SSL *ssl, int write)
90     {
91         fd_set fds;
92         int width, sock;
93
94         /* Get hold of the underlying file descriptor for the socket */
95         sock = SSL_get_fd(ssl);
96
97         FD_ZERO(&fds);
98         FD_SET(sock, &fds);
99         width = sock + 1;
100
101         /*
102          * Wait until the socket is writeable or readable. We use select here
103          * for the sake of simplicity and portability, but you could equally use
104          * poll/epoll or similar functions
105          *
106          * NOTE: For the purposes of this demonstration code this effectively
107          * makes this demo block until it has something more useful to do. In a
108          * real application you probably want to go and do other work here (e.g.
109          * update a GUI, or service other connections).
110          *
111          * Let's say for example that you want to update the progress counter on
112          * a GUI every 100ms. One way to do that would be to add a 100ms timeout
113          * in the last parameter to "select" below. Then, when select returns,
114          * you check if it did so because of activity on the file descriptors or
115          * because of the timeout. If it is due to the timeout then update the
116          * GUI and then restart the "select".
117          */
118         if (write)
119             select(width, NULL, &fds, NULL, NULL);
120         else
121             select(width, &fds, NULL, NULL, NULL);
122     }
123
124 In this example we are using the C<select> function because it is very simple
125 to use and is available on most Operating Systems. However you could use any
126 other similar function to do the same thing. C<select> waits for the state of
127 the underlying socket(s) to become readable/writeable before returning. It also
128 supports a "timeout" (as do most other similar functions) so in your own
129 applications you can make use of this to periodically wake up and perform work
130 while waiting for the socket state to change. But we don't use that timeout
131 capability in this example for the sake of simplicity.
132
133 =head2 Handling errors from OpenSSL I/O functions
134
135 An application that uses a nonblocking socket will need to be prepared to
136 handle errors returned from OpenSSL I/O functions such as L<SSL_read_ex(3)> or
137 L<SSL_write_ex(3)>. Errors may be fatal (for example because the underlying
138 connection has failed), or non-fatal (for example because we are trying to read
139 from the underlying socket but the data has not yet arrived from the peer).
140
141 L<SSL_read_ex(3)> and L<SSL_write_ex(3)> will return 0 to indicate an error and
142 L<SSL_read(3)> and L<SSL_write(3)> will return 0 or a negative value to indicate
143 an error. L<SSL_shutdown(3)> will return a negative value to incidate an error.
144
145 In the event of an error an application should call L<SSL_get_error(3)> to find
146 out what type of error has occurred. If the error is non-fatal and can be
147 retried then L<SSL_get_error(3)> will return B<SSL_ERROR_WANT_READ> or
148 B<SSL_ERROR_WANT_WRITE> depending on whether OpenSSL wanted to read to or write
149 from the socket but was unable to. Note that a call to L<SSL_read_ex(3)> or
150 L<SSL_read(3)> can still generate B<SSL_ERROR_WANT_WRITE> because OpenSSL
151 may need to write protocol messages (such as to update cryptographic keys) even
152 if the application is only trying to read data. Similarly calls to
153 L<SSL_write_ex(3)> or L<SSL_write(3)> might generate B<SSL_ERROR_WANT_READ>.
154
155 Another type of non-fatal error that may occur is B<SSL_ERROR_ZERO_RETURN>. This
156 indicates an EOF (End-Of-File) which can occur if you attempt to read data from
157 an B<SSL> object but the peer has indicated that it will not send any more data
158 on it. In this case you may still want to write data to the connection but you
159 will not receive any more data.
160
161 Fatal errors that may occur are B<SSL_ERROR_SYSCALL> and B<SSL_ERROR_SSL>. These
162 indicate that the underlying connection has failed. You should not attempt to
163 shut it down with L<SSL_shutdown(3)>. B<SSL_ERROR_SYSCALL> indicates that
164 OpenSSL attempted to make a syscall that failed. You can consult B<errno> for
165 further details. B<SSL_ERROR_SSL> indicates that some OpenSSL error occurred. You
166 can consult the OpenSSL error stack for further details (for example by calling
167 L<ERR_print_errors(3)> to print out details of errors that have occurred).
168
169 In our demo application we will write a function to handle these errors from
170 OpenSSL I/O functions:
171
172     static int handle_io_failure(SSL *ssl, int res)
173     {
174         switch (SSL_get_error(ssl, res)) {
175         case SSL_ERROR_WANT_READ:
176             /* Temporary failure. Wait until we can read and try again */
177             wait_for_activity(ssl, 0);
178             return 1;
179
180         case SSL_ERROR_WANT_WRITE:
181             /* Temporary failure. Wait until we can write and try again */
182             wait_for_activity(ssl, 1);
183             return 1;
184
185         case SSL_ERROR_ZERO_RETURN:
186             /* EOF */
187             return 0;
188
189         case SSL_ERROR_SYSCALL:
190             return -1;
191
192         case SSL_ERROR_SSL:
193             /*
194             * If the failure is due to a verification error we can get more
195             * information about it from SSL_get_verify_result().
196             */
197             if (SSL_get_verify_result(ssl) != X509_V_OK)
198                 printf("Verify error: %s\n",
199                     X509_verify_cert_error_string(SSL_get_verify_result(ssl)));
200             return -1;
201
202         default:
203             return -1;
204         }
205     }
206
207 This function takes as arguments the B<SSL> object that represents the
208 connection, as well as the return code from the I/O function that failed. In
209 the event of a non-fatal failure, it waits until a retry of the I/O operation
210 might succeed (by using the C<wait_for_activity()> function that we developed
211 in the previous section). It returns 1 in the event of a non-fatal error
212 (except EOF), 0 in the event of EOF, or -1 if a fatal error occurred.
213
214 =head2 Creating the SSL_CTX and SSL objects
215
216 In order to connect to a server we must create B<SSL_CTX> and B<SSL> objects for
217 this. The steps do this are the same as for a blocking client and are explained
218 on the L<ossl-guide-tls-client-block(7)> page. We won't repeat that information
219 here.
220
221 =head2 Performing the handshake
222
223 As in the demo for a blocking TLS client we use the L<SSL_connect(3)> function
224 to perform the TLS handshake with the server. Since we are using a nonblocking
225 socket it is very likely that calls to this function will fail with a non-fatal
226 error while we are waiting for the server to respond to our handshake messages.
227 In such a case we must retry the same L<SSL_connect(3)> call at a later time.
228 In this demo we this in a loop:
229
230     /* Do the handshake with the server */
231     while ((ret = SSL_connect(ssl)) != 1) {
232         if (handle_io_failure(ssl, ret) == 1)
233             continue; /* Retry */
234         printf("Failed to connect to server\n");
235         goto end; /* Cannot retry: error */
236     }
237
238 We continually call L<SSL_connect(3)> until it gives us a success response.
239 Otherwise we use the C<handle_io_failure()> function that we created earlier to
240 work out what we should do next. Note that we do not expect an EOF to occur at
241 this stage, so such a response is treated in the same way as a fatal error.
242
243 =head2 Sending and receiving data
244
245 As with the blocking TLS client demo we use the L<SSL_write_ex(3)> function to
246 send data to the server. As with L<SSL_connect(3)> above, because we are using
247 a nonblocking socket, this call could fail with a non-fatal error. In that case
248 we should retry exactly the same L<SSL_write_ex(3)> call again. Note that the
249 parameters must be I<exactly> the same, i.e. the same pointer to the buffer to
250 write with the same length. You must not attempt to send different data on a
251 retry. An optional mode does exist (B<SSL_MODE_ACCEPT_MOVING_WRITE_BUFFER>)
252 which will configure OpenSSL to allow the buffer being written to change from
253 one retry to the next. However, in this case, you must still retry exactly the
254 same data - even though the buffer that contains that data may change location.
255 See L<SSL_CTX_set_mode(3)> for further details. As in the TLS client
256 blocking tutorial (L<ossl-guide-tls-client-block(7)>) we write the request
257 in three chunks.
258
259     /* Write an HTTP GET request to the peer */
260     while (!SSL_write_ex(ssl, request_start, strlen(request_start), &written)) {
261         if (handle_io_failure(ssl, 0) == 1)
262             continue; /* Retry */
263         printf("Failed to write start of HTTP request\n");
264         goto end; /* Cannot retry: error */
265     }
266     while (!SSL_write_ex(ssl, hostname, strlen(hostname), &written)) {
267         if (handle_io_failure(ssl, 0) == 1)
268             continue; /* Retry */
269         printf("Failed to write hostname in HTTP request\n");
270         goto end; /* Cannot retry: error */
271     }
272     while (!SSL_write_ex(ssl, request_end, strlen(request_end), &written)) {
273         if (handle_io_failure(ssl, 0) == 1)
274             continue; /* Retry */
275         printf("Failed to write end of HTTP request\n");
276         goto end; /* Cannot retry: error */
277     }
278
279 On a write we do not expect to see an EOF response so we treat that case in the
280 same way as a fatal error.
281
282 Reading a response back from the server is similar:
283
284     do {
285         /*
286          * Get up to sizeof(buf) bytes of the response. We keep reading until
287          * the server closes the connection.
288          */
289         while (!eof && !SSL_read_ex(ssl, buf, sizeof(buf), &readbytes)) {
290             switch (handle_io_failure(ssl, 0)) {
291             case 1:
292                 continue; /* Retry */
293             case 0:
294                 eof = 1;
295                 continue;
296             case -1:
297             default:
298                 printf("Failed reading remaining data\n");
299                 goto end; /* Cannot retry: error */
300             }
301         }
302         /*
303          * OpenSSL does not guarantee that the returned data is a string or
304          * that it is NUL terminated so we use fwrite() to write the exact
305          * number of bytes that we read. The data could be non-printable or
306          * have NUL characters in the middle of it. For this simple example
307          * we're going to print it to stdout anyway.
308          */
309         if (!eof)
310             fwrite(buf, 1, readbytes, stdout);
311     } while (!eof);
312     /* In case the response didn't finish with a newline we add one now */
313     printf("\n");
314
315 The main difference this time is that it is valid for us to receive an EOF
316 response when trying to read data from the server. This will occur when the
317 server closes down the connection after sending all the data in its response.
318
319 In this demo we just print out all the data we've received back in the response
320 from the server. We continue going around the loop until we either encounter a
321 fatal error, or we receive an EOF (indicating a graceful finish).
322
323 =head2 Shutting down the connection
324
325 As in the TLS blocking example we must shutdown the connection when we are
326 finished with it.
327
328 If our application was initiating the shutdown then we would expect to see
329 L<SSL_shutdown(3)> give a return value of 0, and then we would continue to call
330 it until we received a return value of 1 (meaning we have successfully completed
331 the shutdown). In this particular example we don't expect SSL_shutdown() to
332 return 0 because we have already received EOF from the server indicating that it
333 has shutdown already. So we just keep calling it until SSL_shutdown() returns 1.
334 Since we are using a nonblocking socket we might expect to have to retry this
335 operation several times. If L<SSL_shutdown(3)> returns a negative result then we
336 must call L<SSL_get_error(3)> to work out what to do next. We use our
337 handle_io_failure() function that we developed earlier for this:
338
339     /*
340      * The peer already shutdown gracefully (we know this because of the
341      * SSL_ERROR_ZERO_RETURN (i.e. EOF) above). We should do the same back.
342      */
343     while ((ret = SSL_shutdown(ssl)) != 1) {
344         if (ret < 0 && handle_io_failure(ssl, ret) == 1)
345             continue; /* Retry */
346         /*
347          * ret == 0 is unexpected here because that means "we've sent a
348          * close_notify and we're waiting for one back". But we already know
349          * we got one from the peer because of the SSL_ERROR_ZERO_RETURN
350          * (i.e. EOF) above.
351          */
352         printf("Error shutting down\n");
353         goto end; /* Cannot retry: error */
354     }
355
356 =head2 Final clean up
357
358 As with the blocking TLS client example, once our connection is finished with we
359 must free it. The steps to do this for this example are the same as for the
360 blocking example, so we won't repeat it here.
361
362 =head1 FURTHER READING
363
364 See L<ossl-guide-tls-client-block(7)> to read a tutorial on how to write a
365 blocking TLS client. See L<ossl-guide-quic-client-block(7)> to see how to do the
366 same thing for a QUIC client.
367
368 =head1 SEE ALSO
369
370 L<ossl-guide-introduction(7)>, L<ossl-guide-libraries-introduction(7)>,
371 L<ossl-guide-libssl-introduction(7)>, L<ossl-guide-tls-introduction(7)>,
372 L<ossl-guide-tls-client-block(7)>, L<ossl-guide-quic-client-block(7)>
373
374 =head1 COPYRIGHT
375
376 Copyright 2023 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
377
378 Licensed under the Apache License 2.0 (the "License").  You may not use
379 this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
380 in the file LICENSE in the source distribution or at
381 L<https://www.openssl.org/source/license.html>.
382
383 =cut