有關SSL的原理和介紹在網上已經有不少,對於Java下使用keytool生成證書,配置SSL通信的教程也非常多。但如果我們無法親自動手做一個SSL Sever和SSL Client,可能就永遠無法深入理解Java環境下,SSL的通訊是如何實現的。對SSL中的各種概念的認識也可能僅限於可以使用的程度。本文透過建構一個簡單的SSL Server和SSL Client來說明Java環境下SSL的通訊原理。
首先我們先回顧一下常規的Java Socket程式設計。在Java下寫一個Socket伺服器和客戶端的範例還是比較簡單的。
服務端很簡單:偵聽8080端口,並把客戶端發送的字串返回。以下是服務端的程式碼:
package org.bluedash.tryssl; import java.io.BufferedReader; import java.io.IOException; import java.io.InputStreamReader; import java.io.PrintWriter; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; public class Server extends Thread { private Socket socket; public Server(Socket socket) { this.socket = socket; } public void run() { try { BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream()); String data = reader.readLine(); writer.println(data); writer.close(); socket.close(); } catch (IOException e) { } } public static void main(String[] args) throws Exception { while (true) { new Server((new ServerSocket(8080)).accept()).start(); } } }
客戶端也非常簡單:向服務端發起請求,發送一個」hello」字串,然後取得服務端的回傳。下面是客戶端的程式碼:
package org.bluedash.tryssl; import java.io.BufferedReader; import java.io.InputStreamReader; import java.io.PrintWriter; import java.net.Socket; public class Client { public static void main(String[] args) throws Exception { Socket s = new Socket("localhost", 8080); PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream()); BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream())); writer.println("hello"); writer.flush(); System.out.println(reader.readLine()); s.close(); } }
把服務端運行起來後,執行客戶端,我們將得到」hello」的回傳。
就是這樣一套簡單的網路通訊的程式碼,我們來把它改造成使用SSL通訊。在SSL通訊協定中,我們都知道首先服務端必須有一個數位證書,當客戶端連接到服務端時,會得到這個證書,然後客戶端會判斷這個證書是否是可信的,如果是,則交換頻道加密金鑰,進行通訊。如果不信任這個證書,則連線失敗。
因此,我們首先要為服務端產生一個數位憑證。 Java環境下,數位憑證是用keytool產生的,這些憑證被儲存在store的概念中,就是憑證倉庫。我們來呼叫keytool指令為服務端產生數位憑證和儲存它所使用的憑證倉庫:
keytool -genkey -v -alias bluedash-ssl-demo-server -keyalg RSA -keystore ./server_ks -dname "CN=localhost,OU=cn,O=cn,L=cn,ST=cn,C=cn" -storepass server -keypass 123123
這樣,我們就將服務端憑證bluedash-ssl-demo-server儲存在server_ksy這個store檔案當中。有關keytool的用法在本文中就不再多贅述。執行上面的指令得到以下結果:
Generating 1,024 bit RSA key pair and self-signed certificate (SHA1withRSA) with a validity of 90 days for: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn [Storing ./server_ks]
然後,改造我們的服務端程式碼,讓服務端使用這個證書,並提供SSL通訊:
package org.bluedash.tryssl; import java.io.BufferedReader; import java.io.FileInputStream; import java.io.IOException; import java.io.InputStreamReader; import java.io.PrintWriter; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; import java.security.KeyStore; import javax.net.ServerSocketFactory; import javax.net.ssl.KeyManagerFactory; import javax.net.ssl.SSLContext; import javax.net.ssl.SSLServerSocket; public class SSLServer extends Thread { private Socket socket; public SSLServer(Socket socket) { this.socket = socket; } public void run() { try { BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream()); String data = reader.readLine(); writer.println(data); writer.close(); socket.close(); } catch (IOException e) { } } private static String SERVER_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/server_ks"; private static String SERVER_KEY_STORE_PASSWORD = "123123"; public static void main(String[] args) throws Exception { System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", SERVER_KEY_STORE); SSLContext context = SSLContext.getInstance("TLS"); KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks"); ks.load(new FileInputStream(SERVER_KEY_STORE), null); KeyManagerFactory kf = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509"); kf.init(ks, SERVER_KEY_STORE_PASSWORD.toCharArray()); context.init(kf.getKeyManagers(), null, null); ServerSocketFactory factory = context.getServerSocketFactory(); ServerSocket _socket = factory.createServerSocket(8443); ((SSLServerSocket) _socket).setNeedClientAuth(false); while (true) { new SSLServer(_socket.accept()).start(); } } }
可以看到,服務端的Socket準備設定工作大大增加了,增加的程式碼的作用主要是將憑證匯入並進行使用。此外,所使用的Socket變成了SSLServerSocket,另外連接埠改到了8443(這個不是強制的,只是為了遵守習慣)。另外,最重要的一點,服務端憑證裡面的CN一定和服務端的網域統一,我們的憑證服務的網域是localhost,那麼我們的客戶端在連接服務端時一定也要用localhost來連接,否則根據SSL協定標準,網域名稱與憑證的CN不匹配,說明這個憑證是不安全的,通訊將無法正常運作。
有了服務端,我們原來的客戶端就不能使用了,必須要走SSL協定。由於服務端的憑證是我們自己產生的,沒有任何受信任機構的簽名,所以客戶端是無法驗證服務端憑證的有效性的,通訊必然會失敗。所以我們需要為客戶端建立一個保存所有信任憑證的倉庫,然後把服務端憑證導進這個倉庫。這樣,當客戶端連接服務端時,會發現服務端的憑證在自己的信任清單中,就可以正常通訊了。
因此現在我們要做的是產生一個客戶端的憑證倉庫,因為keytool不能只產生一個空白倉庫,所以和服務端一樣,我們還是會產生一個憑證加一個倉庫(客戶端憑證加倉庫) :
keytool -genkey -v -alias bluedash-ssl-demo-client -keyalg RSA -keystore ./client_ks -dname "CN=localhost,OU=cn,O=cn,L=cn,ST=cn,C=cn" -storepass client -keypass 456456
結果如下:
Generating 1,024 bit RSA key pair and self-signed certificate (SHA1withRSA) with a validity of 90 days for: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn [Storing ./client_ks]
接下來,我們要把服務端的憑證匯出來,並匯入到客戶端的倉庫。第一步是匯出服務端的憑證:
keytool -export -alias bluedash-ssl-demo-server -keystore ./server_ks -file server_key.cer
執行結果如下:
Enter keystore password: server Certificate stored in file <server_key.cer>
然後是把匯出的憑證匯入到客戶端憑證倉庫:
keytool -import -trustcacerts -alias bluedash-ssl-demo-server -file ./server_key.cer -keystore ./client_ks
結果如下:
Enter keystore password: client Owner: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn Issuer: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn Serial number: 4c57c7de Valid from: Tue Aug 03 15:40:14 CST 2010 until: Mon Nov 01 15:40:14 CST 2010 Certificate fingerprints: MD5: FC:D4:8B:36:3F:1B:30:EA:6D:63:55:4F:C7:68:3B:0C SHA1: E1:54:2F:7C:1A:50:F5:74:AA:63:1E:F9:CC:B1:1C:73:AA:34:8A:C4 Signature algorithm name: SHA1withRSA Version: 3 Trust this certificate? [no]: yes Certificate was added to keystore
好,準備工作做完了,我們來撰寫客戶端的程式碼:
package org.bluedash.tryssl; import java.io.BufferedReader; import java.io.InputStreamReader; import java.io.PrintWriter; import java.net.Socket; import javax.net.SocketFactory; import javax.net.ssl.SSLSocketFactory; public class SSLClient { private static String CLIENT_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/client_ks"; public static void main(String[] args) throws Exception { // Set the key store to use for validating the server cert. System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", CLIENT_KEY_STORE); System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake"); SSLClient client = new SSLClient(); Socket s = client.clientWithoutCert(); PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream()); BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s .getInputStream())); writer.println("hello"); writer.flush(); System.out.println(reader.readLine()); s.close(); } private Socket clientWithoutCert() throws Exception { SocketFactory sf = SSLSocketFactory.getDefault(); Socket s = sf.createSocket("localhost", 8443); return s; } }
可以看到,除了把一些類別變成SSL通訊類別以外,客戶端也多出了使用信任憑證倉庫的代碼。以上,我們便完成了SSL單向握手通訊。即:客戶端驗證服務端的證書,服務端不認證客戶端的證書。
以上便是Java環境下SSL單向握手的全過程。因為我們在客戶端設定了日誌輸出等級為DEBUG:
System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake");
因此我們可以看到SSL通訊的全過程,這些日誌可以幫助我們更具體地了解透過SSL協定建立網路連線時的全過程。
結合日誌,我們來看看SSL雙向認證的整個過程:
第一步: 用戶端發送ClientHello訊息,發起SSL連線請求,告訴伺服器自己支援的SSL選項(加密方式等)。
*** ClientHello, TLSv1
第二步: 伺服器回應請求,回覆ServerHello訊息,和客戶端確認SSL加密方式:
*** ServerHello, TLSv1
第三步: 服務端向客戶端發布自己的公鑰。
第四步: 客户端与服务端的协通沟通完毕,服务端发送ServerHelloDone消息:
*** ServerHelloDone
第五步: 客户端使用服务端给予的公钥,创建会话用密钥(SSL证书认证完成后,为了提高性能,所有的信息交互就可能会使用对称加密算法),并通过ClientKeyExchange消息发给服务器:
*** ClientKeyExchange, RSA PreMasterSecret, TLSv1
第六步: 客户端通知服务器改变加密算法,通过ChangeCipherSpec消息发给服务端:
main, WRITE: TLSv1 Change Cipher Spec, length = 1
第七步: 客户端发送Finished消息,告知服务器请检查加密算法的变更请求:
*** Finished
第八步:服务端确认算法变更,返回ChangeCipherSpec消息
main, READ: TLSv1 Change Cipher Spec, length = 1
第九步:服务端发送Finished消息,加密算法生效:
*** Finished
那么如何让服务端也认证客户端的身份,即双向握手呢?其实很简单,在服务端代码中,把这一行:
((SSLServerSocket) _socket).setNeedClientAuth(false);
改成:
((SSLServerSocket) _socket).setNeedClientAuth(true);
就可以了。但是,同样的道理,现在服务端并没有信任客户端的证书,因为客户端的证书也是自己生成的。所以,对于服务端,需要做同样的工作:把客户端的证书导出来,并导入到服务端的证书仓库:
keytool -export -alias bluedash-ssl-demo-client -keystore ./client_ks -file client_key.cer Enter keystore password: client Certificate stored in file <client_key.cer> keytool -import -trustcacerts -alias bluedash-ssl-demo-client -file ./client_key.cer -keystore ./server_ks Enter keystore password: server Owner: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn Issuer: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn Serial number: 4c57c80b Valid from: Tue Aug 03 15:40:59 CST 2010 until: Mon Nov 01 15:40:59 CST 2010 Certificate fingerprints: MD5: DB:91:F4:1E:65:D1:81:F2:1E:A6:A3:55:3F:E8:12:79 SHA1: BF:77:56:61:04:DD:95:FC:E5:84:48:5C:BE:60:AF:02:96:A2:E1:E2 Signature algorithm name: SHA1withRSA Version: 3 Trust this certificate? [no]: yes Certificate was added to keystore
完成了证书的导入,还要在客户端需要加入一段代码,用于在连接时,客户端向服务端出示自己的证书:
package org.bluedash.tryssl; import java.io.BufferedReader; import java.io.FileInputStream; import java.io.InputStreamReader; import java.io.PrintWriter; import java.net.Socket; import java.security.KeyStore; import javax.net.SocketFactory; import javax.net.ssl.KeyManagerFactory; import javax.net.ssl.SSLContext; import javax.net.ssl.SSLSocketFactory; public class SSLClient { private static String CLIENT_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/client_ks"; private static String CLIENT_KEY_STORE_PASSWORD = "456456"; public static void main(String[] args) throws Exception { // Set the key store to use for validating the server cert. System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", CLIENT_KEY_STORE); System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake"); SSLClient client = new SSLClient(); Socket s = client.clientWithCert(); PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream()); BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream())); writer.println("hello"); writer.flush(); System.out.println(reader.readLine()); s.close(); } private Socket clientWithoutCert() throws Exception { SocketFactory sf = SSLSocketFactory.getDefault(); Socket s = sf.createSocket("localhost", 8443); return s; } private Socket clientWithCert() throws Exception { SSLContext context = SSLContext.getInstance("TLS"); KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks"); ks.load(new FileInputStream(CLIENT_KEY_STORE), null); KeyManagerFactory kf = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509"); kf.init(ks, CLIENT_KEY_STORE_PASSWORD.toCharArray()); context.init(kf.getKeyManagers(), null, null); SocketFactory factory = context.getSocketFactory(); Socket s = factory.createSocket("localhost", 8443); return s; } }
通过比对单向认证的日志输出,我们可以发现双向认证时,多出了服务端认证客户端证书的步骤:
*** CertificateRequest Cert Types: RSA, DSS Cert Authorities: <CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn> <CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn> *** ServerHelloDone *** CertificateVerify main, WRITE: TLSv1 Handshake, length = 134 main, WRITE: TLSv1 Change Cipher Spec, length = 1
在 @*** ServerHelloDone@ 之前,服务端向客户端发起了需要证书的请求 @*** CertificateRequest@ 。
在客户端向服务端发出 @Change Cipher Spec@ 请求之前,多了一步客户端证书认证的过程 @*** CertificateVerify@ 。
客户端与服务端互相认证证书的情景,可参考下图:
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