Java下SSL通訊原理的範例程式碼分享

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：

以上是Java下SSL通訊原理的範例程式碼分享的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！