Java SSL/TLS 安全通訊協(xié)議介紹
在人類(lèi)建立了通信系統之后，如何保證通信的安全始終是一個(gè)重要的問(wèn)題。伴隨著(zhù)現代化通信系統的建立，人們利用數學(xué)理論找到了一些行之有效的方法來(lái)保證數字通信的安全。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把兩方通信的過(guò)程進(jìn)行保密處理，比如對雙方通信的內容進(jìn)行加密，這樣就可以有效防止偷聽(tīng)者輕易截獲通信的內容。目前 SSL（Secure Sockets Layer） 及其后續版本 TLS（Transport Layer Security）是比較成熟的通信加密協(xié)議，它們常被用于在客戶(hù)端和服務(wù)器之間建立加密通信通道。各種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言都給出 SSL/TLS 協(xié)議的具體實(shí)現，Java 也不例外。在 JDK 中有一個(gè) JSSE（javax.net.ssl）包，提供了對 SSL 和 TLS 的支持。通過(guò)其所提供的一系列 API，開(kāi)發(fā)者可以像使用普通 Socket 一樣使用基于 SSL 或 TLS 的安全套接字，而不用關(guān)心 SSL 和 TLS 協(xié)議的細節，例如握手的流程等等。這使得利用 Java 開(kāi)發(fā)安全的 SSL/TLS 服務(wù)器或客戶(hù)端非常容易，本文將通過(guò)具體的例子來(lái)說(shuō)明如何用 Java 語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā) SSL/TLS 應用。
SSL/TLS 協(xié)議的介紹
SSL/TLS 協(xié)議（RFC2246 RFC4346）處于 TCP/IP 協(xié)議與各種應用層協(xié)議之間，為數據通訊提供安全支持。
從協(xié)議內部的功能層面上來(lái)看，SSL/TLS 協(xié)議可分為兩層：
1. SSL/TLS 記錄協(xié)議（SSL/TLS Record Protocol），它建立在可靠的傳輸層協(xié)議（如 TCP）之上，為上層協(xié)議提供數據封裝、壓縮、加密等基本功能。
2. SSL/TLS 握手協(xié)議（SSL/TLS Handshake Protocol），它建立在 SSL/TLS 記錄協(xié)議之上，用于在實(shí)際的數據傳輸開(kāi)始前，通訊雙方進(jìn)行身份認證、協(xié)商加密算法、交換加密密鑰等初始化協(xié)商功能。
從協(xié)議使用方式來(lái)看，又可以分成兩種類(lèi)型：
1. SSL/TLS 單向認證，就是用戶(hù)到服務(wù)器之間只存在單方面的認證，即客戶(hù)端會(huì )認證服務(wù)器端身份，而服務(wù)器端不會(huì )去對客戶(hù)端身份進(jìn)行驗證。首先，客戶(hù)端發(fā)起握手請求，服務(wù)器收到握手請求后，會(huì )選擇適合雙方的協(xié)議版本和加密方式。然后，再將協(xié)商的結果和服務(wù)器端的公鑰一起發(fā)送給客戶(hù)端?？蛻?hù)端利用服務(wù)器端的公鑰，對要發(fā)送的數據進(jìn)行加密，并發(fā)送給服務(wù)器端。服務(wù)器端收到后，會(huì )用本地私鑰對收到的客戶(hù)端加密數據進(jìn)行解密。然后，通訊雙方都會(huì )使用這些數據來(lái)產(chǎn)生雙方之間通訊的加密密鑰。接下來(lái)，雙方就可以開(kāi)始安全通訊過(guò)程了。
2.SSL/TLS 雙向認證，就是雙方都會(huì )互相認證，也就是兩者之間將會(huì )交換證書(shū)?；镜倪^(guò)程和單向認證完全一樣，只是在協(xié)商階段多了幾個(gè)步驟。在服務(wù)器端將協(xié)商的結果和服務(wù)器端的公鑰一起發(fā)送給客戶(hù)端后，會(huì )請求客戶(hù)端的證書(shū)，客戶(hù)端則會(huì )將證書(shū)發(fā)送給服務(wù)器端。然后，在客戶(hù)端給服務(wù)器端發(fā)送加密數據后，客戶(hù)端會(huì )將私鑰生成的數字簽名發(fā)送給服務(wù)器端。而服務(wù)器端則會(huì )用客戶(hù)端證書(shū)中的公鑰來(lái)驗證數字簽名的合法性。建立握手之后過(guò)程則和單向通訊完全保持一致。
SSL/TLS 協(xié)議建立通訊的基本流程如圖 1 所示，
圖 1. SSL/TLS 基本流程圖
步驟 1. ClientHello – 客戶(hù)端發(fā)送所支持的 SSL/TLS 最高協(xié)議版本號和所支持的加密算法集合及壓縮方法集合等信息給服務(wù)器端。
步驟 2. ServerHello – 服務(wù)器端收到客戶(hù)端信息后，選定雙方都能夠支持的 SSL/TLS 協(xié)議版本和加密方法及壓縮方法，返回給客戶(hù)端。
（可選）步驟 3. SendCertificate – 服務(wù)器端發(fā)送服務(wù)端證書(shū)給客戶(hù)端。
（可選）步驟 4. RequestCertificate – 如果選擇雙向驗證，服務(wù)器端向客戶(hù)端請求客戶(hù)端證書(shū)。
步驟 5. ServerHelloDone – 服務(wù)器端通知客戶(hù)端初始協(xié)商結束。
（可選）步驟 6. ResponseCertificate – 如果選擇雙向驗證，客戶(hù)端向服務(wù)器端發(fā)送客戶(hù)端證書(shū)。
步驟 7. ClientKeyExchange – 客戶(hù)端使用服務(wù)器端的公鑰，對客戶(hù)端公鑰和密鑰種子進(jìn)行加密，再發(fā)送給服務(wù)器端。
（可選）步驟 8. CertificateVerify – 如果選擇雙向驗證，客戶(hù)端用本地私鑰生成數字簽名，并發(fā)送給服務(wù)器端，讓其通過(guò)收到的客戶(hù)端公鑰進(jìn)行身份驗證。
步驟 9. CreateSecretKey – 通訊雙方基于密鑰種子等信息生成通訊密鑰。
步驟 10. ChangeCipherSpec – 客戶(hù)端通知服務(wù)器端已將通訊方式切換到加密模式。
步驟 11. Finished – 客戶(hù)端做好加密通訊的準備。
步驟 12. ChangeCipherSpec – 服務(wù)器端通知客戶(hù)端已將通訊方式切換到加密模式。
步驟 13. Finished – 服務(wù)器做好加密通訊的準備。
步驟 14. Encrypted/DecryptedData – 雙方使用客戶(hù)端密鑰，通過(guò)對稱(chēng)加密算法對通訊內容進(jìn)行加密。
步驟 15. ClosedConnection – 通訊結束后，任何一方發(fā)出斷開(kāi) SSL 連接的消息。
除了以上的基本流程，SSL/TLS 協(xié)議本身還有一些概念需要在此解釋說(shuō)明一下。
Key：Key 是一個(gè)比特（bit）字符串，用來(lái)加密解密數據的，就像是一把開(kāi)鎖的鑰匙。
對稱(chēng)算法（symmetric cryptography）：就是需要雙方使用一樣的 key 來(lái)加密解密消息算法，常用密鑰算法有 Data Encryption Standard（DES）、triple-strength DES（3DES）、Rivest Cipher 2 （RC2）和 Rivest Cipher 4（RC4）。因為對稱(chēng)算法效率相對較高，因此 SSL 會(huì )話(huà)中的敏感數據都用通過(guò)密鑰算法加密。
非對稱(chēng)算法（asymmetric cryptography）：就是 key 的組成是公鑰私鑰對 （key-pair），公鑰傳遞給對方私鑰自己保留。公鑰私鑰算法是互逆的，一個(gè)用來(lái)加密，另一個(gè)可以解密。常用的算法有 Rivest Shamir Adleman（RSA）、Diffie-Hellman（DH）。非對稱(chēng)算法計算量大比較慢，因此僅適用于少量數據加密，如對密鑰加密，而不適合大量數據的通訊加密。
公鑰證書(shū)（public key certificate）：公鑰證書(shū)類(lèi)似數字護照，由受信機構頒發(fā)。受信組織的公鑰證書(shū)就是 certificate authority（CA）。多證書(shū)可以連接成證書(shū)串，第一個(gè)是發(fā)送人，下一個(gè)是給其頒發(fā)證書(shū)實(shí)體，往上到根證書(shū)是世界范圍受信組織，包括 VeriSign, Entrust, 和 GTE CyberTrust。公鑰證書(shū)讓非對稱(chēng)算法的公鑰傳遞更安全，可以避免身份偽造，比如 C 創(chuàng )建了公鑰私鑰，對并冒充 A 將公鑰傳遞給 B，這樣 C 與 B 之間進(jìn)行的通訊會(huì )讓 B 誤認是 A 與 B 之間通訊。
加密哈希功能（Cryptographic Hash Functions）： 加密哈希功能與 checksum 功能相似。不同之處在于，checksum 用來(lái)偵測意外的數據變化而前者用來(lái)偵測故意的數據篡改。數據被哈希后產(chǎn)生一小串比特字符串，微小的數據改變將導致哈希串的變化。發(fā)送加密數據時(shí)，SSL 會(huì )使用加密哈希功能來(lái)確保數據一致性，用來(lái)阻止第三方破壞通訊數據完整性。SSL 常用的哈希算法有 Message Digest 5（MD5）和 Secure Hash Algorithm（SHA）。
消息認證碼（Message Authentication Code）： 消息認證碼與加密哈希功能相似，除了它需要基于密鑰。密鑰信息與加密哈希功能產(chǎn)生的數據結合就是哈希消息認證碼（HMAC）。如果 A 要確保給 B 發(fā)的消息不被 C 篡改，他要按如下步驟做 --A 首先要計算出一個(gè) HMAC 值，將其添加到原始消息后面。用 A 與 B 之間通訊的密鑰加密消息體，然后發(fā)送給 B。B 收到消息后用密鑰解密，然后重新計算出一個(gè) HMAC，來(lái)判斷消息是否在傳輸中被篡改。SSL 用 HMAC 來(lái)保證數據傳輸的安全。
數字簽名（Digital Signature）：一個(gè)消息的加密哈希被創(chuàng )建后，哈希值用發(fā)送者的私鑰加密，加密的結果就是叫做數字簽名。
JSSE（Java Secure Socket Extension）使用介紹
在 Java SDK 中有一個(gè)叫 JSSE（javax.net.ssl）包，這個(gè)包中提供了一些類(lèi)來(lái)建立 SSL/TLS 連接。通過(guò)這些類(lèi)，開(kāi)發(fā)者就可以忽略復雜的協(xié)議建立流程，較為簡(jiǎn)單地在網(wǎng)絡(luò )上建成安全的通訊通道。JSSE 包中主要包括以下一些部分：
- 安全套接字（secure socket）和安全服務(wù)器端套接字
- 非阻塞式 SSL/TLS 數據處理引擎（SSLEngine）
- 套接字創(chuàng )建工廠(chǎng) , 用來(lái)產(chǎn)生 SSL 套接字和服務(wù)器端套接字
- 套接字上下文 , 用來(lái)保存用于創(chuàng )建和數據引擎處理過(guò)程中的信息
- 符合 X.509 規范密碼匙和安全管理接口
下面將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)展示如何通過(guò) JSSE，在客戶(hù)端和服務(wù)器端建立一個(gè) SSL/TLS 連接。設計兩個(gè)類(lèi) SSLClient 和 SSLServer，分別來(lái)表示客戶(hù)端和服務(wù)器端?？蛻?hù)端將會(huì )向服務(wù)器端發(fā)起連接請求，在通過(guò)服務(wù)器端驗證建立 SSL 連接后，服務(wù)器端將會(huì )向客戶(hù)端發(fā)送一串內容，客戶(hù)端將會(huì )把收到的內容打印出來(lái)。樣例代碼如下，
SSLClient Source code：
package example.ssl.codes;
import java.io.*;
import javax.net.ssl.SSLSocket;
import javax.net.ssl.SSLSocketFactory;
class SSLClient {
private SSLSocket socket = null;
public SSLClient() throws IOException {
// 通過(guò)套接字工廠(chǎng)，獲取一個(gè)客戶(hù)端套接字
SSLSocketFactory socketFactory = (SSLSocketFactory)
SSLSocketFactory.getDefault();
socket = (SSLSocket) socketFactory.createSocket("localhost", 7070);
}
public void connect() {
try {
// 獲取客戶(hù)端套接字輸出流
PrintWriter output = new PrintWriter(
new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
// 將用戶(hù)名和密碼通過(guò)輸出流發(fā)送到服務(wù)器端
String userName = "principal";
output.println(userName);
String password = "credential";
output.println(password);
output.flush();
// 獲取客戶(hù)端套接字輸入流
BufferedReader input = new BufferedReader(
new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
// 從輸入流中讀取服務(wù)器端傳送的數據內容，并打印出來(lái)
String response = input.readLine();
response += "n " + input.readLine();
System.out.println(response);
// 關(guān)閉流資源和套接字資源
output.close();
input.close();
socket.close();
} catch (IOException ioException) {
ioException.printStackTrace();
} finally {
System.exit(0);
}
}
public static void main(String args[]) throws IOException {
new SSLClient().connect();
}
}
SSLServer Source code：
package example.ssl.codes;
import java.io.*;
import javax.net.ssl.SSLServerSocket;
import javax.net.ssl.SSLServerSocketFactory;
import javax.net.ssl.SSLSocket;
class SSLServer {
// 服務(wù)器端授權的用戶(hù)名和密碼
private static final String USER_NAME = "principal";
private static final String PASSWORD = "credential";
// 服務(wù)器端保密內容
private static final String SECRET_CONTENT =
"This is confidential content from server X, for your eye!";
private SSLServerSocket serverSocket = null;
public SSLServer() throws Exception {
// 通過(guò)套接字工廠(chǎng)，獲取一個(gè)服務(wù)器端套接字
SSLServerSocketFactory socketFactory = (SSLServerSocketFactory)
SSLServerSocketFactory.getDefault();
serverSocket = (SSLServerSocket)socketFactory.createServerSocket(7070);
}
private void runServer() {
while (true) {
try {
System.out.println("Waiting for connection...");
// 服務(wù)器端套接字進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待來(lái)自客戶(hù)端的連接請求
SSLSocket socket = (SSLSocket) serverSocket.accept();
// 獲取服務(wù)器端套接字輸入流
BufferedReader input = new BufferedReader(
new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
// 從輸入流中讀取客戶(hù)端用戶(hù)名和密碼
String userName = input.readLine();
String password = input.readLine();
// 獲取服務(wù)器端套接字輸出流
PrintWriter output = new PrintWriter(
new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
// 對請求進(jìn)行認證，如果通過(guò)則將保密內容發(fā)送給客戶(hù)端
if (userName.equals(USER_NAME) && password.equals(PASSWORD)) {
output.println("Welcome, " + userName);
output.println(SECRET_CONTENT);
} else {
output.println("Authentication failed, you have no
access to server X...");
}
// 關(guān)閉流資源和套接字資源
output.close();
input.close();
socket.close();
} catch (IOException ioException) {
ioException.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String args[]) throws Exception {
SSLServer server = new SSLServer();
server.runServer();
}
}
SSL 樣例程序：
java -cp ./build/classes example.ssl.codes.SSLServer java -cp ./build/classes example.ssl.codes.SSLClient
執行結果如下：
服務(wù)器端輸出：
Waiting for connection... javax.net.ssl.SSLHandshakeException: no cipher suites in common Waiting for connection... at sun.security.ssl.Alerts.getSSLException(Alerts.java:192) at sun.security.ssl.SSLSocketImpl.fatal(SSLSocketImpl.java:1836) at sun.security.ssl.Handshaker.fatalSE(Handshaker.java:276) at sun.security.ssl.Handshaker.fatalSE(Handshaker.java:266)
客戶(hù)端輸出：
javax.net.ssl.SSLException: Connection has been shutdown:
javax.net.ssl.SSLHandshakeException: Received fatal alert: handshake_failure
at sun.security.ssl.SSLSocketImpl.checkEOF(SSLSocketImpl.java:1426)
at sun.security.ssl.AppInputStream.read(AppInputStream.java:92)
at sun.nio.cs.StreamDecoder.readBytes(StreamDecoder.java:283)
at sun.nio.cs.StreamDecoder.implRead(StreamDecoder.java:325)
at sun.nio.cs.StreamDecoder.read(StreamDecoder.java:177)
at java.io.InputStreamReader.read(InputStreamReader.java:184)
at java.io.BufferedReader.fill(BufferedReader.java:154)
at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:317)
at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:382)
at example.ssl.codes.SSLClient.connect(SSLClient.java:29)
at example.ssl.codes.SSLClient.main(SSLClient.java:44)
Caused by: javax.net.ssl.SSLHandshakeException: Received fatal alert: handshake_failure
at sun.security.ssl.Alerts.getSSLException(Alerts.java:192)
at sun.security.ssl.Alerts.getSSLException(Alerts.java:154)
at sun.security.ssl.SSLSocketImpl.recvAlert(SSLSocketImpl.java:1911)
at sun.security.ssl.SSLSocketImpl.readRecord(SSLSocketImpl.java:1027)
at sun.security.ssl.SSLSocketImpl.performInitialHandshake
(SSLSocketImpl.java:1262)
at sun.security.ssl.SSLSocketImpl.writeRecord(SSLSocketImpl.java:680)
at sun.security.ssl.AppOutputStream.write(AppOutputStream.java:85)
at sun.nio.cs.StreamEncoder.writeBytes(StreamEncoder.java:221)
at sun.nio.cs.StreamEncoder.implFlushBuffer(StreamEncoder.java:291)
at sun.nio.cs.StreamEncoder.implFlush(StreamEncoder.java:295)
at sun.nio.cs.StreamEncoder.flush(StreamEncoder.java:141)
at java.io.OutputStreamWriter.flush(OutputStreamWriter.java:229)
at java.io.PrintWriter.flush(PrintWriter.java:320)
at example.ssl.codes.SSLClient.connect(SSLClient.java:25)
... 1 more
通過(guò)程序的錯誤輸出，我們能夠發(fā)現 SSL 建立失敗了，在握手階段雙方?jīng)]有能夠協(xié)商出加密方法等信息。這是因為默認情況下，java 虛擬機沒(méi)有與 SSL 相關(guān)的配置，需要開(kāi)發(fā)者自己按照文檔進(jìn)行一些配置。在 JDK 中提供了一個(gè)安全鑰匙與證書(shū)的管理工具 Keytool。Keytool 把鑰匙，證書(shū)以及和與它們相關(guān)聯(lián)的證書(shū)鏈儲存到一個(gè) keystore 中，默任的實(shí)現 keystore 的是一個(gè)文件，它本身有一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)密碼來(lái)保護存儲在其中的內容。就本樣例程序而言，只需要配置客戶(hù)端和服務(wù)器端雙方信任就可以了?？梢园凑杖缦聨撞絹?lái)完成：
1. 進(jìn)入本地的 java 安裝位置的 bin 目錄中 cd /java/bin
2. 創(chuàng )建一個(gè)客戶(hù)端 keystore 文件，如圖 2 所示
keytool -genkey -alias sslclient -keystore sslclientkeys
圖 2. 創(chuàng )建 keystore 文件
3. 將客戶(hù)端 keystore 文件導出成證書(shū)格式
keytool -export -alias sslclient -keystore sslclientkeys -file sslclient.cer
4. 創(chuàng )建一個(gè)服務(wù)器端 keystore 文件
keytool -genkey -alias sslserver -keystore sslserverkeys
5. 將服務(wù)器端 keystore 文件導出成證書(shū)格式
keytool -export -alias sslserver -keystore sslserverkeys -file sslserver.cer
6. 將客戶(hù)端證書(shū)導入到服務(wù)器端受信任的 keystore 中
keytool -import -alias sslclient -keystore sslservertrust -file sslclient.cer
7. 將服務(wù)器端證書(shū)導入到客戶(hù)端受信任的 keystore 中
keytool -import -alias sslserver -keystore sslclienttrust -file sslserver.cer
以上所有步驟都完成后，還可以通過(guò)命令來(lái)查看 keystore 文件基本信息，如圖 3 所示
keytool -list -keystore sslclienttrust
圖 3. 查看 keystore 文件
將前面創(chuàng )建的所有 keystore 文件從 java 的 bin 目錄中剪切出來(lái)，移動(dòng)到樣例程序的執行目錄中，通過(guò)運行程序時(shí)候的系統屬性來(lái)指定這些文件，重新執行一遍樣例程序。
java -cp ./build/classes
-Djavax.net.ssl.keyStore=sslserverkeys
-Djavax.net.ssl.keyStorePassword=123456
-Djavax.net.ssl.trustStore=sslservertrust
-Djavax.net.ssl.trustStorePassword=123456
example.ssl.codes.SSLServer
java -cp ./build/classes
-Djavax.net.ssl.keyStore=sslclientkeys
-Djavax.net.ssl.keyStorePassword=123456
-Djavax.net.ssl.trustStore=sslclienttrust
-Djavax.net.ssl.trustStorePassword=123456
example.ssl.codes.SSLClient
執行結果如下：
客戶(hù)端輸出
Welcome, principal This is confidential content from server X, for your eye!
客戶(hù)端與服務(wù)器端成功建立起 SSL 的連接，然后服務(wù)器端成功將字符串發(fā)送給客戶(hù)端，客戶(hù)端將其打印出來(lái)。