iOS 中使用自签名证书实现 HTTPS 双向认证

最近项目中，需要使用自签名的 HTTPS 证书实现双向认证。网上的资料很多，但是存在各种各样的问题，与 iOS 版本、ATS 配置 等多方面因素有关。弄好之后先整一份记下来。完整的内容涉及到的内容比较多，还是要全面查阅文档，本文只记录最终的结果，和部分遇到的问题。
　　本文中的代码，在 iOS 8.x 和 iOS 9.x 的模拟器中测试通过，iOS 10.x 模拟器和真机中测试通过。

一、背景知识

对于 HTTPS 认证，不管是单向还是双向，在客户端连接到服务端时，会触发客户端的 Authroization Challenge（没找到太合适的翻译，暂且理解为授权质询）回调，在处理 Authroization Challenge 之后，得到两个值：（不知道怎么翻译，随便写下）

• NSURLSessionAuthChallengeDisposition 处置方式
  • NSURLSessionAuthChallengeUseCredential
    使用指定的凭证，凭证可能为空
  • NSURLSessionAuthChallengePerformDefaultHandling
    忽略凭证，使用默认的质询处理器
  • NSURLSessionAuthChallengeCancelAuthenticationChallenge
    整个请求将被取消; 凭证参数被忽略。
  • NSURLSessionAuthChallengeRejectProtectionSpace
    这个挑战被拒绝，并且应该尝试下一个 Authentication Protection Space；凭证参数被忽略。
• NSURLCredential * 凭证
  可以根据回调时传入的信息，自己调用相关 API 获取凭证，也可以自己伪造

将得到的两个值，作为回调函数的结果回传给系统，以完成 Authroization Challenge。

以上过程仅是对 iOS 认证过程的分析，不过个人认为，网络模型是一致的，在不同技术中即便在实现细节上有所差异，但总体思路还是大同小异的。

二、服务端认证

对于采用通过 CA 购买的正式证书，只要没有特别要求，手机端不需要对 Authroization Challenge 做任何处理，就可以直接连接。
　　如果是自签名证书，就需要做一些处理工作。iOS 8 及其之前的版本比较简单，而且目前 iOS 8 在市面上的保有量已经很少，不做细致讨论。iOS 9+ 之后引入了 ATS，带来的问题比较多所以从代码到配置上都要做相应调整。

1、白名单方式

步骤一（修改配置 Info.plist）：

（1）针对域名配置

修改 Info.plist，将要访问的域名配置为 NSExceptionAllowsInsecureHTTPLoads，允许不安全的 HTTP 访问：

    NSAppTransportSecurity
    
        NSExceptionDomains
        
            yourdomain.com
            
                NSIncludesSubdomains
                
                NSExceptionAllowsInsecureHTTPLoads
                
            
        
    

这里对于域名的配置，类似是个白名单的方式，在白名单中的域名，配置为允许不安全的 HTTPS 连接。不安全的证书原因很多，常见的可能是如下原因导致的：

• 其根证书不被操作系统信任，如：自签证书
• 证书过期或被吊销
• 证书域名与实际域名不匹配

　　配置中的 NSIncludesSubdomains 部分，建议把域名写为顶级域名，然后把 NSIncludesSubdomains 置 为 true 来包含子域名。
　　如果是特定的完整域名，如：www.yourdomain.com 则把 NSIncludesSubdomains 置 为 false。后面的说法，几次验证的效果不同。
如果没有特别要求，建议使用第一种做法，写一级域名，然后包含其子域。

（2）最简单粗暴的方法

    NSAppTransportSecurity
    
        NSAllowsArbitraryLoads
        
    

这种方式：

• 允许非安全的 HTTP 请求，iOS 9+ 默认是不允许 HTTP 连接的
• 对于所有域名都可以使用自签名证书，不再需要逐个指定域名

步骤二（修改代码）：

修改代码：

// 安全策略
// 同浏览器行为，以操作系统规则对服务器证书
AFSecurityPolicy *policy = [AFSecurityPolicy policyWithPinningMode:AFSSLPinningModeNone];
// 不校验域名，如果需要校验域名，需要采用内置证书的方式
policy.validatesDomainName = NO;
// 允许无效证书
policy.allowInvalidCertificates = YES;

// 为 SessionManager 配置安全策略
AFHTTPSessionManager *mgr = [AFHTTPSessionManager manager];
mgr.securityPolicy = policy;

// 重要！！！设置缓存策略，避免缓存
// AFNetworking 的 GET 方法缓存非常明显，一旦成功一次，后面就会直接使用缓存的结果，即便网络访问失败，也能返回成功数据，会对判断造成误导，所以一定要加上这一句！！！
[mgr.requestSerializer setValue:@"no-cache" forHTTPHeaderField:@"Cache-Control"];
// 发送请求
[mgr GET:...];

重要：
　　白名单方式最简单，但是这样做只建立安全连接，但不会对服务端证书做校验，比如：不会校验证书与域名的一致性。这样做的问题是无法防御“中间人攻击”。

2、内置证书方式

（1）基本实现

白名单的方案不够安全，更为安全的做法：采用内置证书的方式，将用于校验的证书内置在客户端，不信任除此之外的证书。内置的证书，可以是服务端证书，或者是用于颁发服务端证书的 CA 的证书。具体要看证书具体的签发方式。
　　内置的方式，是将证书转为 DER 格式，然后以 .cer 为扩展名，作为资源放到工程中，AFNetworking 就可以自动识别了。
　　同时，代码要做如下调整：

// 安全策略
// 改为 AFSSLPinningModeCertificate
AFSecurityPolicy *policy = [AFSecurityPolicy policyWithPinningMode:AFSSLPinningModeCertificate];
// 指定验证域名。如果访问的域名与证书域名不一致，则不能通过
// 如果需要做域名校验，必须使用 Pinned 方式。白名单方式，不集成证书，无法校验域名
policy.validatesDomainName = YES;
// 对于自签证书，使用这个选项
policy.allowInvalidCertificates = YES;
// cerData1、cerData2 为 NSData，内容为 DER 格式证书
// 证书可以是 CA 证书，也可以是服务端部署的证书，这一步可选，AFN 可以自动识别
policy.pinnedCertificates = [NSSet setWithObjects:cerData1, cerData2, nil];


// 为 SessionManager 配置安全策略
AFHTTPSessionManager *mgr = [AFHTTPSessionManager manager];
mgr.securityPolicy = policy;

[mgr.requestSerializer setValue:@"no-cache" forHTTPHeaderField:@"Cache-Control"];
// 发送请求
[mgr GET:...];

☆☆☆ 默认校验规则

上面说的两种方式，实际上都是使用了 AFNetworking 的默认校验规则，并且根据默认规则做了个简单实现。其规则是这样的：
AFNetworking 的 AFSecurityPolicy 类有如下方法：

- (BOOL)evaluateServerTrust:(SecTrustRef)serverTrust forDomain:(NSString *)domain

涉及到三个因素：

• securityPolicy.allowInvalidCertificates 是否允许无效证书，个人理解这里所说的无效证书，是指类似浏览器校验行为，操作系统不认的证书
• securityPolicy.validatesDomainName 校验域名
• securityPolicy.SSLPinningMode PinningMode

表面看来有如下规律：

• 如果要使用自签名证书，必须指定 allowInvalidCertificates = YES;，否则不能通过；
• 如果 allowInvalidCertificates == YES 并且 SSLPinningMode == AFSSLPinningModeNone，就是说只校验服务端证书，不管客户端内置证书，并指定为允许无效证书，则可以通过；
• SSLPinningMode == AFSSLPinningModeCertificate 或 AFSSLPinningModePublicKey 则看本地内置证书与服务端证书是否匹配
• 使用了 AFSSLPinningModeCertificate 或 AFSSLPinningModePublicKey，会导致客户端没有内置证书的网站都不能访问，如：https://www.baidu.com

默认校验规则总结：
先约定个几个名词：

正规证书 <=> 操作系统认可 and (域名一致 or 不校验域名)
有效证书 <=> 正规证书 or 允许非正规证书
无效证书 <=> 操作系统不认可 and 不允许非正规证书

• 先检查 SSLPinningMode，如果为 AFSSLPinningModeNone，检查证书是否为有效证书即为校验结果；
• 如果 SSLPinningMode 为 AFSSLPinningModeCertificate 或 AFSSLPinningModePublicKey，检查证书，如果为无效证书，校验结果不通过；如果为有效证书，后续则根据本地集成证书与服务端证书一起校验结果，作为最终校验结果。
• validatesDomainName，只是判定因素之一，虽然影响整体校验结果，但不影响校验逻辑。如：虽然证书合法，指定做域名校验，但是证书域名与访问域名不一致，结果是不通过。

这部分的校验，可以参见官方文档：Overriding TLS Chain Validation Correctly

（2）个性化处理：指定身份验证质询回调块

对于“标准场景”，达到可访问的目的，没有额外要求，上述代码已经可以了。但是对于需要额外处理的场景，如：失败的时候给出对应提示，需要使用如下方法，来指定用于处理授权质询的回调块：

// AFURLSessionManager 类
// 指定用于处理 身份验证质询 的回调块
– setSessionDidReceiveAuthenticationChallengeBlock:

这部分的实现详情可以参见 AFNetworking 中 AFURLSessionManager.m 文件里如下方法：

// AFURLSessionManager.m
// 处理身份验证质询
- URLSession:didReceiveChallenge:completionHandler:

在这个方法中，会先查看用户是否指定了自己的回调块，如果指定了就执行用户自己的回调块，否则执行默认实现。编写自己的回调方法时，可以参考默认实现。

注意：默认实现中，只实现了服务端验证。对于客户端验证部分，只做了如下处理：

*credential = nil;
disposition = NSURLSessionAuthChallengePerformDefaultHandling;

如果要做客户端认证，重写这部分代码即可，后文中会提到。

调试注意事项：

测试时有一点需要注意，如果使用 GET 方法，应保证每次都真实发送了请求，而不是使用缓存，避免影响测试效果。坑啊！

• （推荐）客户端处理：Request 的 Header 中，指定 Cache-Control 为 no-cache
• 处理 URL：为 URL 增加时间戳
• 服务端处理：Response 的 Header 中，指定 Cache-Control 为 no-cache
• iOS 端设置：指定缓存策略（不推荐）

3、UIWebView

（1）使用 AFNetworking

AFNetworking 提供了 UIWebView+AFNetworking Category，可以通过这个分类为 UIWebView 指定 sessionManager，并调用新增加的 - loadRequest:MIMEType:textEncodingName:progress:success:failure: 方法来进行加载。但是在 Cordova 这样的组件中，还会使用 UIWebView 默认的 - loadRequest: 方法，可以配合 Method Swizzling 解决该问题。不过这样的话还是有个问题，会导致 UIWebView 的历史丢失，无法执行“返回”操作，原因是没有使用 UIWebView 自己的方法去访问。

（2）使用 NSURLProtocol

目前对于网络认证相关的处理，效果最好、侵入性最小、对已有代码逻辑影响最小的，是 NSURLProtocol 方式。这里有个用于使 UIWebView 支持客户端认证的插件，对于服务端认证一样有效，参见 https://github.com/mwaylabs/cordova-plugin-client-certificate。
　　题外话，NSURLProtocol 对于很多特定场景来说更为有效。比如：曾经有项目使用了 HTTP Basic Authorization 认证。如果不使用 NSURLProtocol 的方案，可能会导致以下两种情况不能通过认证：

• 302 引发的跳转不能自动带上认证信息
• Web 页面上的 、