SSL介绍与Java实例

 

有关SSL的原理和介绍在网上已经有不少，对于Java下使用keytool生成证书，配置SSL通信的教程也非常多。但如果我们不能够亲自动手做一个SSL Sever和SSL Client，可能就永远也不能深入地理解Java环境下，SSL的通信是如何实现的。对SSL中的各种概念的认识也可能会仅限于可以使用的程度。本文通过构造一个简单的SSL Server和SSL Client来讲解Java环境下SSL的通信原理。

首先我们先回顾一下常规的Java Socket编程。在Java下写一个Socket服务器和客户端的例子还是比较简单的。以下是服务端的代码：

01 package org.bluedash.tryssl;
02
03 import java.io.BufferedReader;
04 import java.io.IOException;
05 import java.io.InputStreamReader;
06 import java.io.PrintWriter;
07 import java.net.ServerSocket;
08 import java.net.Socket;
09
10 public class Server extends Thread {
11     private Socket socket;
12
13     public Server(Socket socket) {
14         this.socket = socket;
15     }
16
17     public void run() {
18         try {
19             BufferedReader reader = new BufferedReader(newInputStreamReader (socket.getInputStream()));
20             PrintWriter writer = newPrintWriter(socket.getOutputStream());
21
22             String data = reader.readLine();
23             writer.println(data);
24             writer.close();
25             socket.close();
26         } catch (IOException e) {
27
28         }
29     }
30
31     public static void main(String[] args) throws Exception {
32         while (true) {
33             new Server((newServerSocket(8080)).accept()).start();
34         }
35     }
36 }

服务端很简单：侦听8080端口，并把客户端发来的字符串返回去。下面是客户端的代码：

01 package org.bluedash.tryssl;
02
03 import java.io.BufferedReader;
04 import java.io.InputStreamReader;
05 import java.io.PrintWriter;
06 import java.net.Socket;
07
08 public class Client {
09
10     public static void main(String[] args) throws Exception {
11
12         Socket s = new Socket("localhost", 8080);
13
14         PrintWriter writer = newPrintWriter(s.getOutputStream());
15         BufferedReader reader = new BufferedReader(newInputStreamReader(s.getInputStream()));
16         writer.println("hello");
17         writer.flush();
18         System.out.println(reader.readLine());
19         s.close();
20     }
21
22 }

客户端也非常简单：向服务端发起请求，发送一个"hello"字串，然后获得服务端的返回。把服务端运行起来后，执行客户端，我们将得到"hello"的返回。

就是这样一套简单的网络通信的代码，我们来把它改造成使用SSL通信。在SSL通信协议中，我们都知道首先服务端必须有一个数字证书，当客户端连接到服务端时，会得到这个证书，然后客户端会判断这个证书是否是可信的，如果是，则交换信道加密密钥，进行通信。如果不信任这个证书，则连接失败。

因此，我们首先要为服务端生成一个数字证书。Java环境下，数字证书是用keytool生成的，这些证书被存储在store的概念中，就是证书仓库。我们来调用keytool命令为服务端生成数字证书和保存它使用的证书仓库：

1 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

这样，我们就将服务端证书bluedash-ssl-demo-server保存在了server_ksy这个store文件当中。有关keytool的用法在本文中就不再多赘述。执行上面的命令得到如下结果：

1 Generating 1,024 bit RSA key pair and self-signed certificate (SHA1withRSA) with a validity of 90 days
2         for: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
3 [Storing ./server_ks]

然后，改造我们的服务端代码，让服务端使用这个证书，并提供SSL通信：

01 package org.bluedash.tryssl;
02
03 import java.io.BufferedReader;
04 import java.io.FileInputStream;
05 import java.io.IOException;
06 import java.io.InputStreamReader;
07 import java.io.PrintWriter;
08 import java.net.ServerSocket;
09 import java.net.Socket;
10 import java.security.KeyStore;
11
12 import javax.net.ServerSocketFactory;
13 import javax.net.ssl.KeyManagerFactory;
14 import javax.net.ssl.SSLContext;
15 import javax.net.ssl.SSLServerSocket;
16
17 public class SSLServer extends Thread {
18     private Socket socket;
19
20     public SSLServer(Socket socket) {
21         this.socket = socket;
22     }
23
24     public void run() {
25         try {
26             BufferedReader reader = new BufferedReader(newInputStreamReader (socket.getInputStream()));
27             PrintWriter writer = newPrintWriter(socket.getOutputStream());
28
29             String data = reader.readLine();
30             writer.println(data);
31             writer.close();
32             socket.close();
33         } catch (IOException e) {
34
35         }
36     }
37
38     private static String SERVER_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/server_ks";
39     private static String SERVER_KEY_STORE_PASSWORD ="123123";
40
41     public static void main(String[] args) throws Exception {
42         System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", SERVER_KEY_STORE);
43         SSLContext context = SSLContext.getInstance("TLS");
44
45         KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks");
46         ks.load(new FileInputStream(SERVER_KEY_STORE), null);
47         KeyManagerFactory kf = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");
48         kf.init(ks, SERVER_KEY_STORE_PASSWORD.toCharArray());
49
50         context.init(kf.getKeyManagers(), null, null);
51
52         ServerSocketFactory factory = context.getServerSocketFactory();
53         ServerSocket _socket = factory.createServerSocket(8443);
54         ((SSLServerSocket) _socket).setNeedClientAuth(false);
55
56         while (true) {
57             new SSLServer(_socket.accept()).start();
58         }
59     }
60 }

可以看到，服务端的Socket准备设置工作大大增加了，增加的代码的作用主要是将证书导入并进行使用。此外，所使用的Socket变成了SSLServerSocket，另外端口改到了8443（这个不是强制的，仅仅是为了遵守习惯）。另外，最重要的一点，服务端证书里面的CN一定和服务端的域名统一，我们的证书服务的域名是localhost，那么我们的客户端在连接服务端时一定也要用localhost来连接，否则根据SSL协议标准，域名与证书的CN不匹配，说明这个证书是不安全的，通信将无法正常运行。

有了服务端，我们原来的客户端就不能使用了，必须要走SSL协议。由于服务端的证书是我们自己生成的，没有任何受信任机构的签名，所以客户端是无法验证服务端证书的有效性的，通信必然会失败。所以我们需要为客户端创建一个保存所有信任证书的仓库，然后把服务端证书导进这个仓库。这样，当客户端连接服务端时，会发现服务端的证书在自己的信任列表中，就可以正常通信了。

因此现在我们要做的是生成一个客户端的证书仓库，因为keytool不能仅生成一个空白仓库，所以和服务端一样，我们还是生成一个证书加一个仓库（客户端证书加仓库）：

1 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

结果如下：

1 Generating 1,024 bit RSA key pair and self-signed certificate (SHA1withRSA) with a validity of 90 days
2         for: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
3 [Storing ./client_ks]

接下来，我们要把服务端的证书导出来，并导入到客户端的仓库。第一步是导出服务端的证书：

1 keytool -export -alias bluedash-ssl-demo-server -keystore ./server_ks -file server_key.cer

执行结果如下：

1 Enter keystore password:  server
2 Certificate stored in file <server_key.cer>

然后是把导出的证书导入到客户端证书仓库：

1 keytool -import -trustcacerts -alias bluedash-ssl-demo-server -file ./server_key.cer -keystore ./client_ks

结果如下：

01 Enter keystore password:  client
02 Owner: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
03 Issuer: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
04 Serial number: 4c57c7de
05 Valid from: Tue Aug 03 15:40:14 CST 2010 until: Mon Nov 01 15:40:14 CST 2010
06 Certificate fingerprints:
07          MD5:  FC:D4:8B:36:3F:1B:30:EA:6D:63:55:4F:C7:68:3B:0C
08          SHA1: E1:54:2F:7C:1A:50:F5:74:AA:63:1E:F9:CC:B1:1C:73:AA:34:8A:C4
09          Signature algorithm name: SHA1withRSA
10          Version: 3
11 Trust this certificate? [no]:  yes
12 Certificate was added to keystore

好，准备工作做完了，我们来撰写客户端的代码：

01 package org.bluedash.tryssl;
02
03 import java.io.BufferedReader;
04 import java.io.InputStreamReader;
05 import java.io.PrintWriter;
06 import java.net.Socket;
07
08 import javax.net.SocketFactory;
09 import javax.net.ssl.SSLSocketFactory;
10
11 public class SSLClient {
12
13     private static String CLIENT_KEY_STORE ="/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/client_ks";
14
15     public static void main(String[] args) throws Exception {
16         // Set the key store to use for validating the server cert.
17         System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", CLIENT_KEY_STORE);
18
19         System.setProperty("javax.net.debug","ssl,handshake");
20
21         SSLClient client = new SSLClient();
22         Socket s = client.clientWithoutCert();
23
24         PrintWriter writer = newPrintWriter(s.getOutputStream());
25         BufferedReader reader = new BufferedReader(newInputStreamReader(s
26                 .getInputStream()));
27         writer.println("hello");
28         writer.flush();
29         System.out.println(reader.readLine());
30         s.close();
31     }
32
33     private Socket clientWithoutCert() throws Exception {
34         SocketFactory sf = SSLSocketFactory.getDefault();
35         Socket s = sf.createSocket("localhost", 8443);
36         return s;
37     }
38 }

可以看到，除了把一些类变成SSL通信类以外，客户端也多出了使用信任证书仓库的代码。以上，我们便完成了SSL单向握手通信。即：客户端验证服务端的证书，服务端不认证客户端的证书。

以上便是Java环境下SSL单向握手的全过程。因为我们在客户端设置了日志输出级别为DEBUG：

1 System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake");

因此我们可以看到SSL通信的全过程，这些日志可以帮助我们更具体地了解通过SSL协议建立网络连接时的全过程。

结合日志，我们来看一下SSL双向认证的全过程：

 第一步: 客户端发送ClientHello消息，发起SSL连接请求，告诉服务器自己支持的SSL选项（加密方式等）。

1 *** ClientHello, TLSv1

第二步: 服务器响应请求，回复ServerHello消息，和客户端确认SSL加密方式：

1 *** ServerHello, TLSv1

第三步: 服务端向客户端发布自己的公钥。

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：

1 *** 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：

1 *** 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：

1 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：

1 *** Finished

第八步：服务端确认算法变更，返回ChangeCipherSpec消息

1 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：

1 *** 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：

1 ((SSLServerSocket) _socket).setNeedClientAuth(false);

改成：

1 ((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：

1 keytool -export -alias bluedash-ssl-demo-client -keystore ./client_ks -file client_key.cer
2 Enter keystore password:  client
3 Certificate stored in file <client_key.cer>

01 keytool -import -trustcacerts -alias bluedash-ssl-demo-client -file ./client_key.cer -keystore ./server_ks
02 Enter keystore password:  server
03 Owner: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
04 Issuer: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
05 Serial number: 4c57c80b
06 Valid from: Tue Aug 03 15:40:59 CST 2010 until: Mon Nov 01 15:40:59 CST 2010
07 Certificate fingerprints:
08          MD5:  DB:91:F4:1E:65:D1:81:F2:1E:A6:A3:55:3F:E8:12:79
09          SHA1: BF:77:56:61:04:DD:95:FC:E5:84:48:5C:BE:60:AF:02:96:A2:E1:E2
10          Signature algorithm name: SHA1withRSA
11          Version: 3
12 Trust this certificate? [no]:  yes
13 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：

01 package org.bluedash.tryssl;
02
03 import java.io.BufferedReader;
04 import java.io.FileInputStream;
05 import java.io.InputStreamReader;
06 import java.io.PrintWriter;
07 import java.net.Socket;
08 import java.security.KeyStore;
09 import javax.net.SocketFactory;
10 import javax.net.ssl.KeyManagerFactory;
11 import javax.net.ssl.SSLContext;
12 import javax.net.ssl.SSLSocketFactory;
13
14 public class SSLClient {
15     private static String CLIENT_KEY_STORE ="/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/client_ks";
16     private static String CLIENT_KEY_STORE_PASSWORD ="456456";
17
18     public static void main(String[] args) throws Exception {
19         // Set the key store to use for validating the server cert.
20         System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", CLIENT_KEY_STORE);
21         System.setProperty("javax.net.debug","ssl,handshake");
22         SSLClient client = new SSLClient();
23         Socket s = client.clientWithCert();
24
25         PrintWriter writer = newPrintWriter(s.getOutputStream());
26         BufferedReader reader = new BufferedReader(newInputStreamReader(s.getInputStream()));
27         writer.println("hello");
28         writer.flush();
29         System.out.println(reader.readLine());
30         s.close();
31     }
32
33     private Socket clientWithoutCert() throws Exception {
34         SocketFactory sf = SSLSocketFactory.getDefault();
35         Socket s = sf.createSocket("localhost", 8443);
36         return s;
37     }
38
39     private Socket clientWithCert() throws Exception {
40         SSLContext context = SSLContext.getInstance("TLS");
41         KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks");
42
43         ks.load(new FileInputStream(CLIENT_KEY_STORE), null);
44         KeyManagerFactory kf = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");
45         kf.init(ks, CLIENT_KEY_STORE_PASSWORD.toCharArray());
46         context.init(kf.getKeyManagers(), null, null);
47
48         SocketFactory factory = context.getSocketFactory();
49         Socket s = factory.createSocket("localhost", 8443);
50         return s;
51     }
52 }

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：

1 *** CertificateRequest
2 Cert Types: RSA, DSS
3 Cert Authorities:
4 <CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn>
5 <CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn>
6 *** ServerHelloDone

1 *** CertificateVerify
2 main, WRITE: TLSv1 Handshake, length = 134
3 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：

 

 参考资料：

¹ Tomcat双向SSL认证的配置

² Understanding SSL

³ Change Cipher Spec Protocol

⁴ SSL & TLS Essentials: Securing the Web