SSL介绍与Java实例

源：http://www.iteye.com/topic/1125183
评：原帖 有相关 单向认证 跟双向认证 讨论
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：

Java代码  收藏代码

    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(); 
            } 
        } 
    } 



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：

Java代码  收藏代码

    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(); 
        } 
     
    } 



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：

Bash代码  收藏代码

    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：

Bash代码  收藏代码

    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：

Java代码  收藏代码

    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）：

Bash代码  收藏代码

    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：

Bash代码  收藏代码

    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：

Bash代码  收藏代码

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



执行结果如下：

Bash代码  收藏代码

    Enter keystore password:  server 
    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：

Bash代码  收藏代码

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



结果如下：

Bash代码  收藏代码

    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，准备工作做完了，我们来撰写客户端的代码：

Java代码  收藏代码

    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：

Java代码  收藏代码

    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）。

Bash代码  收藏代码

    *** 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：

Bash代码  收藏代码

    *** 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：

Bash代码  收藏代码

    *** 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：

Bash代码  收藏代码

    *** 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：

Bash代码  收藏代码

    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：

Bash代码  收藏代码

    *** Finished 



第八步：服务端确认算法变更，返回ChangeCipherSpec消息

Bash代码  收藏代码

    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：

Bash代码  收藏代码

    *** 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：

Java代码  收藏代码

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



改成：

Java代码  收藏代码

    ((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：

Bash代码  收藏代码

    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> 



Bash代码  收藏代码

    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：

Java代码  收藏代码

    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：

Bash代码  收藏代码

    *** 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 



Bash代码  收藏代码

    *** 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：



参考资料：

fn1. Tomcat双向SSL认证的配置 - http://www.javaeedev.com/blog/article.jspx?articleId=ff808081198fb524011993a9bb7a029a

fn2. Understanding SSL - http://developerspoint.wordpress.com/2008/06/21/understanding-ssl/

fn3. Change Cipher Spec Protocol - http://www.pierobon.org/ssl/ch2/ccs.htm

fn4. SSL & TLS Essentials: Securing the Web - http://www.amazon.com/SSL-TLS-Essentials-Securing-Web/dp/0471383546/ref=sr_1_1?ie=UTF8&s=books&qid=1280891641&sr=8-1