java实现ssl单/双向认证通信[推荐]

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  

  1. package org.bluedash.tryssl;
  2. import java.io.BufferedReader;
  3. import java.io.IOException;
  4. import java.io.InputStreamReader;
  5. import java.io.PrintWriter;
  6. import java.net.ServerSocket;
  7. import java.net.Socket;
  8. public class Server extends Thread {
  9. private Socket socket;
  10. public Server(Socket socket) {
  11. this.socket = socket;
  12. }
  13. public void run() {
  14. try {
  15. BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
  16. PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
  17. String data = reader.readLine();
  18. writer.println(data);
  19. writer.close();
  20. socket.close();
  21. } catch (IOException e) {
  22. }
  23. }
  24. public static void main(String[] args) throws Exception {
  25. while (true) {
  26. new Server((new ServerSocket(8080)).accept()).start();
  27. }
  28. }
  29. }

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  

  1. package org.bluedash.tryssl;
  2. import java.io.BufferedReader;
  3. import java.io.InputStreamReader;
  4. import java.io.PrintWriter;
  5. import java.net.Socket;
  6. public class Client {
  7. public static void main(String[] args) throws Exception {
  8. Socket s = new Socket("localhost", 8080);
  9. PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream());
  10. BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
  11. writer.println("hello");
  12. writer.flush();
  13. System.out.println(reader.readLine());
  14. s.close();
  15. }
  16. }

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  

  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：

Bash代码  

  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：

Java代码  

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

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  

  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：

Bash代码  

  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：

Bash代码  

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

执行结果如下：

Bash代码  

  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：

Bash代码  

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

结果如下：

Bash代码  

  1. Enter keystore password:  client
  2. Owner: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
  3. Issuer: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
  4. Serial number: 4c57c7de
  5. Valid from: Tue Aug 03 15:40:14 CST 2010 until: Mon Nov 01 15:40:14 CST 2010
  6. Certificate fingerprints:
  7. MD5:  FC:D4:8B:36:3F:1B:30:EA:6D:63:55:4F:C7:68:3B:0C
  8. SHA1: E1:54:2F:7C:1A:50:F5:74:AA:63:1E:F9:CC:B1:1C:73:AA:34:8A:C4
  9. 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：

Java代码  

  1. package org.bluedash.tryssl;
  2. import java.io.BufferedReader;
  3. import java.io.InputStreamReader;
  4. import java.io.PrintWriter;
  5. import java.net.Socket;
  6. import javax.net.SocketFactory;
  7. import javax.net.ssl.SSLSocketFactory;
  8. public class SSLClient {
  9. private static String CLIENT_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/client_ks";
  10. public static void main(String[] args) throws Exception {
  11. // Set the key store to use for validating the server cert.
  12. System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", CLIENT_KEY_STORE);
  13. System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake");
  14. SSLClient client = new SSLClient();
  15. Socket s = client.clientWithoutCert();
  16. PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream());
  17. BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s
  18. .getInputStream()));
  19. writer.println("hello");
  20. writer.flush();
  21. System.out.println(reader.readLine());
  22. s.close();
  23. }
  24. private Socket clientWithoutCert() throws Exception {
  25. SocketFactory sf = SSLSocketFactory.getDefault();
  26. Socket s = sf.createSocket("localhost", 8443);
  27. return s;
  28. }
  29. }

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  

  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）。

Bash代码  

  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：

Bash代码  

  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：

Bash代码  

  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：

Bash代码  

  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：

Bash代码  

  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：

Bash代码  

  1. *** Finished

第八步：服务端确认算法变更，返回ChangeCipherSpec消息

Bash代码  

  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：

Bash代码  

  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：

Java代码  

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

改成：

Java代码  

  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：

Bash代码  

  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>

Bash代码  

  1. keytool -import -trustcacerts -alias bluedash-ssl-demo-client -file ./client_key.cer -keystore ./server_ks
  2. Enter keystore password:  server
  3. Owner: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
  4. Issuer: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
  5. Serial number: 4c57c80b
  6. Valid from: Tue Aug 03 15:40:59 CST 2010 until: Mon Nov 01 15:40:59 CST 2010
  7. Certificate fingerprints:
  8. MD5:  DB:91:F4:1E:65:D1:81:F2:1E:A6:A3:55:3F:E8:12:79
  9. 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：

Java代码  

  1. package org.bluedash.tryssl;
  2. import java.io.BufferedReader;
  3. import java.io.FileInputStream;
  4. import java.io.InputStreamReader;
  5. import java.io.PrintWriter;
  6. import java.net.Socket;
  7. import java.security.KeyStore;
  8. import javax.net.SocketFactory;
  9. import javax.net.ssl.KeyManagerFactory;
  10. import javax.net.ssl.SSLContext;
  11. import javax.net.ssl.SSLSocketFactory;
  12. public class SSLClient {
  13. private static String CLIENT_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/client_ks";
  14. private static String CLIENT_KEY_STORE_PASSWORD = "456456";
  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. System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake");
  19. SSLClient client = new SSLClient();
  20. Socket s = client.clientWithCert();
  21. PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream());
  22. BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
  23. writer.println("hello");
  24. writer.flush();
  25. System.out.println(reader.readLine());
  26. s.close();
  27. }
  28. private Socket clientWithoutCert() throws Exception {
  29. SocketFactory sf = SSLSocketFactory.getDefault();
  30. Socket s = sf.createSocket("localhost", 8443);
  31. return s;
  32. }
  33. private Socket clientWithCert() throws Exception {
  34. SSLContext context = SSLContext.getInstance("TLS");
  35. KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks");
  36. ks.load(new FileInputStream(CLIENT_KEY_STORE), null);
  37. KeyManagerFactory kf = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");
  38. kf.init(ks, CLIENT_KEY_STORE_PASSWORD.toCharArray());
  39. context.init(kf.getKeyManagers(), null, null);
  40. SocketFactory factory = context.getSocketFactory();
  41. Socket s = factory.createSocket("localhost", 8443);
  42. return s;
  43. }
  44. }

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  

  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

Bash代码  

  1. *** CertificateVerify
  2. main, WRITE: TLSv1 Handshake, length = 134
  3. main, WRITE: TLSv1 Change Cipher Spec, length = 1

在 @*** [email protected] 之前，服务端向客户端发起了需要证书的请求 @*** [email protected] 。

在客户端向服务端发出 @Change Cipher [email protected] 请求之前，多了一步客户端证书认证的过程 @*** [email protected] 。

客户端与服务端互相认证证书的情景，可参考下图：

总结：

客户端和服务端通过ssl通信时，有两种方式：

1.服务端生成了一个keystore文件，这个文件中包含了自己的私钥和公钥，服务端以这个jks文件启动后。客户端可以也使用这个jks访问，就可以访问成功。

2.另一个方法是服务端生成了一个jks文件，然后用export选项导出cer文件，这个cer只包含公钥。客户端也生成一个jks文件，然后将服务端的cer以-trustcacerts导入刚才客户端生成的jks文件中，客户端以这个jks文件访问服务端，就是可以的。如果客户端以未导入服务端cer的jks访问刚才的服务器会报错，sslconnection
shutdown。

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

时间： 2024-10-14 02:58:37

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