【加密与解密】【07】SSL安全套件全解析

SSL/TLS协议

SSL，Secure Socket Layer，安全套接层

TLS，Transport Layer Security，传输层安全协议

TLS是SSL的最终完善版本，一般也可称为SSL协议

SSL是负责传输层安全，确定传输层数据如何封装的一套协议

SSL协议阶段

算法协商
数字证书验证
数据通信

SSL协议核心内容

事先准备：
服务端生成自己的私钥和公钥
服务端向CA机构申请SSL证书
CA向服务器颁发数字证书，该证书通过CA私钥加密，包含了服务端域名和公钥，用于证明服务端身份
算法协商阶段：
客户端和服务端分别生成随机数RNC和RNS，连同SSL算法参数一起发送给对方
数字证书验证阶段：
服务端将自己的数据进行摘要，再通过私钥加密，生成数字签名
服务端将数据+数字签名+数字证书，一同发往客户端
客户端通过CA公钥解密数字证书，确认证书与域名一致后，拿到服务端公钥（保证了公钥未被篡改）
客户端通过服务端公钥解开数字签名，得到数据摘要（保证了数据来自服务端）
客户端对数据部分进行摘要，与数字签名中的摘要进行对比（保证了数据完整性）
客户端生成随机数PMS（Pre Master Secret），通过服务端公钥加密，发给服务端
服务端通过私钥解密出PMS
双方根据RNC+RNS+PMS构建主密钥MS（Master Secret），完成对称秘钥协商
数据通信阶段：
服务端和客户端通过主密钥MS，加密解密通信数据
双向认证：
如果服务端也要求客户端持有SSL证书，则增加一步服务端验证客户端证书的过程
秘钥协商算法：
以上流程使用的是DH秘钥协商算法
如果用的是RSA算法，则直接将PMS作为MS使用，并且由客户端发送给服务端

SSL协议应用

最常见的是应用于Https协议
此外也可应用于Socket和WebSocket

SSL核心类

KeyManager，用于管理自己的私钥和证书，多用于服务端
TrustManager，用于验证收到的证书是否可信，多用于客户端
服务端也可以要求客户端也发送安全证书，即双向认证，此时双方都要同时设置KeyManager+TrustManager
KeyStore，秘钥仓库，用来存储私钥、公钥、证书等数据，可设置密码
TrustStore，KeyStore的一种，存储CA证书，用于验证服务端身份正确性，密码公开
KeyStore和TrustStore的区别，仅在于存储的内容不同，它们可以是同一个文件，但是不建议这么做
Java中比较常见的KeyStore文件格式是JKS，此外还有CRT、PEM、P12、KEY等格式，私钥和证书也可能分开保存
KeyManagerFactory，用于创建KeyManager，一般通过algorithm和keystore文件来初始化
TrustManagerFactory，用于创建TrustManager，一般通过algorithm和keystore文件来初始化
SSLContext，用于整体管理SSL相关事务，一般通过KeyManager和TrustManager来初始化
当KeyManager和TrustManager未指定时，SSLContext会从系统已安装的SecurityProvider中，搜索合适的Provider来处理对应工作
SSLServerSocketFactory，用于创建带SSL功能的ServerSocket，可通过SSLContext创建
SSLSocketFactory，用于创建带SSL功能的ClientSocket，可通过SSLContext创建
也可以不使用Factory和KeyStore，通过自定义的方式来创建KeyManager和TrustManager
SSLSessionContext，维护所有会话信息，可通过SSLContext.getSessionContext获得
SSLSession，可通过SSLSessionContext或SSLSocket来获得
SSLServerSocket可以接收来自多个客户端的连接，SSLSocket只能连接指定的服务器和端口
SSLEngine，用于实现SSL握手，通过SSLContext创建，一般不用自己去实现，属于偏内部的Class

通过KeyTool生成KeyStore

学习SSL首先得有用于测试的SSL证书库，所以我们先来看看如何生成KeyStore

private.keystore和public.truststore本质上都是JKS文件，只是为了区分作用而换了后缀

# 生成私钥证书，首个名称请输入域名或ip
keytool -genkeypair -alias alias -keyalg RSA -validity 365 -keystore private.keystore

# 生成公钥证书
keytool -export -alias alias -keystore private.keystore -rfc -file public.cer

# 公钥证书转为JKS格式
keytool -import -alias alias -file public.cer -keystore public.truststore

KeyStore格式转换

JKS是Java专用的秘钥仓库格式

不同平台和语言的对KeyStore的支持性和使用习惯并不一样

比如安卓就不支持JKS格式，安卓上的证书一般使用P12格式

我们可以通过KeyStore Explorer软件来转换

https://keystore-explorer.org/downloads.html

使用带SSL的TcpSocket

import java.io.*
import java.security.KeyStore
import javax.net.ssl.KeyManagerFactory
import javax.net.ssl.SSLContext
import javax.net.ssl.SSLServerSocket
import javax.net.ssl.SSLSocket
import javax.net.ssl.TrustManagerFactory

const val serverKeyStore = "resources/private.keystore"
const val clientKeyStore = "resources/public.truststore"
const val passphrase = "123456"

const val serverPort = 18001

fun main() {
    Thread(::launchServerSocket).start()
    Thread.sleep(500)
    Thread(::launchClientSocket).start()
}

fun launchServerSocket() {
    // load key manager from key store
    val keyManagerFactory = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509")
    val keyStore = KeyStore.getInstance("JKS")
    keyStore.load(FileInputStream(serverKeyStore), passphrase.toCharArray())
    keyManagerFactory.init(keyStore, passphrase.toCharArray())
    val keyManagers = keyManagerFactory.keyManagers
    // init ssl context
    val context = SSLContext.getInstance("TLS")
    context.init(keyManagers, null, null)
    // create server socket
    val serverSocketFactory = context.serverSocketFactory
    val serverSocket = serverSocketFactory.createServerSocket(serverPort) as SSLServerSocket
    serverSocket.needClientAuth = false
    // accept client session
    val socket = serverSocket.accept() as SSLSocket
    // communication with client
    while (true) {
        Thread.sleep(500)
        socket.getOutputStream().write("Hello World".encodeToByteArray())
        socket.getOutputStream().flush()
    }
}

fun launchClientSocket() {
    // load trust manager from trust store
    val trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance("SunX509")
    val trustStore = KeyStore.getInstance("JKS")
    trustStore.load(FileInputStream(clientKeyStore), passphrase.toCharArray())
    trustManagerFactory.init(trustStore)
    val trustManagers = trustManagerFactory.trustManagers
    // init ssl context
    val context = SSLContext.getInstance("TLS")
    context.init(null, trustManagers, null)
    // create client socket and auto connect
    val sslSocketFactory = context.socketFactory
    val socket = sslSocketFactory.createSocket("localhost", serverPort) as SSLSocket
    // communication with server
    val buffer = ByteArray(1024)
    while (true) {
        val len = socket.getInputStream().read(buffer)
        if (len > 0) {
            val message = String(buffer, 0, len)
            println("Client Received: $message")
        }
    }
}

使用带SSL的HttpServer

大多网络编程框架，都是默认支持Https协议的，但仅限于由CA机构颁发的可信任证书

对于人工签发，未经CA机构授权的自签名证书，必须由开发者自己去实现验证逻辑

import com.sun.net.httpserver.HttpsConfigurator
import com.sun.net.httpserver.HttpsServer
import java.io.*
import java.net.InetSocketAddress
import java.net.URI
import java.net.http.HttpClient
import java.net.http.HttpRequest
import java.net.http.HttpResponse
import java.security.KeyStore
import java.util.*
import javax.net.ssl.KeyManagerFactory
import javax.net.ssl.SSLContext
import javax.net.ssl.TrustManagerFactory

const val serverKeyStore = "resources/private.keystore"
const val clientKeyStore = "resources/public.truststore"
const val passphrase = "123456"

const val serverPort = 18001

fun main() {
    Thread(::launchHttpServer).start()
    Thread.sleep(1500)
    Thread(::launchHttpClient).start()
}

fun launchHttpServer() {
    // load key manager from key store
    val keyManagerFactory = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509")
    val keyStore = KeyStore.getInstance("JKS")
    keyStore.load(FileInputStream(serverKeyStore), passphrase.toCharArray())
    keyManagerFactory.init(keyStore, passphrase.toCharArray())
    val keyManagers = keyManagerFactory.keyManagers
    // configure ssl context
    val context = SSLContext.getInstance("TLS")
    context.init(keyManagers, null, null)
    // create https server
    val server = HttpsServer.create(InetSocketAddress(serverPort), 10)
    // configure https
    val configurator = HttpsConfigurator(context)
    server.httpsConfigurator = configurator
    // create service
    server.createContext("/home") { exchange ->
        val response = Date().toString().encodeToByteArray()
        exchange.sendResponseHeaders(200, response.size.toLong())
        exchange.responseBody.write(response)
        exchange.responseBody.close()
    }
    // start https server
    server.start()
}

fun launchHttpClient() {
    // load trust manager from trust store
    val trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance("SunX509")
    val trustStore = KeyStore.getInstance("JKS")
    trustStore.load(FileInputStream(clientKeyStore), passphrase.toCharArray())
    trustManagerFactory.init(trustStore)
    val trustManagers = trustManagerFactory.trustManagers
    // init ssl context
    val context = SSLContext.getInstance("TLS")
    context.init(null, trustManagers, null)
    // create http client
    val uri = URI.create("https://localhost:18001/home")
    val client = HttpClient.newBuilder()
        .version(HttpClient.Version.HTTP_1_1)
        .sslContext(context)
        .build()
    // send request
    val request = HttpRequest.newBuilder()
        .GET()
        .uri(uri)
        .build()
    // get response
    val response = client.send(request, HttpResponse.BodyHandlers.ofString())
    println(response.body())
}

使用带SSL的WebSocket

这里我们使用比较出名的Java-WebSocket库来实现WebSocket服务端和客户端功能

api("org.java-websocket:Java-WebSocket:1.5.1")

为WebSocketServer设置SSL

fun setServerSSL(server: WebSocketServer) {
    // load key manager from key store
    val keyManagerFactory = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509")
    val keyStore = KeyStore.getInstance("JKS")
    keyStore.load(FileInputStream(serverKeyStore), passphrase.toCharArray())
    keyManagerFactory.init(keyStore, passphrase.toCharArray())
    val keyManagers = keyManagerFactory.keyManagers
    // configure ssl context
    val context = SSLContext.getInstance("TLS")
    context.init(keyManagers, null, null)
    // configure server ssl
    val websocketServerFactory = DefaultSSLWebSocketServerFactory(context)
    server.setWebSocketFactory(websocketServerFactory)
}

为WebSocketClient设置SSL

fun setClientSSL(client: WebSocketClient) {
    // load trust manager from trust store
    val trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance("SunX509")
    val trustStore = KeyStore.getInstance("JKS")
    trustStore.load(FileInputStream(clientKeyStore), passphrase.toCharArray())
    trustManagerFactory.init(trustStore)
    val trustManagers = trustManagerFactory.trustManagers
    // configure ssl context
    val context = SSLContext.getInstance("TLS")
    context.init(null, trustManagers, null)
    // configure client ssl
    val sslSocketFactory = context.socketFactory
    client.setSocketFactory(sslSocketFactory)
}

在OkHttp中自定义KeyManager和TrustManager

以上案例，都是通过KeyStore来实现KeyManager和TrustManager的管理功能

现在我们不用KeyStore，通过自定义规则，来实现秘钥管理和证书验证功能

我们以OkHttp框架为例

import okhttp3.OkHttpClient
import java.security.cert.X509Certificate
import javax.net.ssl.HostnameVerifier
import javax.net.ssl.SSLContext
import javax.net.ssl.SSLSession
import javax.net.ssl.X509TrustManager

fun setOkHttpSSL(builder: OkHttpClient.Builder) {
    val trustManager = object : X509TrustManager {
        override fun checkClientTrusted(chain: Array<out X509Certificate>, authType: String) {}
        override fun checkServerTrusted(chain: Array<out X509Certificate>, authType: String) {}
        override fun getAcceptedIssuers(): Array<X509Certificate> = emptyArray()
    }
    val trustManagers = arrayOf(trustManager)
    val hostnameVerifier = HostnameVerifier { hostname: String, session: SSLSession -> true }
    val sslContext = SSLContext.getInstance("SSL")
    sslContext.init(null, trustManagers, null)
    val socketFactory = sslContext.socketFactory
    builder.sslSocketFactory(socketFactory, trustManager)
    builder.hostnameVerifier(hostnameVerifier)
}

现在我们用OkHttp来替换上面的HttpClient来访问服务器

fun launchHttpClient() {
    val url = "https://localhost:18001/home"
    // create okhttp client
    val builder = OkHttpClient.Builder()
    setOkHttpSSL(builder)
    val client = builder.build()
    // create request
    val request = Request.Builder()
        .url(url)
        .get()
        .build()
    // execute call
    val call = client.newCall(request)
    val response = call.execute()
    // print response
    val responseBody = response.body.string()
    println(responseBody)
}

这里我们为了演示，不让问题复杂化，只是简单地信任了所有的证书，并不能起到实际的安全作用

关于KeyManager，TrustManager，HostnameVerifier的正式用法，可以参考以下类的源码

SunX509KeyManagerImpl X509TrustManagerImpl OkHostnameVerifier

SSL证书格式

JKS，二进制格式存储，Java专属格式

一般为私钥+证书+密码，或只有公钥的组合

常用于Tomcat服务器
PEM，文本格式存储

可保存私钥和证书，一般以BEGIN开头，END结尾，中间为BASE64编码字符串

常用于Apache或Nginx服务器
CER/DER，二进制格式存储

只能保存证书

常用于Windows服务器
CRT，只是一个后缀名，可以是PEM编码，也可以是CER编码

一般只用来保存证书，不存储私钥

可以将私钥单独保存，以KEY作为后缀，来区分秘钥文件和证书文件

KEY文件可以是PEM编码，也可以是CER编码
P12/PKCS12/PFX，二进制格式存储

一般同时包含私钥和证书，有密码保护

常用于Windows IIS服务器
CSR，证书请求文件

这个不是证书，而是通过私钥向CA申请公钥的请求文件
最后，要注意的是，文件后缀和证书格式之间没有必然关系，还是以文件内容的实际存储格式为准

SSL证书转换工具

OpenSSL
KeyTool
KeyStore Explorer

OpenSSL指令

genrsa，生成秘钥
req，创建自签名根证书，或生成证书请求文件
x509，查看，创建，或转换证书
-in，输入文件
-out，输出文件
-inform，输入文件格式
-outform，输出文件格式
-CA，指定根证书
-CAkey，指定根证书私钥
-CAserial，指定CA证书
-CAcreateserial，创建下级CA证书

OpenSSL制作证书

# 创建根证书
openssl req -new -x509 -days 365 -extensions v3_ca -keyout crt/ca.key -out crt/ca.crt

# 颁发服务端证书
openssl genrsa -out crt/server.key 2048
openssl req -out crt/server.csr -key crt/server.key -new
openssl x509 -req -in crt/server.csr -CA crt/ca.crt -CAkey crt/ca.key -CAcreateserial -out crt/server.crt -days 365

# 颁发客户端证书
openssl genrsa -out crt/client.key 2048
openssl req -out crt/client.csr -key crt/client.key -new
openssl x509 -req -in crt/client.csr -CA crt/ca.crt -CAkey crt/ca.key -CAcreateserial -out crt/client.crt -days 365

# 查看服务端证书
openssl x509 -in crt/server.crt -text -noout