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： 

Java代码  

1. package org.bluedash.tryssl;  
2.   
3. import java.io.BufferedReader;  
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.   
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(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));  
20.             PrintWriter writer = new PrintWriter(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((new ServerSocket(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： 

Java代码  

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

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.   
3. import java.io.BufferedReader;  
4. import java.io.FileInputStream;  
5. import java.io.IOException;  
6. import java.io.InputStreamReader;  
7. import java.io.PrintWriter;  
8. import java.net.ServerSocket;  
9. 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(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));  
27.             PrintWriter writer = new PrintWriter(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）： 

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.   
3. import java.io.BufferedReader;  
4. import java.io.InputStreamReader;  
5. import java.io.PrintWriter;  
6. import java.net.Socket;  
7.   
8. import javax.net.SocketFactory;  
9. 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 = new PrintWriter(s.getOutputStream());  
25.         BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(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： 

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.   
3. import java.io.BufferedReader;  
4. import java.io.FileInputStream;  
5. import java.io.InputStreamReader;  
6. import java.io.PrintWriter;  
7. import java.net.Socket;  
8. import java.security.KeyStore;  
9. 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 = new PrintWriter(s.getOutputStream());  
26.         BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(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： 

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 @*** 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