安全网络通信(JAVA-JSSE)

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JAVA安全套接字扩展（JSSE,Java Secure Socket Extension）基于SSL和TLS协议的Java网络应用程序提供了Java API及参考实现。JSSE支持数据加密、服务器端身份验证、数据完整性，以及可选的客户端身份认证，是信用JSSE,可以保证采用各种应用层协议（Http,telnet和Ftp等）的客户端程序与服务器程序安全的交换数据。
JSSE封装了底层复杂的安全通信细节，使得安全开发人员能方便的用它来开发安全的网络应用程序。

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1、关于SSL

SSL(Server Socket Layer)是一种保证网络上连个节点进行安全通信的协议。IETF(Internet Engineering Task Force)对SSL做了标准化，制定了RFC2246规范，并将其成为TLS（Transport Layer Security)。从目前使用的技术上来讲，TLS1.0和SSL3.0之间的差别非常微小。
SSL采用加密技术来实现安全通信，保证通信数据的保密性和完整性，并且保证通信双方可以验证对方身份。

加密通信

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处理对数据进行加密通信外，SSL还采用了身份认证机制，确保通信双方都可以验证对方的真实身份。个人可以通过身份证来来证明自己的身份，SSL通过安全安全证书来证明客户或者服务器的身份。当客户通过安全的连接和扶额u器通信时，服务器会首先向它出示它的安全证书，这个证书声明该服务器是安全的，而且的确是这个服务器。每个证书在全世界的范围内都是唯一的，其他服务器无法假冒原始服务器的身份。
安全证书采用公钥加密技术，安全证书机包含了用于加密数据的密钥，又包括了证明身份的数字签名。
获得安全证书的方式有两种，一种是从权威机构购买安全证书（安全证书由国际权威的证书机构 CA颁发），另一种是创建自签名的证书（SUN 公司提供的Key tool工具可以创建这样的证书）。

SSL握手

客户在与服务器通信时，需要完成SSL握手，SSL握手主要完成以下任务：

• 协商使用的加密套件（加密套件包括一组加密参数，这些参数指定了加密的算法和密钥的长度信息等）
• 验证对方的身份（此操作可选）
• 确定使用的加密算法
  SSL握手的流程如下：
  （1）客户将自己的SSL版本号、加密参数、与会话有关的数据以及其他必要的信息发送给服务器。
  （2）服务器将自己的SSL版本号、加密参数、与会话有关的数据以及其他必要的信息发送给客户端，同时还将自己的证书发送给客户，如果需要验证客户的身份，还会发出要求客户端提供证书的请求。
  （3）客户端验证服务器的证书，如果验证失败，就提示不能建立SS连接，如果成功，则继续下面的步骤。
  （4）客户端为本次会话生成预备主密钥（pre-master secret）,并用服务器的公钥加密之后发送给服务器。
  （5）如果服务器要求验证客户端的身份，客户端还要对另外一些数签名后，连同自己的证书一起发送给服务器。
  （6）如果服务器要求验证客户端的身份，则检查签署客户端证书的CA是否可信，如果在信任列表中，服务器用自己的私钥解密收到的预备主密钥，并用它通过某些算法生成本次会话的主密码（master-secret）。
  （7）客户端和服务器均使用此主密码生成此次会话的会话密钥（对称密钥）。
  （8）客户端通知服务器此后的通信都使用这个会话密钥进行加密，并通知服务器客户端已经完成此次SSL握手。
  （9）服务器通知客户端此后的通信都使用这个会话密钥进行加密，并通知客户端服务器已经完成此次SSL握手。
  （10）握手结束，会话建立。

2、JSSE简介

JSSE封装了底层复杂的安全通信细节，使得安全开发人员能方便的用它来开发安全的网络应用程序，JDK1.4及以后版本中都自带了JSSE类库。

JSSE主要包含一下四个包：

• javax.net.ssl包：包括进行安全通信的类，比如SSLServerSocket和SSLSocket类。
• javax.net包：包括安全套接字的工厂类，比如SSLServerSocketFactory和SSLSocketFactory类。
• java.security.cert包：包括处理安全证书的类，如X509Certificate类。
• com.sun.net.ssl包：包括SUN公司提供的JSSE的实现类。

  JSSE具有以下重要特征：

• 纯粹用Java语言编写。
• 可以出口到大多数国家。
• 提供了支持SSL2.0和SSL3.0的JSSE API,，并且提供了SSL 3.0 的JSSE实现。
• 提供了支持TLS1.0的JSSE API和JSSE实现。
• 提供了用于创建安全连接的类，如SSLSocket、SSLServerSocket和SSLEngine。
• 支持加密通信。
• 支持客户端和服务器端的身份验证。
• 支持SSL会话。
• 支持一些常用的加密算法，比如RSA（加密长度2048位）、RC4（密钥长度128位）和DH（密钥长度1024位）。

JSSE API的主要类框图

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JSSE中负责安全通信的最核心的类是SSLServerSocket类与SSLSocket类，它们分别是ServerSocket与Socket类的子类。
SSLSocket对象由SSLSocketFactory创建，此外，SSLServerSocket的accept()方法也会创建SSLSocket。
SSLServerSocket对象由SSLServerSocketFactory创建。
SSLSocketFactory、SSLServerSocketFactory以及SSLEngine对象都由SSLContext对象创建。
SSLEngine类用于支持非阻塞的安全通信。

创建采用SSL协议的SSLSocket对象

public void createSocket()throws Exception{
    factory=(SSLSocketFactory)SSLSocketFactory.getDefault();
    socket=(SSLSocket)factory.createSocket(host,port);
    String[] supported=socket.getSupportedCipherSuites();
    socket.setEnabledCipherSuites(supported);
  }

KeyStore、KeyManager与TrustManager类

在进行安全通信时，要求客户端与服务器端都支持SSL或TSL协议。
客户端与服务器端可能都需要设置用于证实自身身份的安全证书，还要设置信任对方的安全证书。
更常见的情况是，服务器只需要设置用于证实自身身份的安全证书，客户端只需要设置信任服务器的安全证书。
KeyStore类用于存放安全证书。以下程序代码创建了一个KeyStore对象，它从test.keys文件中加载安全证书。

String passphrase = "654321";
//JKS是SUN支持的KeyStore的类型
KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("JKS");  
char[] password = passphrase.toCharArray();
//password参数用于打开安全证书
keyStore.load(new FileInputStream("test.keys"), password);

KeyManager接口的任务是选择用于证实自身身份的安全证书，把它发送给对方。KeyManagerFactory负责创建KeyManager对象，例如：

KeyManagerFactory keyManagerFactory = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");
keyManagerFactory.init(keyStore, password);
KeyManager[] keyManagers= keyManagerFactory.getKeyManagers();

TrustManager接口的任务是决定是否信任对方的安全证书。
TruesManagerFactory负责创建TrustManager对象，例如：

TrustManagerFactory trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance("SunX509");
trustManagerFactory.init(keyStore);
TrustManager[] trustManagers= trustManagerFactory.getTrustManagers();

SSLContext类

SSLContext类负责设置与安全通信有关的各种信息，比如使用的协议（SSL或者TLS），自身的安全证书以及对方的安全证书。SSLContext还负责构造SSLServerSocketFactory、SSLSocketFactory和SSLEngine对象。
以下程序代码创建并初始化了一个SSLContext对象，然后由它创建了一个SSLServerSocketFactory对象：

SSLContext sslCtx = SSLContext.getInstance("TLS"); //采用TLS协议
sslCtx.init(kmf.getKeyManagers(), tmf.getTrustManagers(), null);
SSLServerSocketFactory ssf=sslCtx.getServerSocketFactory();

SSLContext的init()方法定义如下:
init(KeyManager[] km, TrustManager[] tm, SecureRandom random)

• 参数random用于设置安全随机数，如果为null，则采用默认的SecureRandom实现
• 如果参数km为空，会创建一个默认的KeyMagager对象，以及与之相关联的KeyStore对象，KeyStore对象从系统属性javax.net.ssl.keyStore中获取安全证书，若不存在这个属性，那么KeyStore对象的内容为空.
• 如果参数tm为空，会创建一个默认的TrustManager对象，以及与之相关联的KeyStore对象，KeyStore对象按照如下步骤获取安全证书：
  先尝试从系统属性javax.net.ssl.trustStore中获取安全证书
  若上一步失败，就尝试把<JDK目录>/jre/security/jsscacerts文件作为安全证书文件
  若上一步失败，就尝试把<JDK目录>/jre/security/cacerts文件作为安全证书文件
  若上一步失败，则KeyStore对象内容为空

SSLServerSocketFactory类负责创建SSLServerSocket对象：

SSLServerSocket serverSocket =
(SSLServerSocket) sslServerSocketFactory.createServerSocket(8000);

SSLServerSocketFactory对象有两种创建方法：
调用SSLContext类的getServerSocketFactory()方法。
调用SSLServerSocketFactory类的静态getDefault()方法。
SSLServerSocketFactory类的静态方法getDefault()返回一个默认的SSLServerSocketFactory对象，他与一个默认的SSLcontext对象关联，getDefault()方法的实现按照如下方法初始化这个默认的SSLContext对象：

sslContext.init(null,null,null)

SSLSocketFactory类负责创建SSLSocket对象

sslContext.init(null,null,null)

SSLSocketFactory对象有两种创建方法：
调用SSLContext类的getSocketFactory()方法。
调用SSLSocketFactory类的静态getDefault()方法
SSLSocketFactory类的静态方法getDefault()返回一个默认的SSLSocketFactory对象，他与一个n默认的SSLcontext对象关联，getDefault()方法的实现按照如下方法初始化这个默认的SSLContext对象：

sslContext.init(null,null,null)

SSLSocket类

SSLSocket类是Socket类的子类，因此两者的用法有许多相似之处。
SSLSocket类还具有与安全通信有关的方法:
(1)设置加密套件
SSLSocket类的getSupportedCipherSuites()方法返回一个字符串数组，它包含当前SSLSocket对象所支持的加密套件组。 SSLSocket类的setEnabledCipherSuites(String[] suites)方法设置当前SSLSocket对象的可使用的加密套件组。
可使用的加密套件组应该是所支持的加密套件组的子集。
*SSLSocket类的getEnabledCipherSuites()方法返回一个字符串数据，包含当前SSLSocket对象的可使用的加密套件组。
例如以下代码仅仅启用了具有高加密强度的加密套件，这可以提高该通信端的安全性，禁止那些不支持强加密的通信端连接当前通信端：

String[] strongSuites={"SSL_DES_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA",
"SSL_RSA_WITH_RC4_128_MD5",
"SSL_RSA_WITH_RC4_128_SHA",
"SSL_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA"};
sslSocket. setEnabledCipherSuites(strongSuites) ;

(2)处理握手结束事件
SSL握手需要花很长的时间，当SSL握手完成，会发出一个HandshakeCompletedEvent事件，该事件由HandshakeCompletedListener负责监听。
SSLSocket类的addHandshakeCompletedListener()方法负责注册HandshakeCompletedListener监听器。
HandshakeCompletedEvent类提供了获取与握手事件相关的信息的方法：

public SSLSession getSession()  //获得会话
public String getCipherSuite()   //获得实际使用的加密套件
public SSLSocket getSocket()   //获得发出该事件的套接字

HandshakeCompletedListener接口的以下方法负责处理握手结束事件
public void handshakeCompleted(HandshakeCompletedEvent event)
(3)管理SSL会话
SSLSession接口表示SSL会话，它具有以下方法：

byte[] getId()  //获得会话ID。每个会话都有惟一的ID
String getCipherSuite()  //获得实际使用的加密套件
long getCreationTime()  //获得创建会话的时间
long getLastAccessedTime()  //获得最近一次访问会话的时间。访问会话是指程序创建一个使用
该会话的SSLSocket。
String getPeerHost()  //获得通信对方的主机
int getPeerPort()  //获得通信对方的端口
void invalidate()  //使会话失效
boolean isValid()  //判断会话是否有效

SSLSocket的getSession()方法返回SSLSocket所属的会话。
SSLSocket的setEnableSessionCreation(boolean flag)方法决定SSLSocket是否允许创建新的会话。flag参数的默认值为true。
SSLSocket的startHandshake()方法显式的执行一次SSL握手。
由于多数情况下客户端无需向服务器证实自己的身份，因此当一个通信端无需向对方证实自己身份，就称它处于客户模式，否则称它处于服务器模式。
SSLSocket的setUseClientMode(boolean mode)方法用来设置客户模式或者服务器模式。
如果mode参数为true，就表示客户模式，即无需向对方证实自己的身份；
如果mode参数为false，就表示服务器模式，即需要向对方证实自己的身份。
当SSLSocket处于服务器模式，还可以通过以下方法来决定是否要求对方提供身份认证：
setWantClientAuth(boolean want)：当want参数为true，表示希望对方提供身份认证。如果对方未出示安全证书，连接不会中断，通信继续进行。
setNeedClientAuth(boolean need)：当need参数为true，表示要求对方必须提供身份认证。如果对方未出示安全证书，连接中断，通信无法继续。

SSLServerSocket

SSLServerSocket类是ServerSocket类的子类，因此两者的用法有许多相似之处。
此外，SSLServerSocket类还具有与安全通信有关的方法。这些方法与SSLSocket类中的同名方法具有相同的作用。
(1)设置加密套件的方法如下：

String[] getSupportedCipherSuites()：返回一个字符串数组，它包含当前SSLServerSocket对象所支持的加密套件组。
void setEnabledCipherSuites(String[] suites)：设置当前SSLServerSocket对象可使用的加密套件组。
String[] getEnabledCipherSuites()：返回一个字符串数组，它包含当前SSLServerSocket对象可使用的加密套件组。

(2)管理SSL会话的方法如下：

void setEnableSessionCreation(boolean flag)：决定由当前SSLServerSocket对象创建的SSLSocket对象是否允许创建新的会话。
boolean getEnableSessionCreation()：判断由当前SSLServerSocket对象创建的SSLSocket对象是否允许创建新的会话。

(3)设置客户端模式的方法如下：

void setUseClientMode(boolean mode)：当mode参数为true，表示客户端模式。
void setWantClientAuth(boolean want)：当want参数为true，表示希望对方提供身份认证。
void setNeedClientAuth(boolean need)：当need参数为true，表示要求对方必须提供身份认证。

SSLEngine类

SSLEngine类与SocketChannel类联合使用，就能实现非阻塞的安全通信。
SSLEngine类封装了与安全通信有关的细节，把应用程序发送的应用数据打包为网络数据，打包就是指对应用数据进行加密，加入SSL握手数据，把它变为网络数据。
SSLEngine类还能把接收到的网络数据展开为应用数据，展开就是指对网络数据解密。
SSLEngine类的wrap()方法负责打包应用数据，unwrap()方法负责展开网络数据。

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创建基于SSL的安全服务器和安全客户

比如：
创建一个基于SSL的安全服务器

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.security.KeyStore;

import javax.net.ssl.KeyManagerFactory;
import javax.net.ssl.SSLContext;
import javax.net.ssl.SSLServerSocket;
import javax.net.ssl.SSLServerSocketFactory;

public class EchoServer {
private int port =8000;
private SSLServerSocket serverSocket;

public EchoServer() throws Exception{
	SSLContext context=creatSSLContext();
	SSLServerSocketFactory factory=context.getServerSocketFactory();
	serverSocket=(SSLServerSocket) factory.createServerSocket(port);
	System.out.println("服务器启动！");
	
	String []supported=serverSocket.getSupportedCipherSuites();
	serverSocket.setEnabledCipherSuites(supported);
}

public SSLContext creatSSLContext()throws Exception{
    String keyStoreFile="test.keystore";
    String password="123456";
    KeyStore ks=KeyStore.getInstance("JKS");
    char[]psw=password.toCharArray();
    ks.load(new FileInputStream(keyStoreFile),psw);
    KeyManagerFactory kmf=KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");
    kmf.init(ks,psw);
    
    SSLContext sslContext=SSLContext.getInstance("SSL");
    sslContext.init(kmf.getKeyManagers(), null, null);
    
    return sslContext;

}

public String echo(String msg){
	return "echo:"+msg;
}

private PrintWriter getWriter(Socket socket)throws IOException {
	
	OutputStream socketOutputStream=socket.getOutputStream();
	return new PrintWriter(socketOutputStream,true);
}

private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException{
	InputStream socketIn=socket.getInputStream();
	return new BufferedReader(new InputStreamReader(socketIn));
}

public void service() {
	while(true){
		Socket socket=null;
		try{
			socket=serverSocket.accept();
			System.out.println("新连接："+socket.getInetAddress()+":"+socket.getPort());
			
			BufferedReader br=getReader(socket);
			PrintWriter pw=getWriter(socket);
			
			String msg=null;
			while ((msg=br.readLine())!=null) {
				System.out.println(msg);
				pw.println(echo(msg));
				if(msg.equals("bye")){
					break;
				}
					
			}
		}catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}finally {
			if(socket!=null)
				try {
					socket.close();
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
				}
		}
	}
}
public static void main(String[] args)throws Exception {
	new EchoServer().service();
}
}

对应的，创建一个基于SSL的安全客户

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

import javax.net.ssl.SSLSocket;
import javax.net.ssl.SSLSocketFactory;


public class EchoClient {
private String host="localhost";
private int port=8000;
private SSLSocket socket;

public EchoClient()throws IOException {
	SSLSocketFactory factory=(SSLSocketFactory) SSLSocketFactory.getDefault();
	socket=(SSLSocket) factory.createSocket(host,port);
	
	String[] supported=socket.getSupportedCipherSuites();
	socket.setEnabledCipherSuites(supported);
}

public static void main(String[] args) throws IOException {
	new EchoClient().talk();
}

private PrintWriter getWriter(Socket socket)throws IOException {
	
	OutputStream socketOutputStream=socket.getOutputStream();
	return new PrintWriter(socketOutputStream,true);
}

private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException{
	InputStream socketIn=socket.getInputStream();
	return new BufferedReader(new InputStreamReader(socketIn));
}

public void talk() {
	try{
		BufferedReader bReader=getReader(socket);
		PrintWriter pWriter=getWriter(socket);
		BufferedReader localReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
		String msg=null;
		 while((msg=localReader.readLine())!=null){
			 
			 pWriter.println(msg);
			 System.out.println(bReader.readLine());
			 
			 if(msg.equals("bye")){
				 break;
			 }
		 }
			 
	}catch (Exception e) {
		e.printStackTrace();
	}finally {
		try {
			socket.close();
		} catch (IOException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
	}
}
}

总结

• JAVA安全套接字扩展（JSSE,Java Secure Socket Extension）基于SSL和TLS协议的Java网络应用程序提供了Java API及参考实现。JSSE支持数据加密、服务器端身份验证、数据完整性，以及可选的客户端身份认证，是信用JSSE,可以保证采用各种应用层协议（Http,telnet和Ftp等）的客户端程序与服务器程序安全的交换数据。
• JSSE封装了底层复杂的安全通信细节，使得安全开发人员能方便的用它来开发安全的网络应用程序。
• JSSE中负责安全通信的最核心的类是SSLServerSocket类与SSLSocket类，它们分别是ServerSocket与Socket类的子类。
• SSLSocket对象由SSLSocketFactory创建，此外，SSLServerSocket的accept()方法也会创建SSLSocket。
• SSLServerSocket对象由SSLServerSocketFactory创建。
• SSLSocketFactory、SSLServerSocketFactory以及SSLEngine对象都由SSLContext对象创建。
• SSLEngine类用于支持非阻塞的安全通信。
• SSLContext负责为SSLSocket和SSLSocketFactory设置安全参数，如使用的安全协议、安全证书、KeyManager、TrustManager和安全随机数等。

Mallory
2018年9月3日

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资料参考：
［1］孙卫琴 JAVA网络编程精解