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：

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：

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：

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：

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：

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）：

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：

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：

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

执行结果如下：

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：

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

结果如下：

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：

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：

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）。

*** 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：

*** 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：

*** 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：

*** 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：

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：

*** Finished

第八步：服务端确认算法变更，返回ChangeCipherSpec消息

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：

*** 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：

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

改成：

((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：

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>

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：

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：

*** 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

*** 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

写了这多，总要有人坐个沙发呀

支持一下，很好的文章

作为资料存储了. 多谢lz分享

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
此次加入以下代码也可以解决：
System.setProperty("java.protocol.handler.pkgs", "javax.net.ssl");
     HostnameVerifier hv = new HostnameVerifier() {
          public boolean verify(String urlHostName, SSLSession session) {
           return urlHostName.equals(session.getPeerHost());
          }
     };
   
     HttpsURLConnection.setDefaultHostnameVerifier(hv);

还有我觉得这样就可以了，不知道对不对？至少我能正常通信。
System.setProperty("javax.net.ssl.keyStore", "D:/server31.keystore");
System.setProperty("javax.net.ssl.keyStorePassword", "password");
System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", "D:/server31.keystore");
System.setProperty("javax.net.ssl.trustStorePassword", "password");

最近项目也在用Https，其中一个系统1是银行系统，部署在银行内部，另外一个系统2可以部署在行内也可以部署在行外。之前系统2都是行内的，所以走socket通信，现在想增加一个https通信方便行外系统2对接系统1。

后台都是java写的。要求ssl双向认证。

用jdk生成证书然后Https通信都成功了。

想请教下:
1、这个证书的一个过程是怎么样的？证书是自己做的么？然后去CA认证，还是都是从CA买的，他们帮我们认证好？
2、从上面的说法，如果想发给服务器，需要把服务器证书倒出来到客户端，让客户端信任服务器证书，然后实现通信。但是如果证书是从CA那里验证过的，是不是不需要导出到客户端这个步骤，直接配置服务器证书就可以了，验证的工作室客户端拿服务器证书去CA认证，这个认证走通信么？会连接CA服务器还是本地证书文件验证？

可以的，keyStore和trustStore可以共用一个文件，没有问题。store就相当于一个钱包，这里面可以放证书也可以放自己的密钥。

证书，就是用来自己证明身份的证书，你可以自己生成一个，但是没有用。为什么呢？因为数字证书必须由第三方的权威机构签名后才有效。
权威机构就那几家，你可以打开你的任何浏览器，在选项里面，找高ssl相关的配置，可以看到每个浏览器里面，都有默认的几十家权威机构的数字签名文件。
对于java环境，这些默认的机构也存在，它们的签名保存在keystore里面，我们自己生成的数字证书，都是自签名的，自己签自己。
这种默认是不被浏览器或是jvm环境接受的，原因上面说了，因为我们自己签名不算数的，“自己”这个机构不在默认的keystore里面。

所以，现在问题来了，怎么样，让客户端信任服务端这个自签名的证书呢？
答案你已经知道了，将自己的证书，导进需要信任你的证书的keystore里面。

jvm有自已默认的keystore，在java的安装目录里面，是jre/lib/security/xxx那个。
/usr/lib/jvm/jre/lib/security/cacerts
里面包含了很多第三方的权威机构的数字证书。
但是我们在做项目的时候，不想污染这个默认的库，会产生安全问题。
所以我们用keytool自己生成一个全新的keystore，其实就是一个文件，你知道的。

对于自签名的证书，肯定是不可能通过验证的
如果我们把自签名的证书导进这个cacerts里面
那么我们自己签的所有证书，就都在自己的java环境下面可以认证通过了。
但是如果你想让别人的环境下面也认你这个证书，就要在别人的环境下面把你的证书给加进信任列表
如果对方是个浏览器，就把证书导出来，让对方加进浏览器的信任列表
如果对方是java，就让对方将你的证书导入到他们的keystore

当然，如果你的证书是找Verisign签过名的，那就完全没问题了。
但是Verisign非常贵，一年好多钱，所以只有生产系统上才用。因为，我们不可能让所有的用户都把服务端自签名证书导到他们的环境里，那是不现实的。而且，浏览器会弹窗报警，说服务端提供的证书不是受信的第三方签名的，用户一看有危险就闪人了。

所以，说了这么半天，你应该明白了一个道理：SSL并不存在服务端和客户端，只存在谁需要信任谁

那么我问个问题，双向握手时，需要几个证书？单向握手时，需要几个证书？

如果服务端强制要求客户端提供证书
那么他那边必定要给你生成一个能用的证书，在他的信任列表里面
否则你自己生成的客户端证书是没有用的，必须找对方签名才可以
因为对方的环境里面不可能信任你自生成的证书

如果是双向握手，为什么需要给你两个证书？
因为除了客户端要验证服务端身份, 服务器段也要验证客户端身份, 只有允许的客户端, 才能发起请求

所以，如果服务端需要验证客户端身份，那对方必须给你一个他信任的客户端证书，
要么就是：你自己生成一个客户端证书，让对方去签名。

总之必须由对方提供，你自己生成的自签名证书，是不可能在对方的信任列表里的。
如果手里现在只有一个证书，应该有两种情况：1. 这个是服务端证书，只需要单向握 2. 需要双向握手，对方少给你一个证书

我文章中单向握手的客户端的例子
客户端不向服务端提供客户端证书
客户端只验证服务端证书
即clientWithoutCert()这个列子


理解了原理最重要
后续的问题就都不难了。

原理特别简单：你自己做张信用卡，自己签个名，去商店买东西，没人要
于是你找银行给你背书：此信用卡有效，和银行账户绑定，你四处用，就okay了
但是银行给你签名要花钱，你只是试着玩，于是你找朋友商店，让他给你签个名，你这张卡在他的店里面有效，于是，你的卡在他的店里就能用了

所以不存在谁是客户端，谁是服务端，只是看谁签名，谁信任谁，就这样。把这个印在脑子里，就特别简单。

keystore没什么神奇的，就是一个钱包，里面有你自己的卡（自己的证书），可以拿去用，还有几张证书（第三方机构的证书），别人在你这用卡的时候，你对证书查，发现别人的卡是你这证书上面机构发的，你就信任。