用JSSE定制SSL连接

用JSSE定制SSL连接2005-12-01 17:38 冯睿 第八军团 我要评论(0) 字号：T | T
JSSE（Java SecuritySocket Extension，Java安全套接字扩展）是Sun为了解决在Internet上的安全通讯而推出的解决方案。它实现了SSL和TSL（传输层安全）协议。在JSSE中包含了数据加密，服务器验证，消息完整性和客户端验证等技术。通过使用JSSE，开发人员可以在客户机和服务器之间通过TCP/IP协议安全地传输数据。这篇文章主要描述如何使用JSSE接口来控制SSL连接。

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JSSE（Java SecuritySocket Extension，Java安全套接字扩展）是Sun为了解决在Internet上的安全通讯而推出的解决方案。它实现了SSL和TSL（传输层安全）协议。在JSSE中包含了数据加密，服务器验证，消息完整性和客户端验证等技术。通过使用JSSE，开发人员可以在客户机和服务器之间通过TCP/IP协议安全地传输数据。这篇文章主要描述如何使用JSSE接口来控制SSL连接。
首先我通过一个简单的客户机／服务器程序来介绍如何利用JSSE进行编程。当建立客户端时，我们需要配置KeyStore和TrustStore文件，这样在程序中我们才可以从客户端的文件系统中加载它们。然后文章将讨论授权和身份验证方面的问题。通过从KeyStore中选择不同的授权，客户端程序可以连接到不同的服务器。
在运行JSSE程序前，你需要正确安装JSSE。如果你安装了J2SE 1.4，JSSE已经被自动安装并配置好了，如果你使用的是其他版本的Java，你需要从官方站点上下载并安装JSSE，安装过程这里就不再赘述。由于JSSE是在J2SE 1.4中才成为标准的，并且J2SE 1.4中的JSSE和以前的JSSE有一些细微的差别，而且文中的例子都是在J2SE 1.4下调试的，因此推荐你使用J2SE 1.4运行这些例子。


在深入介绍JSSE之前，让我们来一个简单的客户机／服务器程序，程序中包含了两个文件：SimpleSSLServer和SimpleSSLClient。在运行程序之前，你需要配置下面这些KeyStore和TrestStore文件：
· 一个客户端的KeyStore文件，该文件中包含了对Alice和Bob的授权。
· 一个服务器端的KeyStore文件，该文件中包含了对server的授权。
· 一个名为clientTrust的客户端TrustStore文件，该文件中包含了对server的授权。
· 一个名为serverTrust的服务器端TrustStore文件，该文件中包含了对Alice和Bob的授权。
使用keytool可以帮助你创建这些文件（该工具在Java的bin目录下）：
· 一个客户端的KeyStore文件，该文件中包含了对Alice和Bob的授权。
在命令窗口中输入下面的命令：
keytool -genkey -alias alice -keystore clientKeys
窗口中会出现下面的提示，根据提示输入相应的信息：

输入keystore密码： password
您的名字与姓氏是什么？
[Unknown]： Alice
您的组织单位名称是什么？
[Unknown]： Development
您的组织名称是什么？
[Unknown]： DCQ
您所在的城市或区域名称是什么？
[Unknown]： ChongQing
您所在的州或省份名称是什么？
[Unknown]： ChongQing
该单位的两字母国家代码是什么
[Unknown]： CH
CN=Alice, OU=Development, O=DCQ, L=ChongQing, ST=ChongQing, C=CH 正确吗？
[否]： 是
输入的主密码



（如果和 keystore 密码相同，按回车）：
通过相同的方式可以建立对Bob的授权。
keytool -genkey -alias bob -keystore clientKeys
注意在名字与姓氏一栏中填写Bob。在完成后可以键入下面的命令来检测是否已经正确完成了授权。
keytool -list -v -keystore clientKeys????
· 一个服务器端的KeyStore文件，该文件中包含了对server的授权。
在命令窗口中键入下面的命令：
keytool -genkey -alias server -keystore serverKeys
注意将密码设为password，名字与姓氏设定为Server。完成授权后同样可以通过上面提到的命令来检测。
· 一个名为clientTrust的客户端TrustStore文件，该文件中包含了对server的授权。以及一个名为serverTrust的服务器端TrustStore文件，该文件中包含了对Alice和Bob的授权。
keytool -export -alias server -keystore clientKeys -file server.cer
输入keystore密码： password
保存在文件中的认证



keytool -export -alias alice -keystore clientKeys -file alice.cer
输入keystore密码： password
保存在文件中的认证



keytool -export -alias bob -keystore clientKeys -file bob.cer
输入keystore密码： password
保存在文件中的认证



这样keytool就在当前目录下创建了三个授权文件。然后我们将server.cer文件导入到clientTrust文件中；将alice.cer和bob.cer导入到serverTruest文件中：



keytool -import -alias server -keystore clientTrust -file server.cer
keytool -import -alias alice -keystore serverTrust -file alice.cer
keytool -import -alias bob -keystore serverTrust-file bob.cer
到目前为止，在当前目录下包含clientKeys，serverKeys，clientTrust，serverTrust四个文件。完成了KeyStore和TrustStore的设置后就可以运行例子程序了。首先需要运行服务器程序：
java -Djavax.net.ssl.keyStore=serverKeys
-Djavax.net.ssl.keyStorePassword=password
-Djavax.net.ssl.trustStore#NAME?
-Djavax.net.ssl.trustStorePassword=password SimpleSSLServer
在命令行中我们指定了keyStore属性为serverKeys。由于服务器程序需要获得客户端的授权信息，我们指定trustStore为serverTrust。这样SSLSimpleServer就可以验证由SSLSimpleClient提供的授权信息。当服务器程序成功运行后，你会看到下面的提示：
SimpleSSLServer running on port 49152????
这时候服务器会等待客户端发出建立连接的申请。如果你希望在另一个端口上运行服务器程序，可以在命令中指定-port xxx参数，其中xxx是端口号。



然后在另一个命令窗口中运行客户端程序：
java -Djavax.net.ssl.keyStore=clientKeys
-Djavax.net.ssl.keyStorePassword=password
-Djavax.net.ssl.trustStore=clientTrust
-Djavax.net.ssl.trustStorePassword=password SimpleSSLClient
客户端程序会试图向本机的49152端口建立SSL连接。同样你可以通过-port参数指定端口号，也可以通过-host参数指定主机名称。当连接成功后，会出现下面的提示信息：



Connected
同时在服务器端会提示用户客户端已经连接成功。



SimpleSSLServer



让我们先来看一下SimpleSSLServer。在main（）方法中，程序获得了缺省的SSLServerSocketFactory对象；然后利用SSLServerSocketFactory创建一个SimpleSSLServer对象，最后调用start（）方法启动SimpleSSLServer对象。



SSLServerSocketFactory ssf=
(SSLServerSocketFactory)SSLServerSocketFactory.getDefault();
SimpleSSLServer server=new SimpleSSLServer(ssf,port);
server.start();
由于服务器是在一个单独的线程中运行的，main（）方法启动了服务器之后就退出了。start（）方法启动了一个新的线程，该线程执行run（）方法中的代码。在run（）方法中创建了一个SSLServerSocket对象，然后设定服务器需要进行客户端验证：
SSLServerSocket serverSocket= (SSLServerSocket)serverSocketFactory.createServerSocket(port);
serverSocket.setNeedClientAuth(true);
调用run（）方法后，程序进入了一个死循环，等待客户端的连接申请。循环中的每个Socket对应一个HandshakeCompletedListener对象（该对象是用来显示客户验证信息中的标识名称［distinguished name］的）。Socket的InputStream对象被包装在一个InputDisplayer对象中，这个InputDisplayer对象运行在另外一个线程中，用来将Socket接收到的数据发送到System.out。下面的代码是SimpleSSLServer中的主循环体：
while (true) {
String ident=String.valueOf(id++);
//监听连接请求.
SSLSocket socket=(SSLSocket)serverSocket.accept();
//通过使用HandshakeCompletedListener对象,程序进行授权验证.
HandshakeCompletedListener hcl=new SimpleHandshakeListener(ident);
socket.addHandshakeCompletedListener(hcl);
InputStream in=socket.getInputStream();
new InputDisplayer(ident, in);
}
程序中的SimpleHandshakeListener类实现了HandshakeCompletedListerner接口。在SimpleHandshakeListener类中实现了handshakeCompleted（）方法，该方法在SSL握手阶段完成后将被JSSE调用。它将显示出客户端的标识名称：
class SimpleHandshakeListener implements HandshakeCompletedListener
{
String ident;
/**
* 构造函数.
*/
public SimpleHandshakeListener(String ident)
{
this.ident=ident;
}
/**当SSL握手过程完成后该方法被激活. */
public void handshakeCompleted(HandshakeCompletedEvent event)
{
//显示授权信息.
try {
X509Certificate
cert=(X509Certificate)event.getPeerCertificates()[0];
String peer=cert.getSubjectDN().getName();
System.out.println(ident+": Request from "+peer);
}
catch (SSLPeerUnverifiedException pue) {
System.out.println(ident+": Peer unverified");
}
}
}
用红色字体表示的两行代码是这段代码的核心：getPeerCertificates（）方法返回一个X509Certificated对象的数组。这些X509Certificated对象创建了客户端的身份标识。在数组中的第一个元素是客户端的验证信息，而最后一个通常是CA验证。当我们有了客户端的验证信息后。我们可以得到其中的标识名称，并将它传送到System.out。



SimpleSSLClient



SimpleSSLClient类比较简单，但是在后面的一些比较复杂的例子中的类会继承该类。在getSLLSocketFactory（）方法中，程序返回缺省的工厂类：



protected SSLSocketFactory getSSLSocketFactory()
throws IOException, GeneralSecurityException
{
return (SSLSocketFactory)SSLSocketFactory.getDefault();
}
在runClient()方法中，程序处理了输入参数后，获得SSLSockFactory对象，调用connect（）方法连接到服务器程序。在connect（）方法中，程序首先创建一个SSLSocket对象，然后调用SSLSocket对象的startHandshang（）方法启动和服务器端的握手过程。当握手过程完成后，会触发一个HandshakeCompletedEvent事件。在服务器端的HandshakeCompletedListener对象会处理这个事件。事实上，JSSE可以自动启动握手过程，但是必须是在第一次有数据通过Socket传输的情况下。由于在例子程序中，直到用户在键盘上输入信息后才会有数据通过Socket传输，而我们希望服务器端及时报告连接情况，因此我们用startShake（）方法来手工激活握手过程。
public void connect(SSLSocketFactory sf) throws IOException
{
socket=(SSLSocket)sf.createSocket(host, port);
try {
socket.startHandshake();
}
catch (IOException ioe) {
// 握手失败.关闭连接.
try {
socket.close();
}
catch (IOException ioe2) {
// 忽略该错误.
}
socket=null;
throw ioe;
}
}
SimpleSSLClient类中的transmit（）方法也很简单。首先程序将输入流包装到一个Reader对象中，然后将输出流包装到一个Writer对象中；最后将数据流输出到Socket：


boolean done=false;
while (!done) {
String line=reader.readLine();
if (line!=null) {
writer.write(line);
writer.write('\n');
writer.flush();
}
else done=true;
}
定制KeyStore和TrustStore?
还记得我们是如何运行客户端的吗？我们需要在命令行中指定keyStore,keyStorePasword, trustStore和trustStorePassword参数，以至于整个命令显得过于冗长。事实上你可以在程序中指定KeyStore和TrustStore，后面的例子中将告诉你如何实现这一点。同时在例子中还会演示如何配置多个SSLSocketFactory对象，其中每个SSLSocketFactory对象对应不同的KeyStore和TrustStore设置。如果没有这种技术，在同一个虚拟机上的所有安全连接都只能使用同一个KeyStore和TrustStore。对于比较小的应用程序，这也许不会产生问题；但是对于那些比较大的应用程序来说，这绝对是一个严重的缺陷。




在下面的例子中，我们将使用CustomTrustStoreClient来动态定义KeyStore和TrustStore。首先让我们先运行一下CustomTrustStoreClient：




java CustomTrustStoreClient
为什么运行CustomTrustStoreClient时不需要指定KeyStore和TrustStore参数呢？这是应为在CustomTrustStoreClient的代码中指定了KeyStore（ClientKeys）和TrustStore（ClientTruts）以及它们的密钥（password）。如果你想使用其他的KeyStore、 TrustStore或密钥，可以使用-ks、-kspass、-ts和-tspass参数来指定。下面让我们来看一下CustomTrustStoreClient的getSSLSocketFactory（）方法。该方法通过调用getTrustManager（）方法获得一个TurstManager对象数组，通过调用getKeyManagers（）方法获得一个KeyManager对象数组。然后利用得到的TurstManager和KeyManager对象数组构造一个SSLContext对象，最后通过SSLContext对象的getSocketFactory（）方法来配置JSSE。需要注意的是在调用SSLContext类的init（）方法时使用的参数。第一个参数是KeyManager对象数组。第二个参数和第一个参数类似，是TrustManager数组。如果前两个参数被设定为null，程序将使用缺省的KeyManager和TrustStore（缺省的KeyStore来源于系统属性中的javax.net.ssl.keyStore和javax.net.ssl.keyStorePassword属性；缺省的TrustStore来源于系统属性中的javax.net.ssl.trustStore和javax.net.ssl.trustStorePassword属性）。通过设定第三个参数可以指定JSSE中的随机数产生器（Random Number Generate, RNG）。由于在SSL中随机数的产生是一个很敏感的问题，错误使用这个参数会导致安全连接变得不安全，因此我在例子中使用了null。这样程序将使用缺省的并且是安全的SecureRandom对象。
protected SSLSocketFactory getSSLSocketFactory()
throws IOException, GeneralSecurityException
{
// 调用getTrustManagers方法获得trust managers
TrustManager[] tms=getTrustManagers();
// 调用getKeyManagers方法获得key manager
KeyManager[] kms=getKeyManagers();
//利用KeyManagers创建一个SSLContext对象.用获得的KeyStore和
// TrustStore初始化该SSLContext对象.我们使用缺省的SecureRandom.
SSLContext context=SSLContext.getInstance("SSL");
context.init(kms, tms, null);
//最后获得了SocketFactory对象.
SSLSocketFactory ssf=context.getSocketFactory();
return ssf;
}
下面让我们看一看CustomKeyStoreClient类中的getKeyMangers（）方法是如何初始化KeyManagers对象数组的：




protected KeyManager[] getKeyManagers()
throws IOException, GeneralSecurityException
{
// 获得KeyManagerFactory对象.
String alg=KeyManagerFactory.getDefaultAlgorithm();
KeyManagerFactory kmFact=KeyManagerFactory.getInstance(alg);
// 配置KeyManagerFactory对象使用的KeyStoree.我们通过一个文件加载
// KeyStore.
FileInputStream fis=new FileInputStream(keyStore);
KeyStore ks=KeyStore.getInstance("jks");
ks.load(fis, keyStorePassword.toCharArray());
fis.close();
// 使用获得的KeyStore初始化KeyManagerFactory对象
kmFact.init(ks, keyStorePassword.toCharArray());
// 获得KeyManagers对象
KeyManager[] kms=kmFact.getKeyManagers();
return kms;
}
首先的任务是获得一个KeyManagerFactory对象，但是你必须知道应该使用哪种算法。JSSE中提供了一个缺省的KeyManagerFactory算法（程序员也可以通过指定ssl.KeyManagerFacotory.algorithm属性指定缺省算法）。获得KeyManagerFactory对象后就可以加载KeyStore文件了，程序中通过一个InputStream对象将信息从文件送入KeyStore对象中。在这个过程之前，KeyStore对象需要知道输入流的格式（例子中我使用的是jks）和密钥。当我们完成了KeyStore的加载后，我们就可以用它来初始化KeyManagerFactory对象了。通常在JSSE中，在KeyStore中的所有证书使用和KeyStore相同的密码，但是通过创建KeyManagerFactory对象你可以突破这个限制。在初始化了KeyManagerFactory对象后，通常使用getKeyManager（）方法来获得KeyManager对象数组。程序员通过使用和getKeyMangers（）方法类似的流程来初始化TrustManager数组，这里我就不再重复了。
实现一个KeyManager类
到目前为止，我们已经知道如何在程序中动态生成KeyStore和TrustStore了。最后一个例子将告诉你如何实现一个KeyManager类。




当运行前几个例子的时候，不知道大家是否注意到服务器端显示的授权的标识名称。在前面我们授权给了两个人：Alice和Bob，在运行程序时JSSE会从中任选一个。在我的计算机上JSSE选择的总是Bob，或许在你的计算机上情况会有所不同。下面让我们来看一看最后一个例子程序：SelectAliasClient。这个例子使你能够在运行客户端时使用指定的授权。例如你需要指定使用Alice的授权，由于Alice的别名是alice，你需要在命令窗口中键入下面的命令：




java SelectAliasClient -alias alice
当客户端和服务器端成功连接后，客户器端会出现下面的信息：
1: New connection request
1: Request from CN=Alice, OU= Development, O=DCQ, L=ChongQing,
ST=ChongQing, C=CH
为了使程序使用指定的授权，我们需要实现X509KeyManager接口（X509KeyManager是JSSE中最常用的KeyManager）。X509KeyManager接口在SSL握手阶段使用了几个方法来获得授权。下面是X509KeyManager接口获得授权的过程：




1.JSSE调用chooseClientAlias（）方法获得指定的授权。




2.chooseClientAlias（）方法调用X509KeyManager接口的getClientAlaises（）方法获得SSLSocket对象使用的所有授权的别名，然后检查指定的授权别名是否有效。
3.JSSE将别名作为参数调用X509KeyManager接口的getCertificateChain（）和getPrivateKey（）方法，这样就获得了指定授权的相关信息。
在例子程序中，X509KeyManager接口的实现类是AliasForcingKeyManager。在该类中最重要的方法就是就是chooseClientAlias（）方法。下面是该方法的源代码：




public String chooseClientAlias(String[] keyType, Principal[] issuers,
Socket socket)
{
//对于每一种类型的授权,都需要调用一次getClientAliases()方法来验
// 证别名是否有效.
boolean aliasFound=false;
for (int i=0; i< i++) !aliasFound; &&>




String[] validAliases=baseKM.getClientAliases(keyType, issuers);
if (validAliases!=null) {
for (int j=0; j< !aliasFound; && j++)>




if (validAliases[j].equals(alias)) aliasFound=true;
}
}
}
if (aliasFound) return alias;
else return null;
}
我们可以看到在程序中，chooserClientAlias（）方法实际上多次调用了getClientAliases（）方法，每次都针对不同的授权类型。AliasForingKeyManager还实现了X509KeyManager接口的其他五个方法，在这里就不再一一赘述了。




然后我们就可以在程序中用AliasForingKeyManager对象来替代KeyManager对象了。在getSSLSocketFactory（）方法中，我们只需要将通过调用getKeyManagers（）方法获得KeyManager对象数组，然后将其强制转化为AliasForcingKeyManager对象就可以了。下面是新的getSSLSocketFactory（）方法的代码：




protected SSLSocketFactory getSSLSocketFactory()
throws IOException, GeneralSecurityException
{
// 调用父类中的方法获得TrustManager和KeyManager
KeyManager[] kms=getKeyManagers();
TrustManager[]tms=getTrustManagers();
// 如果指定了别名，将KeyManagers包装在AliasForcingKeyManager对象中.
if (alias!=null) {
for (int i=0; i< i++)>




// 这里只处理了X509KeyManager接口
if (kms instanceofX509KeyManager)
kms=new AliasForcingKeyManager((X509KeyManager)kms,alias);
}
}
// 利用TrustManagers和已经被包装的KeyManagers创建一个SSLContext对象.
SSLContext context=SSLContext.getInstance("SSL");
context.init(kms, tms, null);
// 获得SocketFactory对象.
SSLSocketFactory ssf=context.getSocketFactory();
return ssf;
}
我们可以使用同样的方法来替换TrustManager对象，这样我们就可以控制JSSE验证授权的机制。具体的实现就留给读者朋友去解决了。
小结
在这篇文章中，我们讲述了使用JSSE的一些小技巧。读完这篇文章后，我相信大家因该知道如何通过编程实现下面的任务：




· 使用HandshagCompletedListerner对象来获得关于连接的信息。




· 从SSLContext对象中获得一个SLLSocketFactory对象。




· 使用动态的TrustStroe或KeyStore。
· 突破在JSSE中KeySotre的密钥的每个授权的密钥必须相同的限制。




· 通过实现自己的KeyManager类来指定JSSE使用的授权。




如果大家有兴趣的话，还可以进一步将这些技术进行扩展。例如你可以在JSSE的其他类中使用X509KeyManager接口，也可以在TrustStore和KeyStore的实现类中从数据库中读取授权信息。但是在使用自己编写的TrustStore，KeyStore，TrustManager和KeyManager的时候，需要非常小心，因为任何一个细微的错误都可能导致SSL连接不再是安全的了。
作者简介：冯睿毕业于美国北伊利诺大学计算机和电气工程系，获工程硕士学位。曾就职于NewMonics公司，进行Java虚拟机部分包的设计和开发和Java底层的性能优化工作。目前负责一些政府和企业级GIS系统的设计和实现。