Java安全通信概述

转自：http://www.cnblogs.com/devinzhang/archive/2012/02/27/2370069.html

 

1.安全通信介绍　　

　　计算机安全通信过程中，常使用消息摘要和消息验证码来保证传输的数据未曾被第三方修改。 

　　消息摘要是对原始数据按照一定算法进行计算得到的结果，它主要检测原始数据是否被修改过。消息摘要与加密不同，加密是对原始数据进行变换，可以从变换后的数据中获得原始数据，而消息摘要是从原始数据中获得一部分信息，它比原始数据少得多，因此消息摘要可以看作是原始数据的指纹。 

　　例：下面一段程序计算一段字符串的消息摘要 

package com.messagedigest;import java.security.*;public class DigestPass {　public static void main(String[] args) throws Exception{　　String str="Hello,I sent to you 80 yuan.";　　MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");//常用的有MD5,SHA算法等 　　md.update(str.getBytes("UTF-8"));//传入原始字串 　　byte[] re = md.digest();//计算消息摘要放入byte数组中　　//下面把消息摘要转换为字符串 　　String result = "";　　for(int i=0;i＜re.length;i++){　　　result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])|0xffffff00).substring(6);　　}　　System.out.println(result);　}} 

　　当我们有时需要对一个文件加密时，以上方式不再适用。 

　　又例：下面一段程序计算从输入（出）流中计算消息摘要。 

package com.messagedigest;import java.io.*;import java.security.*;public class DigestInput {　public static void main(String[] args) throws Exception{　　String fileName = "test.txt";　　MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");　　FileInputStream fin = new FileInputStream(fileName);　　DigestInputStream din = new DigestInputStream(fin,md);//构造输入流　　//DigestOutputStream dout = new DigestOutputStream(fout,md);　　//使用输入（出）流可以自己控制何时开始和关闭计算摘要　　//也可以不控制，将全过程计算　　//初始时是从开始即开始计算，如我们可以开始时关闭，然后从某一部分开始，如下：　　//din.on(false); 　　int b;　　while((b=din.read())!=-1){　　　//做一些对文件的处理　　　//if(b=='$') din.on(true); //当遇到文件中的符号$时才开始计算 　　}　　byte[] re = md.digest();//获得消息摘要　　//下面把消息摘要转换为字符串 　　String result = "";　　for(int i=0;i＜re.length;i++){　　　result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])|0xffffff00).substring(6);　　}　　System.out.println(result);　}} 

　　当A和B通信时，A将数据传给B时，同时也将数据的消息摘要传给B，B收到后可以用该消息摘要验证A传的消息是否正确。这时会产生问题，即若传递过程中别人修改了数据时，同时也修改了消息摘要。B就无法确认数据是否正确。消息验证码可以解决这一问题。 

　　使用消息验证码的前提是 A和B双方有一个共同的密钥，这样A可以将数据计算出来的消息摘要加密后发给B，以防止消息摘要被改。由于使用了共同的密钥，所以称为“验证码”。 
 　　例、下面的程序即可利用共同的密钥来计算消息摘要的验证码 

package com.mac;import java.io.*;import java.security.*;import javax.crypto.*;import javax.crypto.spec.*;public class MyMac {　public static void main(String[] args) throws Exception{　　//这是一个消息摘要串 　　String str="TestString";　　//共同的密钥编码，这个可以通过其它算法计算出来 　　byte[] kb={11,105,-119,50,4,-105,16,38,-14,-111,21,-95,70,-15,76,-74,　　　　67,-88,59,-71,55,-125,104,42};　　//获取共同的密钥 　　SecretKeySpec k = new SecretKeySpec(kb,"HMACSHA1");　　//获取Mac对象 　　Mac m = Mac.getInstance("HmacMD5");　　m.init(k);　　m.update(str.getBytes("UTF-8"));　　byte[] re = m.doFinal();//生成消息码　　//下面把消息码转换为字符串 　　String result = "";　　for(int i=0;i＜re.length;i++){　　　result += Integer.toHexString((0x000000ff&re[i])|0xffffff00).substring(6);　　}　　System.out.println(result);　}} 

　　使用以上两种技术可以保证数据没有经过改变，但接收者还无法确定数据是否确实是某个人发来的。尽管消息码可以确定数据是某个有同样密钥的人发来的，但这要求双方具有共享的密钥，若有一组用户共享，我们就无法确定数据的来源了。 

　　基于SSL的数字签名可以解决这一问题。数字签名利用非对称加密技术，发送者使用私钥加密数据产生的消息摘要（签名），接收者使用发送者的公钥解密消息摘要以验证签名是否是某个人的。由于私钥只有加密者才有，因此如果接收者用某个公钥解密了某个消息摘要，就可以确定这段消息摘要必然是对应的私钥持有者发来的。

　　使用数字签名的前提是接收数据者能够确信验证签名时（用发送者的私钥加密消息摘要）所用的公钥确实是某个人的 (因为有可能有人假告公钥)。数字证书可以解决这个问题。 

　　数字证书含有两部分数据：一部分是对应主体（单位或个人）的信息，另一部分是这个主体所对应的公钥。即数字证书保存了主体和它的公钥的一一对应关系。同样，数字证书也有可能被假造，如何判定数字证书的内容的真实性呢？所以，有效的数字证书必须经过权威 CA的签名，即权威CA验证数字证书的内容的真实性，然后再在数字证书上使用自己的私钥签名（相当于在证书加章确认）。

　　这样，当用户收到这样的数字证书后，会用相应的权威 CA的公钥验证该证书的签名(因为权威的CA的公钥在操作系统中己经安装)。根据非对称加密的原理，如果该证书不是权威CA签名的，将不能通过验证，即该证书是不可靠的。 

　　若通过验证，即可证明此证书含的信息（发信人的公钥和信息）是无误的。于是可以信任该证书，便可以通过该证书内含的公钥来确认数据确实是发送者发来的。 

　　于是，双方通信时， A把数据的消息摘要用自己的私钥加密（即签名），然后把自己的数字证书和数据及签名后的消息摘要一起发送给B，B处查看A的数字证书，如果A的数字证书是经过权威CA验证可靠的，便信任A，便可使用A的数字证书中附带的A的公钥解密消息摘要（这一过程同时确认了发送数据的人又可以解密消息摘要），然后通过解密后的消息摘要验证数据是否正确无误没被修改。 

 

2.SSL安全证书

　　SSL(安全套接层)是Netscape公司在1994年开发的，最初用于WEB浏览器，为浏览器与服务器间的数据传递提供安全保障，提供了加密、来源认证和数据完整性的功能。现在SSL3.0得到了普遍的使用，它的改进版TLS(传输层安全)已经成为互联网标准。SSL本身和TCP套接字连接是很相似的，在协议栈中，SSL可以被简单的看作是安全的TCP连接，但是某些TCP连接的特性它是不支持的，比如带外数据(out-of-bound)。

 　 在构建基于Socket的C/S程序时，通过添加对SSL的支持来保障数据安全和完整是不错的方法。完善的Java为我们提供了简单的实现方法：JSSE(Java安全套接字扩展)。JSSE是一个纯Java实现的SSL和TLS协议框架，抽象了SSL和TLS复杂的算法，使安全问题变得简单。JSSE已经成为J2SE1.4版本中的标准组件，支持SSL 3.0和TLS 1.0。我们将通过一个具体的例子演示JSSE的一些基本应用。例子中的服务器端将打开一个SSL Socket，只有持有指定证书的客户端可以与它连接，所有的数据传递都是加密的。

 　　 构造一个SSLSocket是非常简单的：

 SSLServerSocketFactory factory=(SSLServerSocketFactory)SSLServerSocketFactory.getDefault(); SSLServerSocket server = (SSLServerSocket) factory.createServerSocket(portNumber); SSLSocket socket = (SSLSocket); 

　　 但是执行这样的程序会产生一个异常，报告找不到可信任的证书。SSLSocket和普通的Socket是不一样的，它需要一个证书来进行安全认证。

1）证书

 　　 生成一个CA证书，在命令行下执行：

keytool –genkey –keystore SSLKey –keyalg rsa –alias SSL

　　黑体部分是用户可以自己指定的参数，第一个参数是要生成的证书的名字，第二个参数是证书的别名。rsa指明了我们使用的加密方法。

　　系统会要求输入证书发放者的信息，逐项输入即可。

　　系统生成的文件命将会和证书名相同。证书可以提交给权威CA认证组织审核，如果通过审核，组织会提供信任担保，向客户担保你的连接是安全的。当然这不是必须的。在我们的例子中会把证书直接打包到客户端程序中，保证客户端是授权用户，避免伪造客户，所以不需要提交审核。

 

2）服务器端

　　现在可以编写服务器端的代码，与普通的Socket代码不同，我们需要在程序中导入证书，并使用该证书构造SSLSocket。需要的说明的是：

KeyStore ks=KeyStore.getInstance("JKS");

　　访问Java密钥库，JKS是keytool创建的Java密钥库，保存密钥。

KeyManagerFactory kmf=KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");

　　创建用于管理JKS密钥库的X.509密钥管理器。

SSLContext sslContext=SSLContext.getInstance("SSLv3");

　　构造SSL环境，指定SSL版本为3.0，也可以使用TLSv1，但是SSLv3更加常用。

sslContext.init(kmf.getKeyManagers(),null,null);

　　初始化SSL环境。第二个参数是告诉JSSE使用的可信任证书的来源，设置为null是从javax.net.ssl.trustStore中获得证书。第三个参数是JSSE生成的随机数，这个参数将影响系统的安全性，设置为null是个好选择，可以保证JSSE的安全性。

　　完整代码如下：

/* *SSL Socket的服务器端 *@Author Bromon */ package org.ec107.ssl; import java.net.*; import javax.net.ssl.*; import java.io.*; import java.security.*; public class SSLServer {  static int port=8266;  //系统将要监听的端口号,82.6.6是偶以前女朋友的生日^_^  static SSLServerSocket server;    /*  *构造函数  */    public SSLServer()  {     }      /*  *@param port 监听的端口号  *@return 返回一个SSLServerSocket对象  */    private static SSLServerSocket getServerSocket(int thePort)  {   SSLServerSocket s=null;   try   {    String key="SSLKey";  //要使用的证书名    char keyStorePass[]="12345678".toCharArray();  //证书密码    char keyPassword[]="12345678".toCharArray();  //证书别称所使用的主要密码    KeyStore ks=KeyStore.getInstance("JKS");  //创建JKS密钥库    ks.load(new FileInputStream(key),keyStorePass);     //创建管理JKS密钥库的X.509密钥管理器    KeyManagerFactory kmf=KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");    kmf.init(ks,keyPassword);    SSLContext sslContext=SSLContext.getInstance("SSLv3");    sslContext.init(kmf.getKeyManagers(),null,null);      //根据上面配置的SSL上下文来产生SSLServerSocketFactory,与通常的产生方法不同    SSLServerSocketFactory factory=sslContext.getServerSocketFactory();    s=(SSLServerSocket)factory.createServerSocket(thePort);   }catch(Exception e)   {    System.out.println(e);   }   return(s);  }      public static void main(String args[])  {   try   {    server=getServerSocket(port);    System.out.println("在”+port+”端口等待连接...");    while(true)    {     SSLSocket socket=(SSLSocket)server.accept();          //将得到的socket交给CreateThread对象处理,主线程继续监听     new CreateThread(socket);         }   }catch(Exception e)   {    System.out.println("main方法错误80:"+e);   }  } }  /* *内部类,获得主线程的socket连接,生成子线程来处理 */ class CreateThread extends Thread {  static BufferedReader in;  static PrintWriter out;  static Socket s;    /*  *构造函数,获得socket连接,初始化in和out对象  */    public CreateThread(Socket socket)  {   try   {    s=socket;    in=new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream(),"gb2312"));    out=new PrintWriter(s.getOutputStream(),true);    start();  //开新线程执行run方法  }catch(Exception e)   {    System.out.println(e);   }     }    /*  *线程方法,处理socket传递过来的数据  */  public void run()  {   try   {    String msg=in.readLine();    System.out.println(msg);    s.close();   }catch(Exception e)   {    System.out.println(e);   }  } }

 

　　将我们刚才生成的证书放到程序所在的目录下，上面的代码就可以在编译之后执行：

java org.ec107.ssl.SSLServer

 　　在8266端口等待连接…

 

3） 客户端

　　客户端的代码相对简单，我们可以不在程序中指定SSL环境，而是在执行客户端程序时指定。需要注意的是客户端并没有导入证书，而是采用了默认的工厂方法构造SSLSocket：

SSLSocketFactory factory=(SSLSocketFactory)SSLSocketFactory.getDefault();

　

 　　构造默认的工厂方法

Socket s=factory.createSocket("localhost",port);

　　 打开一个SSLSocket连接

/* *SSL Socket 的客户端 *@Author Bromon */ import java.net.*; import javax.net.ssl.*; import javax.net.*; import java.io.*; public class SSLClient {  static int port=8266;  public static void main(String args[])  {   try   {    SSLSocketFactory factory=(SSLSocketFactory)SSLSocketFactory.getDefault();     Socket s=factory.createSocket("localhost",port);        PrintWriter out=new PrintWriter(s.getOutputStream(),true);    out.println("安全的说你好");    out.close();    s.close();   }catch(Exception e)   {    System.out.println(e);   }  } }

 

　　把服务器产生的证书(SSLKey)拷贝到程序所在的目录，执行这个程序的时候需要向javax.net.ssl.trustStore环境变量传入证书名：

java –Djavax.net.ssl.trustStore=SSLKey org.ec107.ssl.SSLClient

　　可以在服务器的控制台看到客户端发送过来的数据。

 

　　 执行客户端可以有另一种方法，把证书拷贝到java home/lib/security目录下，名字改为jssecacerts，然后可以直接执行客户端：

java org.ec107.ssl.SSLClient

　　程序会自动的到上述目录下去寻找jssecacerts文件作为默认的证书。需要注意的是这里的java home并不是我们在安装J2SE时指定的那个JAVA_HOME。可以执行一个程序来得到java home的位置：

 public class GetJavaHome {   public static void main(String args[])   {     System.out.println(System.getProperty(“java.home”));   } }

　　一般情况下(windows 2K)hava home的位置是在C:Program FilesJavaj2re1.4.0_02，相对的，证书就应该拷贝到C:Program FilesJavaj2re1.4.0_02libsecurity下，如果安装了自带JDK的Java IDE，比如JBuilder，情况可能会有不同。

　　如果程序客户在不持有证书的情况下直接进行连接，服务器端会产生运行时异常，不允许进行连接。

　　运行环境：windows 2K server，j2sdk1.4.1