淺析Android系統(tǒng)中HTTPS通信的實(shí)現(xiàn)
前言
最近有一個(gè)跟HTTPS相關(guān)的問題需要解決，因此花時(shí)間學(xué)習(xí)了一下Android平臺(tái)HTTPS的使用，同時(shí)也看了一些HTTPS的原理，這里分享一下學(xué)習(xí)心得。
HTTPS原理
HTTPS(Hyper Text Transfer Protocol Secure)，是一種基于SSL/TLS的HTTP，所有的HTTP數(shù)據(jù)都是在SSL/TLS協(xié)議封裝之上進(jìn)行傳輸?shù)?。HTTPS協(xié)議是在HTTP協(xié)議的基礎(chǔ)上，添加了SSL/TLS握手以及數(shù)據(jù)加密傳輸，也屬于應(yīng)用層協(xié)議。所以，研究HTTPS協(xié)議原理，最終就是研究SSL/TLS協(xié)議。
SSL/TLS協(xié)議作用
不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信，所有的信息明文傳播，帶來(lái)了三大風(fēng)險(xiǎn)：
1. 竊聽風(fēng)險(xiǎn)：第三方可以獲知通信內(nèi)容。
2. 篡改風(fēng)險(xiǎn)：第三方可以修改通知內(nèi)容。
3. 冒充風(fēng)險(xiǎn)：第三方可以冒充他人身份參與通信。
SSL/TLS協(xié)議是為了解決這三大風(fēng)險(xiǎn)而設(shè)計(jì)的，希望達(dá)到：
1. 所有信息都是加密傳輸，第三方無(wú)法竊聽。
2. 具有校驗(yàn)機(jī)制，一旦被篡改，通信雙方都會(huì)立刻發(fā)現(xiàn)。
3. 配備身份證書，防止身份被冒充。
基本的運(yùn)行過程
SSL/TLS協(xié)議的基本思路是采用公鑰加密法，也就是說(shuō)，客戶端先向服務(wù)器端索要公鑰，然后用公鑰加密信息，服務(wù)器收到密文后，用自己的私鑰解密。但是這里需要了解兩個(gè)問題的解決方案。
1. 如何保證公鑰不被篡改？
解決方法：將公鑰放在數(shù)字證書中。只要證書是可信的，公鑰就是可信的。
2. 公鑰加密計(jì)算量太大，如何減少耗用的時(shí)間？
解決方法：每一次對(duì)話(session)，客戶端和服務(wù)器端都生成一個(gè)“對(duì)話密鑰”(session key)，用它來(lái)加密信息。由于“對(duì)話密鑰”是對(duì)稱加密，所以運(yùn)算速度非常快，而服務(wù)器公鑰只用于加密“對(duì)話密鑰”本身，這樣就減少了加密運(yùn)算的消耗時(shí)間。
因此，SSL/TLS協(xié)議的基本過程是這樣的：
1. 客戶端向服務(wù)器端索要并驗(yàn)證公鑰。
2. 雙方協(xié)商生成“對(duì)話密鑰”。
3. 雙方采用“對(duì)話密鑰”進(jìn)行加密通信。
上面過程的前兩布，又稱為“握手階段”。
握手階段的詳細(xì)過程
握手階段”涉及四次通信，需要注意的是，“握手階段”的所有通信都是明文的。
客戶端發(fā)出請(qǐng)求（ClientHello）
首先，客戶端（通常是瀏覽器）先向服務(wù)器發(fā)出加密通信的請(qǐng)求，這被叫做ClientHello請(qǐng)求。在這一步中，客戶端主要向服務(wù)器提供以下信息：
1. 支持的協(xié)議版本，比如TLS 1.0版
2. 一個(gè)客戶端生成的隨機(jī)數(shù)，稍后用于生成“對(duì)話密鑰”。
3. 支持的加密方法，比如RSA公鑰加密。
4. 支持的壓縮方法。
這里需要注意的是，客戶端發(fā)送的信息之中不包括服務(wù)器的域名。也就是說(shuō)，理論上服務(wù)器只能包含一個(gè)網(wǎng)站，否則會(huì)分不清應(yīng)用向客戶端提供哪一個(gè)網(wǎng)站的數(shù)字證書。這就是為什么通常一臺(tái)服務(wù)器只能有一張數(shù)字證書的原因。
服務(wù)器回應(yīng)（ServerHello）
服務(wù)器收到客戶端請(qǐng)求后，向客戶端發(fā)出回應(yīng)，這叫做ServerHello。服務(wù)器的回應(yīng)包含以下內(nèi)容：
1. 確認(rèn)使用的加密通信協(xié)議版本，比如TLS 1.0版本。如果瀏覽器與服務(wù)器支持的版本不一致，服務(wù)器關(guān)閉加密通信。
2. 一個(gè)服務(wù)器生成的隨機(jī)數(shù)，稍后用于生成“對(duì)話密鑰”。
3. 確認(rèn)使用的加密方法，比如RSA公鑰加密。
4. 服務(wù)器證書。
除了上面這些信息，如果服務(wù)器需要確認(rèn)客戶端的身份，就會(huì)再包含一項(xiàng)請(qǐng)求，要求客戶端提供“客戶端證書”。比如，金融機(jī)構(gòu)往往只允許認(rèn)證客戶連入自己的網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)向正式客戶提供USB密鑰，里面就包含了一張客戶端證書。
客戶端回應(yīng)
客戶端收到服務(wù)器回應(yīng)以后，首先驗(yàn)證服務(wù)器證書。如果證書不是可信機(jī)構(gòu)頒發(fā)，或者證書中的域名與實(shí)際域名不一致，或者證書已經(jīng)過期，就會(huì)向訪問者顯示一個(gè)警告，由其選擇是否還要繼續(xù)通信。
如果證書沒有問題，客戶端就會(huì)從證書中取出服務(wù)器的公鑰。然后，向服務(wù)器發(fā)送下面三項(xiàng)消息。
1. 一個(gè)隨機(jī)數(shù)。該隨機(jī)數(shù)用服務(wù)器公鑰加密，防止被竊聽。
2. 編碼改變通知，表示隨后的信息都將用雙方商定的加密方法和密鑰發(fā)送。
3. 客戶端握手結(jié)束通知，表示客戶端的握手階段已經(jīng)結(jié)束。這一項(xiàng)通常也是前面發(fā)送的所有內(nèi)容的hash值，用來(lái)供服務(wù)器校驗(yàn)。
上面第一項(xiàng)隨機(jī)數(shù)，是整個(gè)握手階段出現(xiàn)的第三個(gè)隨機(jī)數(shù)，又稱“pre-master key”。有了它以后，客戶端和服務(wù)器就同時(shí)有了三個(gè)隨機(jī)數(shù)，接著雙方就用事先商定的加密方法，各自生成本次會(huì)話所用的同一把“會(huì)話密鑰”。
服務(wù)器的最后回應(yīng)
服務(wù)器收到客戶端的第三個(gè)隨機(jī)數(shù)pre-master key之后，計(jì)算生成本次會(huì)話所用的“會(huì)話密鑰”。然后，向客戶端最后發(fā)送下面信息。
1. 編碼改變通知，表示隨后的信息都將用雙方商定的加密方法和密鑰發(fā)送。
2. 服務(wù)器握手結(jié)束通知，表示服務(wù)器的握手階段已經(jīng)結(jié)束。這一項(xiàng)同時(shí)也是前面發(fā)生的所有內(nèi)容的hash值，用來(lái)供客戶端校驗(yàn)。
握手結(jié)束
至此，整個(gè)握手階段全部結(jié)束。接下來(lái)，客戶端與服務(wù)器進(jìn)入加密通信，就完全是使用普通的HTTP協(xié)議，只不過用“會(huì)話密鑰”加密內(nèi)容。
服務(wù)器基于Nginx搭建HTTPS虛擬站點(diǎn)
之前一篇文章詳細(xì)介紹了在服務(wù)器端如何生成SSL證書，并基于Nginx搭建HTTPS服務(wù)器，鏈接：Nginx搭建HTTPS服務(wù)器
Android實(shí)現(xiàn)HTTPS通信
由于各種原因吧，這里使用HttpClicent類講解一下Android如何建立HTTPS連接。代碼demo如下。
MainActivity.java
package com.example.photocrop;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import org.apache.http.HttpResponse;
import org.apache.http.HttpStatus;
import org.apache.http.StatusLine;
import org.apache.http.client.HttpClient;
import org.apache.http.client.methods.HttpPost;
import org.apache.http.client.methods.HttpUriRequest;
import android.app.Activity;
import android.os.AsyncTask;
import android.os.Bundle;
import android.os.AsyncTask.Status;
import android.text.TextUtils;
import android.util.Log;
import android.view.View;
import android.widget.Button;
import android.widget.TextView;
public class MainActivity extends Activity {
private Button httpsButton;
private TextView conTextView;
private CreateHttpsConnTask httpsTask;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
httpsButton = (Button) findViewById(R.id.create_https_button);
httpsButton.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
runHttpsConnection();
}
});
conTextView = (TextView) findViewById(R.id.content_textview);
conTextView.setText("初始為空");
}
private void runHttpsConnection() {
if (httpsTask == null || httpsTask.getStatus() == Status.FINISHED) {
httpsTask = new CreateHttpsConnTask();
httpsTask.execute();
}
}
private class CreateHttpsConnTask extends AsyncTask<Void, Void, Void> {
private static final String HTTPS_EXAMPLE_URL = "自定義";
private StringBuffer sBuffer = new StringBuffer();
@Override
protected Void doInBackground(Void... params) {
HttpUriRequest request = new HttpPost(HTTPS_EXAMPLE_URL);
HttpClient httpClient = HttpUtils.getHttpsClient();
try {
HttpResponse httpResponse = httpClient.execute(request);
if (httpResponse != null) {
StatusLine statusLine = httpResponse.getStatusLine();
if (statusLine != null
&& statusLine.getStatusCode() == HttpStatus.SC_OK) {
BufferedReader reader = null;
try {
reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(
httpResponse.getEntity().getContent(),
"UTF-8"));
String line = null;
while ((line = reader.readLine()) != null) {
sBuffer.append(line);
}
} catch (Exception e) {
Log.e("https", e.getMessage());
} finally {
if (reader != null) {
reader.close();
reader = null;
}
}
}
}
} catch (Exception e) {
Log.e("https", e.getMessage());
} finally {
}
return null;
}
@Override
protected void onPostExecute(Void result) {
if (!TextUtils.isEmpty(sBuffer.toString())) {
conTextView.setText(sBuffer.toString());
}
}
}
}
HttpUtils.java
package com.example.photocrop;
import org.apache.http.HttpVersion;
import org.apache.http.client.HttpClient;
import org.apache.http.conn.ClientConnectionManager;
import org.apache.http.conn.scheme.PlainSocketFactory;
import org.apache.http.conn.scheme.Scheme;
import org.apache.http.conn.scheme.SchemeRegistry;
import org.apache.http.conn.ssl.SSLSocketFactory;
import org.apache.http.impl.client.DefaultHttpClient;
import org.apache.http.impl.conn.tsccm.ThreadSafeClientConnManager;
import org.apache.http.params.BasicHttpParams;
import org.apache.http.params.HttpProtocolParams;
import org.apache.http.protocol.HTTP;
import android.content.Context;
public class HttpUtils {
public static HttpClient getHttpsClient() {
BasicHttpParams params = new BasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params, HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params, HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params, true);
SchemeRegistry schReg = new SchemeRegistry();
schReg.register(new Scheme("http", PlainSocketFactory.getSocketFactory(), 80));
schReg.register(new Scheme("https", SSLSocketFactory.getSocketFactory(), 443));
ClientConnectionManager connMgr = new ThreadSafeClientConnManager(params, schReg);
return new DefaultHttpClient(connMgr, params);
}
public static HttpClient getCustomClient() {
BasicHttpParams params = new BasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params, HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params, HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params, true);
SchemeRegistry schReg = new SchemeRegistry();
schReg.register(new Scheme("http", PlainSocketFactory.getSocketFactory(), 80));
schReg.register(new Scheme("https", MySSLSocketFactory.getSocketFactory(), 443));
ClientConnectionManager connMgr = new ThreadSafeClientConnManager(params, schReg);
return new DefaultHttpClient(connMgr, params);
}
public static HttpClient getSpecialKeyStoreClient(Context context) {
BasicHttpParams params = new BasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params, HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params, HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params, true);
SchemeRegistry schReg = new SchemeRegistry();
schReg.register(new Scheme("http", PlainSocketFactory.getSocketFactory(), 80));
schReg.register(new Scheme("https", CustomerSocketFactory.getSocketFactory(context), 443));
ClientConnectionManager connMgr = new ThreadSafeClientConnManager(params, schReg);
return new DefaultHttpClient(connMgr, params);
}
}
activity_main.xml
<LinearLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
android:orientation="vertical">
<Button
android:id="@+id/create_https_button"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/hello_world"
android:textSize="16sp" />
<TextView
android:id="@+id/content_textview"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="wrap_content"
android:gravity="center"
android:textSize="16sp" />
</LinearLayout>
Android使用DefaultHttpClient建立HTTPS連接，關(guān)鍵需要加入對(duì)HTTPS的支持：
schReg.register(new Scheme("https", SSLSocketFactory.getSocketFactory(), 443));
加入對(duì)HTTPS的支持，就可以有效的建立HTTPS連接了，例如“https://www.google.com.hk”了，但是訪問自己基于Nginx搭建的HTTPS服務(wù)器卻不行，因?yàn)樗褂昧瞬槐幌到y(tǒng)承認(rèn)的自定義證書，會(huì)報(bào)出如下問題：No peer certificate。
使用自定義證書并忽略驗(yàn)證的HTTPS連接方式
解決證書不被系統(tǒng)承認(rèn)的方法，就是跳過系統(tǒng)校驗(yàn)。要跳過系統(tǒng)校驗(yàn)，就不能再使用系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的SSL SocketFactory了，需要自定義一個(gè)。然后為了在這個(gè)自定義SSL SocketFactory里跳過校驗(yàn)，還需要自定義一個(gè)TrustManager，在其中忽略所有校驗(yàn)，即TrustAll。
package com.example.photocrop;
import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.security.KeyManagementException;
import java.security.KeyStore;
import java.security.KeyStoreException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.UnrecoverableKeyException;
import java.security.cert.CertificateException;
import java.security.cert.X509Certificate;
import javax.net.ssl.SSLContext;
import javax.net.ssl.TrustManager;
import javax.net.ssl.X509TrustManager;
import org.apache.http.conn.ssl.SSLSocketFactory;
public class MySSLSocketFactory extends SSLSocketFactory {
SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLS");
public MySSLSocketFactory(KeyStore truststore)
throws NoSuchAlgorithmException, KeyManagementException,
KeyStoreException, UnrecoverableKeyException {
super(truststore);
TrustManager tm = new X509TrustManager() {
@Override
public X509Certificate[] getAcceptedIssuers() {
return null;
}
@Override
public void checkServerTrusted(X509Certificate[] chain,
String authType) throws CertificateException {
}
@Override
public void checkClientTrusted(X509Certificate[] chain,
String authType) throws CertificateException {
}
};
sslContext.init(null, new TrustManager[] { tm }, null);
}
@Override
public Socket createSocket() throws IOException {
return sslContext.getSocketFactory().createSocket();
}
@Override
public Socket createSocket(Socket socket, String host, int port,
boolean autoClose) throws IOException, UnknownHostException {
return sslContext.getSocketFactory().createSocket(socket, host, port,
autoClose);
}
public static SSLSocketFactory getSocketFactory() {
try {
KeyStore trustStore = KeyStore.getInstance(KeyStore
.getDefaultType());
trustStore.load(null, null);
SSLSocketFactory factory = new MySSLSocketFactory(trustStore);
return factory;
} catch (Exception e) {
e.getMessage();
return null;
}
}
}
同時(shí)，需要修改DefaultHttpClient的register方法，改為自己構(gòu)建的sslsocket：
public static HttpClient getCustomClient() {
BasicHttpParams params = new BasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params, HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params, HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params, true);
SchemeRegistry schReg = new SchemeRegistry();
schReg.register(new Scheme("http", PlainSocketFactory.getSocketFactory(), 80));
schReg.register(new Scheme("https", MySSLSocketFactory.getSocketFactory(), 443));
ClientConnectionManager connMgr = new ThreadSafeClientConnManager(params, schReg);
return new DefaultHttpClient(connMgr, params);
}
這樣就可以成功的訪問自己構(gòu)建的基于Nginx的HTTPS虛擬站點(diǎn)了。
缺陷：
不過，雖然這個(gè)方案使用了HTTPS，客戶端和服務(wù)器端的通信內(nèi)容得到了加密，嗅探程序無(wú)法得到傳輸?shù)膬?nèi)容，但是無(wú)法抵擋“中間人攻擊”。例如，在內(nèi)網(wǎng)配置一個(gè)DNS，把目標(biāo)服務(wù)器域名解析到本地的一個(gè)地址，然后在這個(gè)地址上使用一個(gè)中間服務(wù)器作為代理，它使用一個(gè)假的證書與客戶端通訊，然后再由這個(gè)代理服務(wù)器作為客戶端連接到實(shí)際的服務(wù)器，用真的證書與服務(wù)器通訊。這樣所有的通訊內(nèi)容都會(huì)經(jīng)過這個(gè)代理，而客戶端不會(huì)感知，這是由于客戶端不校驗(yàn)服務(wù)器公鑰證書導(dǎo)致的。
使用自定義證書建立HTTPS連接
為了防止上面方案可能導(dǎo)致的“中間人攻擊”，我們可以下載服務(wù)器端公鑰證書，然后將公鑰證書編譯到Android應(yīng)用中，由應(yīng)用自己來(lái)驗(yàn)證證書。
生成KeyStore
要驗(yàn)證自定義證書，首先要把證書編譯到應(yīng)用中，這需要使用keytool工具生產(chǎn)KeyStore文件。這里的證書就是指目標(biāo)服務(wù)器的公鑰，可以從web服務(wù)器配置的.crt文件或.pem文件獲得。同時(shí)，你需要配置bouncycastle，我下載的是bcprov-jdk16-145.jar，至于配置大家自行g(shù)oogle就好了。
keytool -importcert -v -trustcacerts -alias example -file www.example.com.crt -keystore example.bks -storetype BKS -providerclass org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider -providerpath /home/wzy/Downloads/java/jdk1.7.0_60/jre/lib/ext/bcprov-jdk16-145.jar -storepass pw123456
運(yùn)行后將顯示證書內(nèi)容并提示你是否確認(rèn)，輸入Y回車即可。
生產(chǎn)KeyStore文件成功后，將其放在app應(yīng)用的res/raw目錄下即可。
使用自定義KeyStore實(shí)現(xiàn)連接
思路和TrushAll差不多，也是需要一個(gè)自定義的SSLSokcetFactory，不過因?yàn)檫€需要驗(yàn)證證書，因此不需要自定義TrustManager了。
package com.example.photocrop;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.security.KeyManagementException;
import java.security.KeyStore;
import java.security.KeyStoreException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.UnrecoverableKeyException;
import org.apache.http.conn.ssl.SSLSocketFactory;
import android.content.Context;
public class CustomerSocketFactory extends SSLSocketFactory {
private static final String PASSWD = "pw123456";
public CustomerSocketFactory(KeyStore truststore)
throws NoSuchAlgorithmException, KeyManagementException,
KeyStoreException, UnrecoverableKeyException {
super(truststore);
}
public static SSLSocketFactory getSocketFactory(Context context) {
InputStream input = null;
try {
input = context.getResources().openRawResource(R.raw.example);
KeyStore trustStore = KeyStore.getInstance(KeyStore
.getDefaultType());
trustStore.load(input, PASSWD.toCharArray());
SSLSocketFactory factory = new CustomerSocketFactory(trustStore);
return factory;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
return null;
} finally {
if (input != null) {
try {
input.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
input = null;
}
}
}
}
同時(shí)，需要修改DefaultHttpClient的register方法，改為自己構(gòu)建的sslsocket：
public static HttpClient getSpecialKeyStoreClient(Context context) {
BasicHttpParams params = new BasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params, HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params, HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params, true);
SchemeRegistry schReg = new SchemeRegistry();
schReg.register(new Scheme("http", PlainSocketFactory.getSocketFactory(), 80));
schReg.register(new Scheme("https", CustomerSocketFactory.getSocketFactory(context), 443));
ClientConnectionManager connMgr = new ThreadSafeClientConnManager(params, schReg);
return new DefaultHttpClient(connMgr, params);
}
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