浅析Android系统中HTTPS通信的实现

 更新时间:2015年07月31日 14:48:04   转载 作者:低调小一  
这篇文章主要介绍了浅析Android系统中HTTPS通信的实现,实现握手的源码为Java语言编写,需要的朋友可以参考下

前言
最近有一个跟HTTPS相关的问题需要解决,因此花时间学习了一下Android平台HTTPS的使用,同时也看了一些HTTPS的原理,这里分享一下学习心得。

HTTPS原理
HTTPS(Hyper Text Transfer Protocol Secure),是一种基于SSL/TLS的HTTP,所有的HTTP数据都是在SSL/TLS协议封装之上进行传输的。HTTPS协议是在HTTP协议的基础上,添加了SSL/TLS握手以及数据加密传输,也属于应用层协议。所以,研究HTTPS协议原理,最终就是研究SSL/TLS协议。
SSL/TLS协议作用
不使用SSL/TLS的HTTP通信,就是不加密的通信,所有的信息明文传播,带来了三大风险:
1. 窃听风险:第三方可以获知通信内容。
2. 篡改风险:第三方可以修改通知内容。
3. 冒充风险:第三方可以冒充他人身份参与通信。
SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的,希望达到:
1. 所有信息都是加密传输,第三方无法窃听。
2. 具有校验机制,一旦被篡改,通信双方都会立刻发现。
3. 配备身份证书,防止身份被冒充。
基本的运行过程
SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法,也就是说,客户端先向服务器端索要公钥,然后用公钥加密信息,服务器收到密文后,用自己的私钥解密。但是这里需要了解两个问题的解决方案。
1. 如何保证公钥不被篡改?
解决方法:将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的,公钥就是可信的。
2. 公钥加密计算量太大,如何减少耗用的时间?
解决方法:每一次对话(session),客户端和服务器端都生成一个“对话密钥”(session key),用它来加密信息。由于“对话密钥”是对称加密,所以运算速度非常快,而服务器公钥只用于加密“对话密钥”本身,这样就减少了加密运算的消耗时间。
因此,SSL/TLS协议的基本过程是这样的:
1. 客户端向服务器端索要并验证公钥。
2. 双方协商生成“对话密钥”。
3. 双方采用“对话密钥”进行加密通信。
上面过程的前两布,又称为“握手阶段”。
握手阶段的详细过程

2015731144521263.png (599×662)

握手阶段”涉及四次通信,需要注意的是,“握手阶段”的所有通信都是明文的。
客户端发出请求(ClientHello)
首先,客户端(通常是浏览器)先向服务器发出加密通信的请求,这被叫做ClientHello请求。在这一步中,客户端主要向服务器提供以下信息:
1. 支持的协议版本,比如TLS 1.0版
2. 一个客户端生成的随机数,稍后用于生成“对话密钥”。
3. 支持的加密方法,比如RSA公钥加密。
4. 支持的压缩方法。
这里需要注意的是,客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说,理论上服务器只能包含一个网站,否则会分不清应用向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。
服务器回应(ServerHello)
服务器收到客户端请求后,向客户端发出回应,这叫做ServerHello。服务器的回应包含以下内容:
1. 确认使用的加密通信协议版本,比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致,服务器关闭加密通信。
2. 一个服务器生成的随机数,稍后用于生成“对话密钥”。
3. 确认使用的加密方法,比如RSA公钥加密。
4. 服务器证书。
除了上面这些信息,如果服务器需要确认客户端的身份,就会再包含一项请求,要求客户端提供“客户端证书”。比如,金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络,就会向正式客户提供USB密钥,里面就包含了一张客户端证书。
客户端回应
客户端收到服务器回应以后,首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁发,或者证书中的域名与实际域名不一致,或者证书已经过期,就会向访问者显示一个警告,由其选择是否还要继续通信。
如果证书没有问题,客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后,向服务器发送下面三项消息。
1. 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密,防止被窃听。
2. 编码改变通知,表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
3. 客户端握手结束通知,表示客户端的握手阶段已经结束。这一项通常也是前面发送的所有内容的hash值,用来供服务器校验。
上面第一项随机数,是整个握手阶段出现的第三个随机数,又称“pre-master key”。有了它以后,客户端和服务器就同时有了三个随机数,接着双方就用事先商定的加密方法,各自生成本次会话所用的同一把“会话密钥”。
服务器的最后回应
服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后,计算生成本次会话所用的“会话密钥”。然后,向客户端最后发送下面信息。
1. 编码改变通知,表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
2. 服务器握手结束通知,表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发生的所有内容的hash值,用来供客户端校验。
握手结束
至此,整个握手阶段全部结束。接下来,客户端与服务器进入加密通信,就完全是使用普通的HTTP协议,只不过用“会话密钥”加密内容。

服务器基于Nginx搭建HTTPS虚拟站点
之前一篇文章详细介绍了在服务器端如何生成SSL证书,并基于Nginx搭建HTTPS服务器,链接:Nginx搭建HTTPS服务器

Android实现HTTPS通信
由于各种原因吧,这里使用HttpClicent类讲解一下Android如何建立HTTPS连接。代码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("初始为空"); 
    } 
   
    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 = "自定义"; 
      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连接,关键需要加入对HTTPS的支持:

  schReg.register(new Scheme("https", SSLSocketFactory.getSocketFactory(), 443)); 

加入对HTTPS的支持,就可以有效的建立HTTPS连接了,例如“https://www.google.com.hk”了,但是访问自己基于Nginx搭建的HTTPS服务器却不行,因为它使用了不被系统承认的自定义证书,会报出如下问题:No peer certificate。
使用自定义证书并忽略验证的HTTPS连接方式
解决证书不被系统承认的方法,就是跳过系统校验。要跳过系统校验,就不能再使用系统标准的SSL SocketFactory了,需要自定义一个。然后为了在这个自定义SSL SocketFactory里跳过校验,还需要自定义一个TrustManager,在其中忽略所有校验,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; 
      } 
    } 
  } 

同时,需要修改DefaultHttpClient的register方法,改为自己构建的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); 
  } 

这样就可以成功的访问自己构建的基于Nginx的HTTPS虚拟站点了。
缺陷:
不过,虽然这个方案使用了HTTPS,客户端和服务器端的通信内容得到了加密,嗅探程序无法得到传输的内容,但是无法抵挡“中间人攻击”。例如,在内网配置一个DNS,把目标服务器域名解析到本地的一个地址,然后在这个地址上使用一个中间服务器作为代理,它使用一个假的证书与客户端通讯,然后再由这个代理服务器作为客户端连接到实际的服务器,用真的证书与服务器通讯。这样所有的通讯内容都会经过这个代理,而客户端不会感知,这是由于客户端不校验服务器公钥证书导致的。

使用自定义证书建立HTTPS连接
为了防止上面方案可能导致的“中间人攻击”,我们可以下载服务器端公钥证书,然后将公钥证书编译到Android应用中,由应用自己来验证证书。
生成KeyStore

要验证自定义证书,首先要把证书编译到应用中,这需要使用keytool工具生产KeyStore文件。这里的证书就是指目标服务器的公钥,可以从web服务器配置的.crt文件或.pem文件获得。同时,你需要配置bouncycastle,我下载的是bcprov-jdk16-145.jar,至于配置大家自行google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 

运行后将显示证书内容并提示你是否确认,输入Y回车即可。

生产KeyStore文件成功后,将其放在app应用的res/raw目录下即可。
使用自定义KeyStore实现连接
思路和TrushAll差不多,也是需要一个自定义的SSLSokcetFactory,不过因为还需要验证证书,因此不需要自定义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; 
        } 
      } 
    } 
   
  } 

同时,需要修改DefaultHttpClient的register方法,改为自己构建的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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