java SSL Server

mac2022-06-30  69

NIO中有socketChannel但是没有sslSocketChannel,据文档中说,如果要实现ssl的socketChannel会牵涉很多代码的实现,增加api的复杂程度;ssl的实现也不应该依赖于是NIO还是传统的基于stream的IO,应该给程序员自己进行组合的自由,因此就没有在Java标准中提供相关的api,而留给程序员实现。为了支持nio实现ssl通讯,从java1.5开始增加了javax.NET.ssl.SSLEngine用于支持nio的ssl,这个SSLEngine的作用就像一个状态机,维护着ssl通讯中各个状态以及下一个状态。

 

为了了解SSL通讯可以参考文档中的SSL通讯过程,主要包括握手,对话,关闭对话,三个步骤。其中握手部分的主要内容有协商协议,相互验证,生成并交换对称密钥,其中相互验证和对称密钥的交换是由非对称加密来完成的。在对话过程中,实际的明文是由之前生成的对称密钥来加密的。当对话结束后,互相发送结束信号结束通讯。

 

在上述过程中不仅仅是通讯双方简单的交换数据,更重要的是要根据SSL协议的要求,在特定的状态下发送或接受特定的数据,并且这些数据是经过处理的数据,也就是在tcp头和通讯正文之间还要包括一些ssl的信息,并且正文是由特定形式加密的。SSLEngine正是完成了管理状态,封装应用程序数据发往网络,解析网络数据并传递给应用程序的角色。

 

先看看SSLEngine有哪些状态,有哪些工作要做,假设从一个ssl server看。首先在握手阶段,需要和client程序多次握手,进行身份验证,对称密钥生成等工作,在这段时间里,并没有实际的应用层数据交换,而只有SSL协议数据的交换。且不看实际传输的内容和意义,在握手过程中,也就是上图中step1 到step13。Server的SSLEngine初始化后总是等待client的请求(等待接收数据),此时它的状态是NEED_UNWRAP,unwrap是解包的意思,这意味着,SSLEngine等待解析一个SSL的数据包,当server收到数据包后,在nio中数据包总是放在一个buffer里而不再是读stream,我们把这个buffer交给SSLEngine,调用它的unwrap方法,SSLEngine会解析这个数据包,把其中关于SSL握手的信息提取出来,并改变自己的状态,此处它将变成NEED_WRAP状态,意味着打包,它需要把对应的SSL回复内容写到数据包中返回到客户端,也就是step2-6中所作的事情。以此类推,SSLEngine多数时间总是在解包和打包两个状态间切换,尤其是在实际通讯时,注意到在unwrap和wrap函数中都有一个源buffer和一个目的buffer,因为SSLEngine不仅提取SSL协议相关的内容还要解密网络数据并把明文传递给应用程序,这其实才是这两个函数名字的来源,只不过在握手过程中,并没有实际的数据,而只有SSL协议信息,所以那个目的buffer总是没有东西。可以把SSL通讯看做交换礼物,SSLEngine把包裹拆了把礼物给你,或者他把礼物包起来送走,只是在SSL握手时,那个包裹里没有礼物,SSLEngine只是拆了个空包裹或是寄了个空包裹。那么还有没有其它状态,有一个FINISHED 状态那是在server端处于step13时所处的状态,表示这次handshake完成了;而当进入实际交换数据的时候,也就是step14的状态,这个状态是NOT_HANDSHAKE,表示当前不在握手,一般这个时候只需要在socket可读时,调用unwrap函数解密来自网络的SSL数据包,在socket可写的时候调用wrap函数把明文数据加密发送出去。还有一个状态NEED_TASK,首先要知道一点SSLEngine是异步的,wrap和unwrap函数调用都会立刻返回,比如在server收到client第一次请求后,会调用unwrap,但实际上SSLEngine还会做很多工作,比如访问Keystore文件,这些操作是费时的,但是实际上函数却立刻返回了,这时候SSLEngine会进入NEED_TASK状态,而不是立刻进入NEED_WRAP状态,所以必须让SSLEngine完成手头的工作,才能进入下一步工作,这时可以调用SSLEngine的getDelegatedTask()方法获得那个尚未完成的工作,它是一个Runnable的对象,可以调用它的run方法等待他完成,如果你是个高并发的server,也可以在这个时候做其他事情,等待这个工作完成,再接下去做wrap工作。另外还有一个非常容易出错的地方,一个NEED_UNWRAP状态的下一个状态然有可能是NEED_UNWRAP,并且一次调用unwrap方法并不一定把buffer中的所有内容都解包出来,可能还有内容需要在一次unwrap才能把所有东西都解析完,我遇到的这种情况发生在用nio的server和老的SSLSocket通讯时,在step7-11的过程中,client只向server一次性发送了这些数据,而server端需要连续两次unwrap才能把client的数据完整处理掉。

 

除了上述4个状态描述了SSLEngine的状态,还有4个状态用于描述每次调用wrap和unwrap后的结果状态。它们分别是BUFFER_OVERFLOW表示目标buffer没有足够的空间来存放解包的内容,这往往是因为你的目的buffer太小,或者在buffer在写入前没有clear;BUFFER_UNDERFLOW表示源buffer没足够内容让SSLEngine来解包,这往往是因为,可能还有数据尚未到达,或者在buffer读取前没有flip;CLOSED表示通讯的某一段正试图结束这个SSL通讯;OK,你懂的。

 

了解了SSLEngine的状态以及wrap和unwrap的原理,完成一个基于NIO的SSLsocket也就不会没想法了。

首先NIO的socket基本都通过Selector来实现,把socket 的accept,read,write事件都注册到selector上,不断的循环select()就可以,只是对于一个SSL Server Socket而言,它只是个普通的ServerSocket,首先只关心accept事件,所以首先这在selector上注册一个事件。

当serversocket接收到一个SSL client的请求后,就要开始进行握手,这个过程是同步的,所以先不要吧read和write事件也注册到selector上,当完成握手后,才注册这两个事件,并把socket设置成非阻塞。当select到socket可读时先调用unwrap方法,可写时先调用wrap方法。

每个socket都有两组buffer,分别是appIn,netIn和appOut,netOut,其中netXX都代表从socket中读取或写入的东西,他们都是加了密的,而appXX代表应用程序可理解的数据内容,它们都通过SSLEngine的wrap和unwrap方法才能与netXX相互转换。

 

粘代码

[java]  view plain  copy   package com.red.nio.ssl;    import java.io.FileInputStream;  import java.io.FileNotFoundException;  import java.io.IOException;  import java.net.InetSocketAddress;  import java.nio.ByteBuffer;  import java.nio.channels.ClosedChannelException;  import java.nio.channels.SelectableChannel;  import java.nio.channels.SelectionKey;  import java.nio.channels.Selector;  import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  import java.nio.channels.SocketChannel;  import java.nio.charset.Charset;  import java.nio.charset.CharsetDecoder;  import java.nio.charset.CharsetEncoder;  import java.security.GeneralSecurityException;  import java.security.KeyStore;  import java.security.KeyStoreException;  import java.security.NoSuchAlgorithmException;  import java.security.UnrecoverableKeyException;  import java.security.cert.CertificateException;  import java.util.Iterator;    import javax.net.ssl.KeyManagerFactory;  import javax.net.ssl.SSLContext;  import javax.net.ssl.SSLEngine;  import javax.net.ssl.SSLEngineResult;  import javax.net.ssl.SSLException;  import javax.net.ssl.SSLSession;  import javax.net.ssl.TrustManagerFactory;  import javax.net.ssl.SSLEngineResult.HandshakeStatus;    public class SSLNewServer {        private static boolean logging = true;            private boolean handshakeDone = false;            private Selector selector;      private SSLEngine sslEngine;      private SSLContext sslContext;            private ByteBuffer appOut; // clear text buffer for out      private ByteBuffer appIn; // clear text buffer for in      private ByteBuffer netOut; // encrypted buffer for out      private ByteBuffer netIn; // encrypted buffer for in        private CharsetEncoder encoder = Charset.forName("UTF8").newEncoder();      private CharsetDecoder decoder = Charset.forName("UTF8").newDecoder();            public SSLNewServer() {          try          {              createServerSocket();          } catch (IOException e)          {              System.out.println("initializing server failed");              e.printStackTrace();          }                    try          {              createSSLContext();          } catch (GeneralSecurityException e)          {              System.out.println("initializing SSL context failed");              e.printStackTrace();          } catch (IOException e)          {              System.out.println("reading keystore or truststore file failed");              e.printStackTrace();          }                    createSSLEngines();          createBuffers();      }            private void createBuffers()      {          SSLSession session = sslEngine.getSession();          int appBufferMax = session.getApplicationBufferSize();          int netBufferMax = session.getPacketBufferSize();                    appOut = ByteBuffer.wrap("This is an SSL Server".getBytes());//server only reply this sentence           appIn = ByteBuffer.allocate(appBufferMax + 10);//appIn is bigger than the allowed max application buffer siz          netOut = ByteBuffer.allocateDirect(netBufferMax);//direct allocate for better performance          netIn = ByteBuffer.allocateDirect(netBufferMax);      }        //the ssl context initialization      private void createSSLContext() throws GeneralSecurityException, FileNotFoundException, IOException      {          KeyStore ks = KeyStore.getInstance("JKS");          KeyStore ts = KeyStore.getInstance("JKS");            char[] passphrase = "123456".toCharArray();            ks.load(new FileInputStream("ssl/kserver.keystore"), passphrase);          ts.load(new FileInputStream("ssl/tserver.keystore"), passphrase);            KeyManagerFactory kmf = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");          kmf.init(ks, passphrase);            TrustManagerFactory tmf = TrustManagerFactory.getInstance("SunX509");          tmf.init(ts);            SSLContext sslCtx = SSLContext.getInstance("SSL");            sslCtx.init(kmf.getKeyManagers(), tmf.getTrustManagers(), null);            sslContext = sslCtx;                }        //create the server socket, bind it to port 1234, set unblock and register the "accept" only      private void createServerSocket() throws IOException      {          selector = Selector.open();          ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();          ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(1234));          ssc.configureBlocking(false);          ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);      }        private void createSSLEngines()       {          sslEngine = sslContext.createSSLEngine();          sslEngine.setUseClientMode(false);//work in a server mode          sslEngine.setNeedClientAuth(true);//need client authentication      }            public void selecting() {          while (true)          {              try              {                  selector.select();              } catch (IOException e)              {                  e.printStackTrace();              }              Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();              while (iter.hasNext())              {                  SelectionKey key = (SelectionKey) iter.next();                  iter.remove();                  try                  {                      handle(key);                  } catch (SSLException e)                  {                      // TODO Auto-generated catch block                      e.printStackTrace();                  } catch (IOException e)                  {                      // TODO Auto-generated catch block                      e.printStackTrace();                  }              }          }      }        private void handle(SelectionKey key) throws IOException      {          if(key.isAcceptable()) {                            try              {                  SocketChannel sc = ((ServerSocketChannel)key.channel()).accept();                  doHandShake(sc);//if it is an accept event, do the handshake in a blocking mode              } catch (ClosedChannelException e)              {                  // TODO Auto-generated catch block                  e.printStackTrace();              } catch (IOException e)              {                  // TODO Auto-generated catch block                  e.printStackTrace();              }          }          else if(key.isReadable()) {              if (sslEngine.getHandshakeStatus() == HandshakeStatus.NOT_HANDSHAKING)              {                  SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();                  sc.read(netIn);                  netIn.flip();                                    SSLEngineResult engineResult = sslEngine.unwrap(netIn, appIn);                  log("server unwrap: ", engineResult);                  doTask();                  //runDelegatedTasks(engineResult, sslEngine);                  netIn.compact();                  if (engineResult.getStatus() == SSLEngineResult.Status.OK)                  {                      System.out.println("text recieved");                      appIn.flip();// ready for reading                      System.out.println(decoder.decode(appIn));                      appIn.compact();                  }                  else if(engineResult.getStatus() == SSLEngineResult.Status.CLOSED) {                      doSSLClose(key);                  }                }            }          else if(key.isWritable()) {              SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();              //if(!sslEngine.isOutboundDone()) {                  //netOut.clear();              SSLEngineResult engineResult = sslEngine.wrap(appOut, netOut);              log("server wrap: ", engineResult);              doTask();              //runDelegatedTasks(engineResult, sslEngine);              if (engineResult.getHandshakeStatus() == HandshakeStatus.NOT_HANDSHAKING)              {                  System.out.println("text sent");              }              netOut.flip();              sc.write(netOut);              netOut.compact();              //}          }                }        /*public static HandshakeStatus runDelegatedTasks(SSLEngineResult engineResult, SSLEngine sslEngine)     {         if (engineResult.getHandshakeStatus() == HandshakeStatus.NEED_TASK)         {             Runnable runnable;             while ((runnable = sslEngine.getDelegatedTask()) != null)             {                 System.out.println("\trunning delegated task...");                 runnable.run();             }             HandshakeStatus hsStatus = sslEngine.getHandshakeStatus();             if (hsStatus == HandshakeStatus.NEED_TASK)             {                 //throw new Exception("handshake shouldn't need additional tasks");                 System.out.println("handshake shouldn't need additional tasks");             }             System.out.println("\tnew HandshakeStatus: " + hsStatus);         }         return sslEngine.getHandshakeStatus();              }*/        /*      * Logging code      */      private static boolean resultOnce = true;        public static void log(String str, SSLEngineResult result)      {          if (!logging)          {              return;          }          if (resultOnce)          {              resultOnce = false;              System.out.println("The format of the SSLEngineResult is: \n"                      + "\t\"getStatus() / getHandshakeStatus()\" +\n"                      + "\t\"bytesConsumed() / bytesProduced()\"\n");          }          HandshakeStatus hsStatus = result.getHandshakeStatus();          log(str + result.getStatus() + "/" + hsStatus + ", " + result.bytesConsumed() + "/"                  + result.bytesProduced() + " bytes");          if (hsStatus == HandshakeStatus.FINISHED)          {              log("\t...ready for application data");          }      }        public static void log(String str)      {          if (logging)          {              System.out.println(str);          }      }                  private void doHandShake(SocketChannel sc) throws IOException      {                    sslEngine.beginHandshake();//explicitly begin the handshake          HandshakeStatus hsStatus = sslEngine.getHandshakeStatus();          while (!handshakeDone)          {              switch(hsStatus){                  case FINISHED:                      //the status become FINISHED only when the ssl handshake is finished                      //but we still need to send data, so do nothing here                      break;                  case NEED_TASK:                      //do the delegate task if there is some extra work such as checking the keystore during the handshake                      hsStatus = doTask();                      break;                  case NEED_UNWRAP:                      //unwrap means unwrap the ssl packet to get ssl handshake information                      sc.read(netIn);                      netIn.flip();                      hsStatus = doUnwrap();                      break;                  case NEED_WRAP:                      //wrap means wrap the app packet into an ssl packet to add ssl handshake information                      hsStatus = doWrap();                      sc.write(netOut);                      netOut.clear();                      break;                  case NOT_HANDSHAKING:                      //now it is not in a handshake or say byebye status. here it means handshake is over and ready for ssl talk                      sc.configureBlocking(false);//set the socket to unblocking mode                      sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE);//register the read and write event                      handshakeDone = true;                      break;              }          }                }            private HandshakeStatus doTask() {          Runnable runnable;          while ((runnable = sslEngine.getDelegatedTask()) != null)          {              System.out.println("\trunning delegated task...");              runnable.run();          }          HandshakeStatus hsStatus = sslEngine.getHandshakeStatus();          if (hsStatus == HandshakeStatus.NEED_TASK)          {              //throw new Exception("handshake shouldn't need additional tasks");              System.out.println("handshake shouldn't need additional tasks");          }          System.out.println("\tnew HandshakeStatus: " + hsStatus);                    return hsStatus;      }            private HandshakeStatus doUnwrap() throws SSLException{          HandshakeStatus hsStatus;          do{//do unwrap until the state is change to "NEED_WRAP"              SSLEngineResult engineResult = sslEngine.unwrap(netIn, appIn);              log("server unwrap: ", engineResult);              hsStatus = doTask();          }while(hsStatus ==  SSLEngineResult.HandshakeStatus.NEED_UNWRAP && netIn.remaining()>0);          System.out.println("\tnew HandshakeStatus: " + hsStatus);          netIn.clear();          return hsStatus;      }            private HandshakeStatus doWrap() throws SSLException{          HandshakeStatus hsStatus;          SSLEngineResult engineResult = sslEngine.wrap(appOut, netOut);          log("server wrap: ", engineResult);          hsStatus = doTask();          System.out.println("\tnew HandshakeStatus: " + hsStatus);          netOut.flip();          return hsStatus;      }            //close an ssl talk, similar to the handshake steps      private void doSSLClose(SelectionKey key) throws IOException {          SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();          key.cancel();                    try          {              sc.configureBlocking(true);          } catch (IOException e)          {              // TODO Auto-generated catch block              e.printStackTrace();          }          HandshakeStatus hsStatus = sslEngine.getHandshakeStatus();          while(handshakeDone) {              switch(hsStatus) {              case FINISHED:                                    break;              case NEED_TASK:                  hsStatus = doTask();                  break;              case NEED_UNWRAP:                  sc.read(netIn);                  netIn.flip();                  hsStatus = doUnwrap();                  break;              case NEED_WRAP:                  hsStatus = doWrap();                  sc.write(netOut);                  netOut.clear();                  break;              case NOT_HANDSHAKING:                  handshakeDone = false;                  sc.close();                  break;              }          }      }                        public static void main(String[] args) {          SSLNewServer sns = new SSLNewServer();          sns.selecting();      }  }  

转载于:https://www.cnblogs.com/Dennis-mi/articles/6422752.html

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