Android OKHttp源码解析Https安全处理
作者:ZSAchg
Https
Https是Http协议加上下一层的SSL/TSL协议组成的,TSL是SSL的后继版本,差别很小,可以理解为一个东西。进行Https连接时,会先进行TSL的握手,完成证书认证操作,产生对称加密的公钥、加密套件等参数。之后就可以使用这个公钥进行对称加密了。
Https的加密方式同时使用了非对称加密和对称加密:
- 使用反向的非对称加密对证书进行签名
- 在检查通过的证书公钥基础上,利用非对称加密产生对称加密的公钥
- 使用产生的公钥,利用对称加密交互传输的数据。
上面就是Https工作的大致流程,下面详细介绍下加密的知识和握手。
加密知识
对于加密这种技术,很早很早之前就有了。没有加密的数据,称为明文,经过加密的叫做密文。Http默认都是明文传输,这种方式很容易被监听或者修改。加密的最终目的,是保证机密性、完整性、可用性。
密码是一套加密算法,使用计算机之前都是使用机械式后者密码本进行操作。在使用计算机之后,加密的安全程度愈来越高,但是被解密也愈来愈容易。
秘钥
如果光有密码和原始数据,那么破解会简单很多,因为只要知道了密码的加密方式,反向操作即可拿到明文数据。所以为了增加难度,增加了秘钥。
现在密码就需要两个参数进行计算了,秘钥+明文+密码==密文。只拿到密码和密文,是不能获取原始明文,还需要秘钥。破解的难度就更大了。
用秘钥加密的技术,又因为加密和解密秘钥的情况分两种。
对称加密
加密和解密的秘钥是相同的,这种加密方式被称为对称加密,使用的秘钥被称为公钥。
对称加密的速度很快,但是服务器需要把自己的公钥传到客户端,客户端使用这个公钥对数据进行加密,服务器使用同样的公钥进行解密。
但是这种方式没有办法防止中间人攻击,如果中间人篡改了传输的公钥,使用自己的公钥代替他,那么接可以截取发送方的数据,使用自己的公钥进行解密。
非对称加密
加密和解密的秘钥是不同的,这种加密方式被称为非对称加密,进行加密的是公共的公钥,而进行解密的叫做私钥。这样只有私钥的拥有者才可以解密数据。
反向的非对称加密是数字签名,也就是使用私钥进行加密,使用公共的公钥的进行解密,这样就可以鉴定发送者的身份。也就是只有发送者才有私钥。
非对称加密的缺点是速度很慢,同样也没有办法防止中间人攻击,中间人截获了服务器的公钥。并用自己的公钥代替,这样也可以获取发送者的数据。
Https的方案
因为对称和非对称加密都有自己的问题,都是因为公钥的传递没法保证安全性,中间人可以通过替换成自己的公钥,完成截取的工作。
Https使用了混合的方式,同时使用了两种方式,使用非对称加密产生对称加密的公钥,再通过对称加密进行处理。首先对称加密比较快速相对于非对称加密。所以还是使用对称加密比较好,那么对称加密的缺点时怎么保证公钥能够安全的交换呢。
这里可以使用非对称加密传输这段公钥。这样这段公钥就可以被安全的传输。因为只有服务器的私钥才可以进行解密。非对称加密有什么问题呢,就是不能判断收到的公钥是否就是真正的公钥,是不是被篡改或者替换。怎么保证受到的公钥就是合法的公钥呢?
那就需要一个机构来给这个公钥背书,可以通过它保证这个公钥是合法的,而承载公钥的载体就是证书。客户端通过证书进行验证,完成公钥的获取。之后就可以通过这个公钥完成非对称加密传输。协商对称加密所用的公钥。
Https的方案大体就是这样。 以上就是Https的基础知识。下面分析下TSL的握手细节。
TSL握手
TSL的握手主要的目的要协商加密的算法、对称加密的公钥、TSL/SSL版本。
首先通过连接到服务器的443端口,通过TCP连接,这段是明文传输,用于沟通上面所说的参数。建立完成连接后就可以开始进行握手操作了。
握手如上图所示,逐条分析下
- 客户端发送 client hello的报文,发送了客户端支持的协议版本、密码套件、随机数、压缩算法等,服务器要在这之中选中一个自己支持的,如果自己都不支持,那么就会断开连接。
- 服务器返回 server hello报文,内含选中的版本、密码套件、随机数、压缩算法等。并会返回自己的证书。
- 客户端收到证书后,检验这个证书,检验分四步:时间有效性检查、签发的颁发者可信度检测、签名检测、站点名称检测。如果四项检测都通过了,那么就会取出证书中的公钥。
- 通过上面产生的随机数,产生了Pre-master secret,该报文使用从证书中解密获得的公钥进行加密(其实就是服务器的公钥),并通过公钥加密传输到服务端。通过这个数通过DH算法计算出MAC报文摘要和对称加密的公钥。 上面的方式就产生了可以进行对称加密的公钥。下面发送的数据就可以通过这个公钥开始对称加密了。
没有用到数字证书? 传输的证书使用了数字证书也就是反向的对称加密,当收到证书,检验通过后,会使用CA的公钥进行检测,也就是CA使用了自己的私钥进行了加密,只有CA知道私钥。
随机数怎么计算的?可以参考这里
随机数计算
传输过程中,会涉及3个随机数,客户端产生的/服务端产生的/Pre-master secret。 在传输Pre-master secret时,会使用从证书获取的公开秘钥,只有服务器才可以解密,对于客户端:
当其生成了Pre-master secret之后,会结合原来的A、B随机数,用DH算法计算出一个master secret,紧接着根据这个master secret推导出hash secret和session secret。
对于服务端:
当其解密获得了Pre-master secret之后,会结合原来的A、B随机数,用DH算法计算出一个master secret,紧接着根据这个master secret推导出hash secret和session secret。
在客户端和服务端的master secret是依据三个随机数推导出来的,它是不会在网络上传输的,只有双方知道,不会有第三者知道。同时,客户端推导出来的session secret和hash secret与服务端也是完全一样的。
那么现在双方如果开始使用对称算法加密来进行通讯,使用哪个作为共享的密钥呢?过程是这样子的:
双方使用对称加密算法进行加密,用hash secret对HTTP报文 做一次运算生成一个MAC,附在HTTP报文的后面,然后用session-secret加密所有数据(HTTP+MAC),然后发送。
接收方则先用session-secret解密数据,然后得到HTTP+MAC,再用相同的算法计算出自己的MAC,如果两个MAC相等,证明数据没有被篡改。
OkHttp的设计
OkHttp是支持自动的Https连接的,也就是我们默认访问一个Https的网站,会自动的完成TSL的握手和加密。但是对于自签名的证书还是需要我们进行配置的。
涉及的类
ConnectionSpec
:连接的参数配置,包括SSL/TLS的版本、密码套件等,这个在OkHttpClient#connectionSpecs
进行配置,默认是具有SNI和ALPN等扩展功能的现代TLS和clear text即明文传输。SSL握手的前两部就是沟通这部分参数的。CertificateChainCleaner
:证书链清理工具,用于省略无用的证书,过滤出一个列表,最后一个链结是受信任的证书。X509TrustManager
:此接口的实例管理哪些 X509 证书可用于验证安全套接字的远程端。 决策可能基于受信任的证书颁发机构、证书撤销列表、在线状态检查或其他方式。这个类对应上面证书检测的签发的颁发者可信度检测、签名检测、时间有效性检查。HostnameVerifier
:验证主机名是否与服务器的身份验证方案匹配。可以基于证书,也可以基于其他方式。这个用于上面说的验证证书的站点名称检测。X509Certificate
:X.509 证书的抽象类。 这提供了一种访问 X.509 证书所有属性的标准方法。现有的证书都是X509类型的,这时一个标准。SSLSocketFactory
:这个是jdk提供的工具,负责SSLSocket
,SSLSocket
可以调用handShake进行ssl的握手。CertificatePinner
:固定证书配置,用于对握手通过的证书做固定验证,也就是证书必须满足固定证书的配置。 上面的类不但有jdk还有OkHttp的工具,共同完成了Https的工作。OkHttp大部分利用了jdk关注Https的支持。
OkHttpClient配置阶段
OkHttpClient作为OkHttp的入口,可以对上面的类进行配置。看下在buidler里是怎么进行配置的。
单独配置SSLSocketFactory
设置用于保护 HTTPS 连接的套接字工厂。如果未设置,将使用系统默认值。
public Builder sslSocketFactory(SSLSocketFactory sslSocketFactory) { if (sslSocketFactory == null) throw new NullPointerException("sslSocketFactory == null"); this.sslSocketFactory = sslSocketFactory; this.certificateChainCleaner = Platform.get().buildCertificateChainCleaner(sslSocketFactory); return this; }
同时配置SSLSocketFactory和X509TrustManager
可以通过sslSocketFactory方法,配置上面的两个参数,正常情况下,我们不需要配置,只需要采用系统默认的配置即可。
public Builder sslSocketFactory( SSLSocketFactory sslSocketFactory, X509TrustManager trustManager) { if (sslSocketFactory == null) throw new NullPointerException("sslSocketFactory == null"); if (trustManager == null) throw new NullPointerException("trustManager == null"); this.sslSocketFactory = sslSocketFactory; this.certificateChainCleaner = CertificateChainCleaner.get(trustManager); return this; }
配置HostnameVerifier
可以通过hostnameVerifier()配置hostnameVerifier,以达到我们检测证书的站点名称。
public Builder hostnameVerifier(HostnameVerifier hostnameVerifier) { if (hostnameVerifier == null) throw new NullPointerException("hostnameVerifier == null"); this.hostnameVerifier = hostnameVerifier; return this; }
HostnameVerifier
是一个接口,我们只要调用它的verify
方法就可以完成校验,这个操作发生在Https握手完成后,系统提供了AbstractVerifier
骨架类进行配置。默认是OkHostnameVerifier
。
配置CertificatePinner
设置固定证书,我们可以创建一个CertificatePinner,CertificatePinner是一个实现好的类,我们只要传入主机名称和证书的SHA-256或者SHA-1 hashes即可。握手守信的证书必须通过配置的固定证书。如果不满足,就会抛出异常,停止链接。
public Builder certificatePinner(CertificatePinner certificatePinner) { if (certificatePinner == null) throw new NullPointerException("certificatePinner == null"); this.certificatePinner = certificatePinner; return this; }
OkHttpClient参数处理阶段
上面我们可以通过builder配置参数,那么参数是如何进行处理的呢。我们配置不配置一个参数又有什么不同呢?
boolean isTLS = false; for (ConnectionSpec spec : connectionSpecs) { isTLS = isTLS || spec.isTls(); } if (builder.sslSocketFactory != null || !isTLS) { // 自定义或不使用Https this.sslSocketFactory = builder.sslSocketFactory; this.certificateChainCleaner = builder.certificateChainCleaner; } else { // 默认配置 X509TrustManager trustManager = Util.platformTrustManager(); this.sslSocketFactory = newSslSocketFactory(trustManager); this.certificateChainCleaner = CertificateChainCleaner.get(trustManager); } if (sslSocketFactory != null) { Platform.get().configureSslSocketFactory(sslSocketFactory); }
参数的处理代码如上所示,先获取链接的配置是否是TSL,除了明文连接外,都是使用TSL的。如果我们配置了自己的sslSocketFactory或者不是TSL连接(没有配置sslSocketFactory),那么都会使用builde人内部的sslSocketFactory。也就是说配置了,就使用配置的,没有配置,如果当前不支持TSL,那么sslSocketFactory就为空。
如果没有配置并且是TSL连接的话,这里就会使用默认的配置。这里的逻辑是先获取X509TrustManager,再通过X509TrustManager获取SslSocketFactory,通过SslSocketFactory再获取CertificateChainCleaner。整体的依赖关系就是这样。后面配置自定义证书时,也会使用这个依赖链。 依次看下每个过程:
X509TrustManager trustManager = Util.platformTrustManager();
public static X509TrustManager platformTrustManager() { try { TrustManagerFactory trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance( TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm()); trustManagerFactory.init((KeyStore) null); TrustManager[] trustManagers = trustManagerFactory.getTrustManagers(); if (trustManagers.length != 1 || !(trustManagers[0] instanceof X509TrustManager)) { throw new IllegalStateException("Unexpected default trust managers:" + Arrays.toString(trustManagers)); } return (X509TrustManager) trustManagers[0]; } catch (GeneralSecurityException e) { throw assertionError("No System TLS", e); // The system has no TLS. Just give up. } }
通过TrustManagerFactory trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance( TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());获取默认的TrustManager工厂,调用init方法,这个方法传入秘钥库,并使用证书颁发机构和相关信任材料的来源初始化此工厂。通常使用传入的KeyStore作为做出信任决策的基础。我们自签名的证书也会通过这个方法进行配置。
后面只饿极取出trustManagerFactory.getTrustManagers(),拿数组第一个作为最终的X509TrustManager。
this.sslSocketFactory = newSslSocketFactory(trustManager);
private static SSLSocketFactory newSslSocketFactory(X509TrustManager trustManager) { try { SSLContext sslContext = Platform.get().getSSLContext(); sslContext.init(null, new TrustManager[] { trustManager }, null); return sslContext.getSocketFactory(); } catch (GeneralSecurityException e) { throw assertionError("No System TLS", e); // The system has no TLS. Just give up. } }
获取X509TrustManager后,这里通过Platform.get().getSSLContext()获取SSLContext。
Platform.get()通过反射获取了不同平台的配置工具,这样OKHttp就可以运行在不同的平台上。获取SSLContext后,就可以init方法,对SSLContext进行配置,调用getSocketFactory获取最终的SSLSocketFactory。
this.certificateChainCleaner = CertificateChainCleaner.get(trustManager);
这里配置了CertificateChainCleaner,获取trustManager中的可以用于验证对等方的证书,之后创建一个BasicCertificateChainCleaner
。
通过上面的两个配置的步骤,就完成了配置阶段,看看在连接时是怎么使用Https的。
OkHttp连接Https阶段
Https的握手发生在Http连接之后,在ConnectInterceptor
这个连接拦截器中。在调用完connectSocket后,就开始进行SSL的握手。因为Https需要默认连接443 端口,但是Http会连接80端口,这个逻辑是在哪儿配置的呢。在我们构建请求的Request传入的HttpUrl中,有一个port字段就是用于确定端口的。在获取端口时,如果没有进行显式的配置。就会根据defaultPort()
进行配置。逻辑也比较简单。所以connectSocket会直接连接443端口,为下面的SSL握手做了准备。
public static int defaultPort(String scheme) { if (scheme.equals("http")) { return 80; } else if (scheme.equals("https")) { return 443; } else { return -1; } }
进行SSL连接主要通过connectTls
进行。 通过下面的方法进行判断。如果sslSocketFactory不为null,那么就会使用Https进行连接。
if (route.address().sslSocketFactory() == null)
private void connectTls(ConnectionSpecSelector connectionSpecSelector) throws IOException { Address address = route.address(); SSLSocketFactory sslSocketFactory = address.sslSocketFactory(); boolean success = false; SSLSocket sslSocket = null; try { // 创建SSLSocket,是对原始Socke的包装 sslSocket = (SSLSocket) sslSocketFactory.createSocket( rawSocket, address.url().host(), address.url().port(), true /* autoClose */); // 配置SSL版本和密码套件 ConnectionSpec connectionSpec = connectionSpecSelector.configureSecureSocket(sslSocket); if (connectionSpec.supportsTlsExtensions()) { // 配置SSL扩展 Platform.get().configureTlsExtensions( sslSocket, address.url().host(), address.protocols()); } // 进行握手 sslSocket.startHandshake(); // 等待握手完成 SSLSession sslSocketSession = sslSocket.getSession(); Handshake unverifiedHandshake = Handshake.get(sslSocketSession); // 进行证书域名确定 if (!address.hostnameVerifier().verify(address.url().host(), sslSocketSession)) { List<Certificate> peerCertificates = unverifiedHandshake.peerCertificates(); if (!peerCertificates.isEmpty()) { X509Certificate cert = (X509Certificate) peerCertificates.get(0); throw new SSLPeerUnverifiedException( "Hostname " + address.url().host() + " not verified:" + "\n certificate: " + CertificatePinner.pin(cert) + "\n DN: " + cert.getSubjectDN().getName() + "\n subjectAltNames: " + OkHostnameVerifier.allSubjectAltNames(cert)); } else { throw new SSLPeerUnverifiedException( "Hostname " + address.url().host() + " not verified (no certificates)"); } } // 检测固定证书 address.certificatePinner().check(address.url().host(), unverifiedHandshake.peerCertificates()); // 握手成功,获取Http协议 String maybeProtocol = connectionSpec.supportsTlsExtensions() ? Platform.get().getSelectedProtocol(sslSocket) : null; socket = sslSocket; source = Okio.buffer(Okio.source(socket)); sink = Okio.buffer(Okio.sink(socket)); handshake = unverifiedHandshake; protocol = maybeProtocol != null ? Protocol.get(maybeProtocol) : Protocol.HTTP_1_1; success = true; } catch (AssertionError e) { if (Util.isAndroidGetsocknameError(e)) throw new IOException(e); throw e; } finally { if (sslSocket != null) { Platform.get().afterHandshake(sslSocket); } if (!success) { closeQuietly(sslSocket); } } }
逻辑比较清晰,逐条分析下
- 通过
sslSocketFactory
创建SSLSocket
。通过SSLSocket
可以直接进行执行SSL的握手。 - 传入上面讲到的TSL版本和密码套件
- 配置SSL的扩展,这里如果
ALPN
的扩展,会写上使用的Http版本,握完手后会取这个配置,并判断是否使用Http2.0版本。 - 调用sslSocket.startHandshake(),进行握手。这时一个同步的操作,会阻塞当前线程,直到握手成功,如果中间出了什么问题,那么会直接抛出异常。
- 完成握手后会获取Handshake数据,执行到这里说明握手已经成功了,服务器的证书已经被信任了。证实的信息就在Handshake中。
通过我们传域名检测完成域名检测,也就是hostnameVerifier
类,调用它的verify
方法,通过返回的boolean值,进行判断。默认的值时OkHostnameVerifier
。verify
方法实现如下。这里检测了host和ip的值。如果不一致,可能证书被替换了。
public boolean verify(String host, X509Certificate certificate) { return verifyAsIpAddress(host) ? verifyIpAddress(host, certificate) : verifyHostname(host, certificate); }
- 通过
CertificatePinner
固定证书检测,调用check
进行检测。如果当前受信的证书不满足固定的配置,那么就不能继续请求。固定证书的威力很大,如果配置了,那么后续的版本必须满足这个固定的配置,所以一直要商量好。 - 所有的检查通过,握手成功。这时就是获取配置的时候了。比如商议的Http版本和连接成功的输入输出流,之后的传输,也会通过
SSlSocket
的输入输出进行配置了。 以上就完成了SSL的握手和配置。
在实际应用中我们可能需要配置自己的证书,如果完全使用CA的证书,我们是不需要配置什么的,使用默认配置即可,但是还是有些场景需要自己动手配置Https。最常见的情形就是配置自签名的证书,服务器给我们一个根证书,我们配置在本地,在握手阶段,服务器给出的证书,会受这个根证书的认证。这样既完成了自签名证书的配置。下面是一些场景和常用的OkHttp的代码配置。
配置自签名证书
信任所有证书
这是一种非常不安全的配置,这么配置,会导致毫无安全性可言。但是有些场景还是可以暂时使用的。
static class HttpsTrustAllCertsTrustManager implements X509TrustManager { @Override public void checkClientTrusted(X509Certificate[] chain, String authType) throws CertificateException { } @Override public void checkServerTrusted(X509Certificate[] chain, String authType) throws CertificateException { } @Override public X509Certificate[] getAcceptedIssuers() { return new X509Certificate[0]; //返回长度为0的数组,相当于return null } public static SSLSocketFactory createSSLSocketFactory() { SSLSocketFactory sSLSocketFactory = null; try { SSLContext sc = Platform.get().getSSLContext(); sc.init(null, new TrustManager[]{new HttpsTrustAllCertsTrustManager()},new SecureRandom()); sSLSocketFactory = sc.getSocketFactory(); } catch (Exception e) { } return sSLSocketFactory; } } static class TrustAllHostnameVerifier implements HostnameVerifier { @Override public boolean verify(String s, SSLSession sslSession) { return true; } } //构建OkHttpClient OkHttpClient mClient = new OkHttpClient.Builder() .sslSocketFactory(HttpsTrustAllCertsTrustManager .createSSLSocketFactory(), new HttpsTrustAllCertsTrustManager()) .hostnameVerifier(new TrustAllHostnameVerifier()) .build();
上面共配置了两个变量,SslSocketFactory和HostnameVerifier。
- 第一个变量依赖X509TrustManager。这个认证中心,我们需要给一个空实现,这样就会信任所有的证书,创建的模式和OkHttpClient创建默认的配置套路一样。
- 第二个HostnameVerifier,如果我们不进行配置,会走一个默认的
OkHostnameVerifier
,如果不设置也会验证域名。所以还需要实现一个自定义的验证期,永远返回true。
这样经过两个两步的设置,就完成了所有证书的配置工作。这种模式可以配合固定证书使用,也就是服务器的证书只能满足固定的规则才可以,也不失是一种策略。
配置自签名证书
对于自签名的证书,一般都是一个根证书,服务器返回的证书,使用这个根证书就可以进行认证。我们的任务就是配置这个默认的自签名证书进入OkHttp的配置。
try { CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509"); //获取证书输入流 InputStream caInput = null; Certificate ca; try { ca = cf.generateCertificate(caInput); } finally { caInput.close(); } // 创建KeyStore,穿入证书 String keyStoreType = KeyStore.getDefaultType(); KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance(keyStoreType); keyStore.load(null, null); keyStore.setCertificateEntry("ca", ca); // 创建TrustManagerFactory,用于生成TrustManager TrustManagerFactory tmf = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm()); tmf.init(keyStore); SSLContext s = SSLContext.getInstance("TLSv1", "AndroidOpenSSL"); s.init(null, tmf.getTrustManagers(), null); return s.getSocketFactory(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); }
上面信任所有证书,我们只是自己实现了一个TrustManager,但是在配置自签名证书的时候,就需要通过TrustManagerFactory获取了。和上面配置的主要区别,也在于TrustManager的创建。
- 获取证书的输入流,构建Certificate
- 获取KeyStore,通过传入证书Certificate
- 创建TrustManagerFactory,并调用init,初始化KeyStore
- 通过SSLContext的init方法获取SSLSocketFactory
通过传入的SSLSocketFactory,传入OkHttpClient就可以了。整体逻辑还是比较简单的。
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