浅析Android系统中HTTPS通信的实现
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
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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