浅析Android系统中HTTPS通信的实现

2024-04-11 16:53:03 23

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(HyperTextTransferProtocolSecure)，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”(sessionkey)，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TLS1.0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TLS1.0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-masterkey”。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-masterkey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

packagecom.example.photocrop;

importjava.io.BufferedReader;
importjava.io.InputStreamReader;

importorg.apache.http.HttpResponse;
importorg.apache.http.HttpStatus;
importorg.apache.http.StatusLine;
importorg.apache.http.client.HttpClient;
importorg.apache.http.client.methods.HttpPost;
importorg.apache.http.client.methods.HttpUriRequest;

importandroid.app.Activity;
importandroid.os.AsyncTask;
importandroid.os.Bundle;
importandroid.os.AsyncTask.Status;
importandroid.text.TextUtils;
importandroid.util.Log;
importandroid.view.View;
importandroid.widget.Button;
importandroid.widget.TextView;

publicclassMainActivityextendsActivity{
privateButtonhttpsButton;
privateTextViewconTextView;

privateCreateHttpsConnTaskhttpsTask;

@Override
protectedvoidonCreate(BundlesavedInstanceState){
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);

httpsButton=(Button)findViewById(R.id.create_https_button);
httpsButton.setOnClickListener(newView.OnClickListener(){

@Override
publicvoidonClick(Viewv){
runHttpsConnection();
}
});

conTextView=(TextView)findViewById(R.id.content_textview);
conTextView.setText("初始为空");
}

privatevoidrunHttpsConnection(){
if(httpsTask==null||httpsTask.getStatus()==Status.FINISHED){
httpsTask=newCreateHttpsConnTask();
httpsTask.execute();
}
}

privateclassCreateHttpsConnTaskextendsAsyncTask<Void,Void,Void>{
privatestaticfinalStringHTTPS_EXAMPLE_URL="自定义";
privateStringBuffersBuffer=newStringBuffer();

@Override
protectedVoiddoInBackground(Void...params){
HttpUriRequestrequest=newHttpPost(HTTPS_EXAMPLE_URL);
HttpClienthttpClient=HttpUtils.getHttpsClient();
try{
HttpResponsehttpResponse=httpClient.execute(request);
if(httpResponse!=null){
StatusLinestatusLine=httpResponse.getStatusLine();
if(statusLine!=null
&&statusLine.getStatusCode()==HttpStatus.SC_OK){
BufferedReaderreader=null;
try{
reader=newBufferedReader(newInputStreamReader(
httpResponse.getEntity().getContent(),
"UTF-8"));
Stringline=null;
while((line=reader.readLine())!=null){
sBuffer.append(line);
}

}catch(Exceptione){
Log.e("https",e.getMessage());
}finally{
if(reader!=null){
reader.close();
reader=null;
}
}
}
}

}catch(Exceptione){
Log.e("https",e.getMessage());
}finally{

}

returnnull;
}

@Override
protectedvoidonPostExecute(Voidresult){
if(!TextUtils.isEmpty(sBuffer.toString())){
conTextView.setText(sBuffer.toString());
}
}

}
}

HttpUtils.java

packagecom.example.photocrop;

importorg.apache.http.HttpVersion;
importorg.apache.http.client.HttpClient;
importorg.apache.http.conn.ClientConnectionManager;
importorg.apache.http.conn.scheme.PlainSocketFactory;
importorg.apache.http.conn.scheme.Scheme;
importorg.apache.http.conn.scheme.SchemeRegistry;
importorg.apache.http.conn.ssl.SSLSocketFactory;
importorg.apache.http.impl.client.DefaultHttpClient;
importorg.apache.http.impl.conn.tsccm.ThreadSafeClientConnManager;
importorg.apache.http.params.BasicHttpParams;
importorg.apache.http.params.HttpProtocolParams;
importorg.apache.http.protocol.HTTP;

importandroid.content.Context;


publicclassHttpUtils{
publicstaticHttpClientgetHttpsClient(){
BasicHttpParamsparams=newBasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params,HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params,HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params,true);

SchemeRegistryschReg=newSchemeRegistry();
schReg.register(newScheme("http",PlainSocketFactory.getSocketFactory(),80));
schReg.register(newScheme("https",SSLSocketFactory.getSocketFactory(),443));

ClientConnectionManagerconnMgr=newThreadSafeClientConnManager(params,schReg);

returnnewDefaultHttpClient(connMgr,params);
}

publicstaticHttpClientgetCustomClient(){
BasicHttpParamsparams=newBasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params,HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params,HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params,true);

SchemeRegistryschReg=newSchemeRegistry();
schReg.register(newScheme("http",PlainSocketFactory.getSocketFactory(),80));
schReg.register(newScheme("https",MySSLSocketFactory.getSocketFactory(),443));

ClientConnectionManagerconnMgr=newThreadSafeClientConnManager(params,schReg);

returnnewDefaultHttpClient(connMgr,params);
}

publicstaticHttpClientgetSpecialKeyStoreClient(Contextcontext){
BasicHttpParamsparams=newBasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params,HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params,HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params,true);

SchemeRegistryschReg=newSchemeRegistry();
schReg.register(newScheme("http",PlainSocketFactory.getSocketFactory(),80));
schReg.register(newScheme("https",CustomerSocketFactory.getSocketFactory(context),443));

ClientConnectionManagerconnMgr=newThreadSafeClientConnManager(params,schReg);

returnnewDefaultHttpClient(connMgr,params);
}
}

activity_main.xml

<LinearLayoutxmlns: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(newScheme("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：Nopeercertificate。
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SSLSocketFactory了，需要自定义一个。然后为了在这个自定义SSLSocketFactory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。

packagecom.example.photocrop;

importjava.io.IOException;
importjava.net.Socket;
importjava.net.UnknownHostException;
importjava.security.KeyManagementException;
importjava.security.KeyStore;
importjava.security.KeyStoreException;
importjava.security.NoSuchAlgorithmException;
importjava.security.UnrecoverableKeyException;
importjava.security.cert.CertificateException;
importjava.security.cert.X509Certificate;

importjavax.net.ssl.SSLContext;
importjavax.net.ssl.TrustManager;
importjavax.net.ssl.X509TrustManager;
importorg.apache.http.conn.ssl.SSLSocketFactory;

publicclassMySSLSocketFactoryextendsSSLSocketFactory{
SSLContextsslContext=SSLContext.getInstance("TLS");

publicMySSLSocketFactory(KeyStoretruststore)
throwsNoSuchAlgorithmException,KeyManagementException,
KeyStoreException,UnrecoverableKeyException{
super(truststore);
TrustManagertm=newX509TrustManager(){

@Override
publicX509Certificate[]getAcceptedIssuers(){
returnnull;
}

@Override
publicvoidcheckServerTrusted(X509Certificate[]chain,
StringauthType)throwsCertificateException{

}

@Override
publicvoidcheckClientTrusted(X509Certificate[]chain,
StringauthType)throwsCertificateException{

}
};

sslContext.init(null,newTrustManager[]{tm},null);
}

@Override
publicSocketcreateSocket()throwsIOException{
returnsslContext.getSocketFactory().createSocket();
}

@Override
publicSocketcreateSocket(Socketsocket,Stringhost,intport,
booleanautoClose)throwsIOException,UnknownHostException{
returnsslContext.getSocketFactory().createSocket(socket,host,port,
autoClose);
}

publicstaticSSLSocketFactorygetSocketFactory(){
try{
KeyStoretrustStore=KeyStore.getInstance(KeyStore
.getDefaultType());
trustStore.load(null,null);
SSLSocketFactoryfactory=newMySSLSocketFactory(trustStore);
returnfactory;
}catch(Exceptione){
e.getMessage();
returnnull;
}
}
}

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

publicstaticHttpClientgetCustomClient(){
BasicHttpParamsparams=newBasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params,HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params,HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params,true);

SchemeRegistryschReg=newSchemeRegistry();
schReg.register(newScheme("http",PlainSocketFactory.getSocketFactory(),80));
schReg.register(newScheme("https",MySSLSocketFactory.getSocketFactory(),443));

ClientConnectionManagerconnMgr=newThreadSafeClientConnManager(params,schReg);

returnnewDefaultHttpClient(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-aliasexample-filewww.example.com.crt-keystoreexample.bks-storetypeBKS-providerclassorg.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider-providerpath/home/wzy/Downloads/java/jdk1.7.0_60/jre/lib/ext/bcprov-jdk16-145.jar-storepasspw123456

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。

packagecom.example.photocrop;

importjava.io.IOException;
importjava.io.InputStream;
importjava.security.KeyManagementException;
importjava.security.KeyStore;
importjava.security.KeyStoreException;
importjava.security.NoSuchAlgorithmException;
importjava.security.UnrecoverableKeyException;

importorg.apache.http.conn.ssl.SSLSocketFactory;

importandroid.content.Context;

publicclassCustomerSocketFactoryextendsSSLSocketFactory{

privatestaticfinalStringPASSWD="pw123456";

publicCustomerSocketFactory(KeyStoretruststore)
throwsNoSuchAlgorithmException,KeyManagementException,
KeyStoreException,UnrecoverableKeyException{
super(truststore);
}

publicstaticSSLSocketFactorygetSocketFactory(Contextcontext){
InputStreaminput=null;
try{
input=context.getResources().openRawResource(R.raw.example);
KeyStoretrustStore=KeyStore.getInstance(KeyStore
.getDefaultType());

trustStore.load(input,PASSWD.toCharArray());

SSLSocketFactoryfactory=newCustomerSocketFactory(trustStore);

returnfactory;
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
returnnull;
}finally{
if(input!=null){
try{
input.close();
}catch(IOExceptione){
e.printStackTrace();
}
input=null;
}
}
}

}

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

publicstaticHttpClientgetSpecialKeyStoreClient(Contextcontext){
BasicHttpParamsparams=newBasicHttpParams();
HttpProtocolParams.setVersion(params,HttpVersion.HTTP_1_1);
HttpProtocolParams.setContentCharset(params,HTTP.DEFAULT_CONTENT_CHARSET);
HttpProtocolParams.setUseExpectContinue(params,true);

SchemeRegistryschReg=newSchemeRegistry();
schReg.register(newScheme("http",PlainSocketFactory.getSocketFactory(),80));
schReg.register(newScheme("https",CustomerSocketFactory.getSocketFactory(context),443));

ClientConnectionManagerconnMgr=newThreadSafeClientConnManager(params,schReg);

returnnewDefaultHttpClient(connMgr,params);
}

浅析Android系统中HTTPS通信的实现

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