浅析Android系统中HTTPS通信的实现

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





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

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HttpUtils.java

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activity_main.xml

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Android使用DefaultHttpClient建立HTTPS连接，关键需要加入对HTTPS的支持：

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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。

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

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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。

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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。

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

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