MINA、Netty、Twisted一起学（十一）：SSL/TLS

什么是SSL/TLS

不使用SSL/TLS的网络通信，一般都是明文传输，网络传输内容在传输过程中很容易被窃听甚至篡改，非常不安全。SSL/TLS协议就是为了解决这些安全问题而设计的。SSL/TLS协议位于TCP/IP协议之上，各个应用层协议之下，使网络传输的内容通过加密算法加密，并且只有服务器和客户端可以加密解密，中间人即使抓到数据包也无法解密获取传输的内容，从而避免安全问题。例如广泛使用的HTTPS协议即是在TCP协议和HTTP协议之间加了一层SSL/TLS协议。

SSL/TLS流程

使用SSL/TLS协议的服务器和客户端开始通信之前，会先进行一个握手阶段：

客户端发出请求：这一步客户端会生成一个随机数传给服务器；
服务器回应：这一步服务器会返回给客户端一个服务器数字证书（证书中包含用于加密的公钥），另外服务器也会生成一个随机数给客户端；
客户端回应：这一步客户端首先会校验数字证书的合法性，然后会再生成一个随机数，这个随机数会使用第2步中的公钥采用非对称加密算法（例如RSA算法）进行加密后传给服务器，密文只能通过服务器的私钥来解密。
服务器最后回应：握手结束。

握手结束后，客户端和服务器都有上面握手阶段的三个随机数。客户端和服务器都通过这三个随机生成一个密钥，接下来所有的通信内容都使用这个密钥通过对称加密算法加密传输，服务器和客户端才开始进行安全的通信。

如果看到这里还是一脸懵逼，可以参考SSL/TLS协议运行机制的概述更深入地了解SSL/TLS流程，本文不再过多介绍。

生成私钥和证书

使用openssl来生成私钥和证书：

openssl req -x509 -newkey rsa:2048 -nodes -days 365 -keyout private.pem -out cert.crt

运行以上命令后，会在当前目录下生成一个私钥文件（private.pem）和一个证书文件（cert.crt）。

生成的私钥和证书Twisted、Netty可以直接使用，然而MINA对私钥文件的格式的要求，要将pem格式转换成der格式，实际上就是将文本文件私钥转成二进制文件私钥。openssl将private.pem转成private.der私钥文件：

openssl pkcs8 -topk8 -inform PEM -in private.pem -outform DER -nocrypt -out private.der

SSL/TLS服务器

接下来在http://xxgblog.com/2014/08/21/mina-netty-twisted-2/一文的基础上，加上SSL/TLS层。

MINA

MINA可以通过SslFilter来实现SSL/TLS，初始化SslFilter的代码比较繁琐：

public class MinaServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {


        String certPath = "/Users/wucao/Desktop/ssl/cert.crt";  // 证书
        String privateKeyPath = "/Users/wucao/Desktop/ssl/private.der";  // 私钥

        // 证书
        // https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/security/cert/X509Certificate.html
        InputStream inStream = null;
        Certificate certificate = null;
        try {
            inStream = new FileInputStream(certPath);
            CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509");
            certificate = cf.generateCertificate(inStream);
        } finally {
            if (inStream != null) {
                inStream.close();
            }
        }

        // 私钥
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(Files.readAllBytes(new File(privateKeyPath).toPath()));
        PrivateKey privateKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePrivate(keySpec);

        KeyStore ks = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
        ks.load(null, null);
        Certificate[] certificates = {certificate};
        ks.setKeyEntry("key", privateKey, "".toCharArray(), certificates);

        KeyManagerFactory kmf = KeyManagerFactory.getInstance(KeyManagerFactory.getDefaultAlgorithm());
        kmf.init(ks, "".toCharArray());

        SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLS");
        sslContext.init(kmf.getKeyManagers(), null, null);

        IoAcceptor acceptor = new NioSocketAcceptor();
        DefaultIoFilterChainBuilder chain = acceptor.getFilterChain();
        chain.addLast("ssl", new SslFilter(sslContext));  // SslFilter需要放在最前面
        chain.addLast("codec", new ProtocolCodecFilter(new TextLineCodecFactory(Charset.forName("UTF-8"), "\r\n", "\r\n")));
        acceptor.setHandler(new TcpServerHandle());
        acceptor.bind(new InetSocketAddress(8080));
    }
}


class TcpServerHandle extends IoHandlerAdapter {

    @Override
    public void exceptionCaught(IoSession session, Throwable cause)
            throws Exception {
        cause.printStackTrace();
    }

    @Override
    public void messageReceived(IoSession session, Object message)
            throws Exception {
        String line = (String) message;
        System.out.println("messageReceived:" + line);
    }

    @Override
    public void sessionCreated(IoSession session) throws Exception {
        System.out.println("sessionCreated");
    }

    @Override
    public void sessionClosed(IoSession session) throws Exception {
        System.out.println("sessionClosed");
    }
}

Netty

Netty通过添加一个SslHandler来实现SSL/TLS，相对MINA来说代码就比较简洁：

public class NettyServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, SSLException {

        File certificate = new File("/Users/wucao/Desktop/ssl/cert.crt");  // 证书
        File privateKey = new File("/Users/wucao/Desktop/ssl/private.pem");  // 私钥
        final SslContext sslContext = SslContextBuilder.forServer(certificate, privateKey).build();

        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch)
                                throws Exception {
                            ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();

                            // SslHandler要放在最前面
                            SslHandler sslHandler = sslContext.newHandler(ch.alloc());
                            pipeline.addLast(sslHandler);

                            pipeline.addLast(new LineBasedFrameDecoder(80));
                            pipeline.addLast(new StringDecoder(CharsetUtil.UTF_8));

                            pipeline.addLast(new TcpServerHandler());
                        }
                    });
            ChannelFuture f = b.bind(8080).sync();
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
            bossGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

}

class TcpServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        String line = (String) msg;
        System.out.println("channelRead:" + line);
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        System.out.println("channelActive");
    }

    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) {
        System.out.println("channelInactive");
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

Twisted

Twisted实现SSL/TLS也是非常简单的，将reactor.listenTCP替换为reactor.listenSSL即可

# -*- coding:utf-8 –*-

from twisted.protocols.basic import LineOnlyReceiver
from twisted.internet.protocol import Factory
from twisted.internet import reactor, ssl

sslContext = ssl.DefaultOpenSSLContextFactory(
    '/Users/wucao/Desktop/ssl/private.pem',  # 私钥
    '/Users/wucao/Desktop/ssl/cert.crt',  # 公钥
)

class TcpServerHandle(LineOnlyReceiver):

    def connectionMade(self):
        print 'connectionMade'

    def connectionLost(self, reason):
        print 'connectionLost'

    def lineReceived(self, data):
        print 'lineReceived:' + data

factory = Factory()
factory.protocol = TcpServerHandle
reactor.listenSSL(8080, factory, sslContext)
reactor.run()

SSL/TLS客户端

这里还是使用Java来写一个SSL/TLS客户端，用来测试以上三个服务器程序。需要注意的是，在上面SSL/TLS流程的介绍中，SSL/TLS握手阶段的第2步服务器会将证书传给客户端，第3步客户端会校验证书的合法性，所以下面的代码首先会让客户端信任openssl生成的证书，才能正确的完成SSL/TLS握手。

public class SSLClient {

    public static void main(String args[]) throws Exception {

        // 客户端信任改证书，将用于校验服务器传过来的证书的合法性
        String certPath = "/Users/wucao/Desktop/ssl/cert.crt";
        InputStream inStream = null;
        Certificate certificate = null;
        try {
            inStream = new FileInputStream(certPath);
            CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509");
            certificate = cf.generateCertificate(inStream);
        } finally {
            if (inStream != null) {
                inStream.close();
            }
        }

        KeyStore ks = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
        ks.load(null, null);
        ks.setCertificateEntry("cert", certificate);

        TrustManagerFactory tmf = TrustManagerFactory.getInstance("sunx509");
        tmf.init(ks);

        SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLS");
        sslContext.init(null, tmf.getTrustManagers(), null);

        SSLSocketFactory socketFactory = sslContext.getSocketFactory();

        Socket socket = null;
        OutputStream out = null;

        try {

            socket = socketFactory.createSocket("localhost", 8080);
            out = socket.getOutputStream();

            // 请求服务器
            String lines = "床前明月光\r\n疑是地上霜\r\n举头望明月\r\n低头思故乡\r\n";
            byte[] outputBytes = lines.getBytes("UTF-8");
            out.write(outputBytes);
            out.flush();

        } finally {
            // 关闭连接
            out.close();
            socket.close();
        }

    }
}