27、应用数据保护与监控：Java 安全技术解析-优快云博客

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应用数据保护与监控：Java 安全技术解析

1. SSL/TLS 握手流程及后续通信

1.1 SSL/TLS 握手后续步骤

SSL/TLS 握手过程在建立安全通信中起着关键作用，在前面步骤基础上，后续还有以下重要步骤：
- 步骤 12 - 更改密码规范 ：服务器向客户端发送消息，要求其切换到加密通信模式。
- 步骤 13 - 服务器端握手建立 ：服务器告知客户端已准备好开始安全数据通信，这标志着 SSL 握手完成。
- 步骤 14 - 加密数据交换 ：客户端和服务器开始使用步骤 1 和 2 中协商的对称加密算法、加密哈希函数，以及客户端在步骤 8 发送给服务器的密钥进行通信。
- 步骤 15 - 关闭连接 ：通信结束时，双方会发送 close_notify 消息通知对方连接关闭。

1.2 Web 应用安全传输最佳实践

为确保 Web 应用中敏感信息的安全传输，需要遵循以下重要实践：
- 部署 SSL/TLS ：对于用户名、密码、信用卡信息、医疗信息等所有敏感信息的交换，都应部署 SSL/TLS。
- 建立密钥加密传输 ：为 Web 应用的密钥传输和交换建立加密传输。
- 使用强证书 ：对于银行应用和电子商务应用等高风险 Web 应用，建议部署来自认证机构（CA）的强证书。

2. Java 安全套接字扩展（JSSE）

2.1 JSSE 概述

SSL 和 TLS 协议旨在保护数据在网络传输过程中的隐私和完整性。在 Java 环境中，Java 安全套接字扩展（JSSE）用于在 Java 应用开发过程中保障互联网通信安全。JSSE 为 SSL 和 TLS 协议的 Java 版本提供了广泛的框架和实现策略，包含数据加密、服务器认证、消息完整性和可选的客户端认证等安全相关功能。通过 JSSE 类和框架，应用开发者可以在任意两个系统（这里区分为客户端和服务器）之间建立安全的信息通道。

2.2 JSSE 特点

JSSE 库是 100% 纯 Java 实现，具有以下重要特点：
- 协议支持 ：支持 SSL 2.0 和 3.0 版本、TLS 1.0 及更高版本，并实现了 SSL 3.0 和 TLS 1.0。
- 安全通道创建 ：包含可实例化以创建安全通道的类，如 SSLSocket 、 SSLServerSocket 和 SSLEngine 。
- 认证支持 ：支持客户端和服务器认证，这是正常 SSL 握手的一部分。
- HTTPS 支持 ：支持封装在 SSL 协议中的 HTTP（即 HTTPS），允许通过 HTTPS 访问网页等数据。
- 加密算法支持 ：支持密码套件中常用的多种加密算法。

2.3 JSSE 提供者架构

JSSE 使用 JCA 中定义的提供者架构，使应用开发者能够轻松快速地实现应用设计的安全传输。其提供者架构如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(Providers):::process --> B(Service Provider Interface):::process
    B --> C(Application Programming Interface):::process
    C --> D(Application Developers):::process
    D --> E(J S S E Libraries):::process

2.4 JSSE 加密算法

JSSE 支持多种加密算法，不同算法适用于不同的加密过程和密钥长度，具体如下表所示：
| 加密算法 | 加密过程 | 密钥长度（位） |
| — | — | — |
| RSA | 认证和密钥交换 | 512 及更大 |
| RC4 | 批量加密 | 128、128（有效 40） |
| DES | 批量加密 | 64（有效 56）、64（有效 40） |
| 三重 DES | 批量加密 | 192（有效 112） |
| AES | 批量加密 | 256、128 |
| Diffie - Hellman | 密钥协商 | 1024、512 |
| DSA | 认证 | 1024 |

2.5 JSSE 核心类和接口

2.5.1 `SocketFactory` 和 `ServerSocketFactory` 类

JSSE 的核心类位于 javax.net 和 javax.net.ssl 包中，其中 SocketFactory 和 ServerSocketFactory 类非常重要。
- javax.net.SocketFactory 类 ：是一个抽象类，用于创建“客户端套接字”，其他工厂类需对其进行子类化以创建特定的客户端套接字子类，提供了添加公共套接字级功能的通用框架，有多个 createSocket() 方法用于在客户端系统上创建适当的套接字。
- javax.net.ServerSocketFactory 类 ：与 SocketFactory 类类似，但专门用于创建“服务器套接字”，同样有多个 createSocket() 方法用于在服务器系统上创建适当的套接字。

2.5.2 `SSLSocketFactory` 和 `SSLServerSocketFactory` 类

这两个类是安全套接字工厂，位于 javax.net.ssl 包中，用于创建适当的工厂对象。
- SSLSocketFactory 类 ：是 javax.net.SocketFactory 的抽象子类，扩展了 java.net.Socket 类，封装了创建和配置安全客户端套接字的详细信息，包括认证密钥、对等证书验证、启用的密码套件等。
- SSLServerSocketFactory 类 ：与 SSLSocketFactory 类类似，扩展了 javax.net.SocketFactory 类，专门用于创建服务器套接字。

2.5.3 `SSLSocket` 和 `SSLServerSocket` 类

javax.net.ssl.SSLSocket 类 ：是标准 Java java.net.Socket 类的子类，支持所有标准套接字方法，并提供了特定于安全套接字的额外方法。实例化的 SSLSocket 封装了创建时的 SSLContext ，开发者需要使用适当的 API 控制套接字实例的安全套接字会话创建。
javax.net.ssl.SSLServerSocket 类 ：与 SSLSocket 类类似，专门用于创建服务器 SSLSocket 。这两个类有许多方法用于建立 SSL 握手和在 SSLSocket 与 SSLServerSocket 之间传输信息，常用方法如下：
- 协议相关 ： getEnabledProtocols() / setEnabledProtocols() 用于获取和设置当前新接受连接启用的协议。
- 密码套件相关 ： getEnabledCipherSuites() / setEnabledCipherSuites(String[] suites) 用于获取和设置新接受连接启用的密码套件列表。
- 会话创建相关 ： getEnableSessionCreation() / setEnableSessionCreation(Boolean flag) 用于获取和控制从该服务器套接字创建的套接字是否可以建立新的 SSL 会话。
- 客户端认证相关 ：
  - getNeedClientAuth() / setNeedClientAuth(Boolean need) 用于获取和控制新接受的服务器模式 SSLSocket 是否需要客户端认证。
  - getUseClientMode() / setUseClientMode(Boolean model) 用于获取和控制接受的连接是处于 SSL 客户端模式还是默认的 SSL 服务器模式。
  - getWantClientAuth() / setWantClientAuth(Boolean want) 用于获取和控制新接受的服务器模式连接是否请求客户端认证。
- SSLSocket 特定方法 ：
  - getSSLParameters() / setSSLParameters(SSLParameters params) 用于获取和应用 SSLSocket 的 SSL 参数。
  - addHandshakeCompletedListener(HandshakeCompletedListener listener) 用于注册事件监听器，以接收此连接上 SSL 握手完成的通知； removeHandshakeCompletedListener(HandshakeCompletedListener listener) 用于移除先前注册的握手完成监听器。

2.5.4 `SSLEngine` 类

javax.net.ssl.SSLEngine 是一个非阻塞 I/O 的 SSLEngine ，封装了 SSL/TLS 状态机，仅对入站和出站字节缓冲区通道进行操作。其工作流程如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(应用程序):::process -->|提供明文数据| B(应用程序缓冲区):::process
    B --> C(SSLEngine):::process
    C -->|生成 SSL/TLS 编码数据| D(网络缓冲区):::process
    D -->|传输数据| E(对等方):::process
    E -->|接收数据| F(网络缓冲区):::process
    F --> C(SSLEngine):::process
    C -->|生成握手或应用数据| B(应用程序缓冲区):::process

开发者使用 SSLContext.createSSLEngine() 方法创建 SSLEngine ，并将其配置为客户端或服务器，配置使用的密码套件、是否需要客户端认证等参数。 wrap() 和 unwrap() 方法负责生成和处理网络数据，在初始握手期间，这两个方法生成和处理握手数据，应用程序负责传输数据，重复此过程直到握手完成。每次 SSLEngine 操作会生成一个 SSLEngineResult ，其 HandshakeStatus 字段用于确定下一步需要执行的操作。

2.6 JSSE 支持类和接口

2.6.1 `SSLContext` 类

javax.net.ssl.SSLContext 是安全套接字协议实现的引擎类，其实例作为 SSLSocketFactories 和 SSLEngines 的工厂。 SSLContext 对象保存了在该上下文中创建的所有对象共享的状态信息，每个实例通过 init() 方法，借助密钥、证书链和受信任的根 CA 证书进行配置，以执行认证，配置以密钥和信任管理器的形式提供，目前仅支持基于 X.509 的管理器。

2.6.2 `TrustManager` 接口

为了认证安全套接字对等方的远程身份，需要使用一个或多个 TrustManager 初始化 SSLContext 对象。 TrustManager 应确定所提供的认证凭据是否可信任，如果不可信任，连接将被终止。通常有一个基于 X.509 公钥证书的信任管理器（如 X509TrustManager ），一些安全套接字实现也可能支持基于共享密钥、Kerberos 等其他机制的认证。 TrustManager 实例可以通过 TrustManagerFactory 创建，也可以通过提供该接口的具体实现来创建。

2.6.3 `TrustManagerFactory` 类

javax.net.ssl.TrustManagerFactory 是一个基于提供者的服务引擎类，作为一个或多种类型的 TrustManager 对象的工厂。由于它是基于提供者的，可以实现和配置额外的工厂，以提供更复杂的服务或实现特定安装的认证策略。

2.6.4 `KeyManager` 接口

为了向远程对等方进行认证，需要使用一个或多个 KeyManager 初始化 SSLContext 对象。通过内部默认上下文（如 SSLSocketFactory.getDefault() 或 SSLServerSocketFactory.getDefault() 创建的 SSLContext ）可以创建默认的 KeyManager 。通常有一个基于 X.509 公钥证书的密钥管理器，一些安全套接字实现也可能支持基于共享密钥、Kerberos 等其他机制的认证。 KeyManager 实例可以通过 KeyManagerFactory 创建，也可以通过提供该接口的具体实现来创建。

2.6.5 `KeyManagerFactory` 类

javax.net.ssl.KeyManagerFactory 是一个基于提供者的服务引擎类，作为一个或多种类型的 KeyManager 对象的工厂。SunJSSE 提供者实现了一个工厂，可以返回基本的 X.509 密钥管理器。由于它是基于提供者的，可以实现和配置额外的工厂，以提供额外或替代的密钥管理器。

3. Web 应用日志记录的重要性

3.1 日志记录和日志管理概述

日志记录操作是记录系统或网络中特定事件的机制。世界各地的组织每天都有多个系统、应用程序和网络执行业务功能，日志包含了系统或网络中按时间顺序发生的一组特定事件的记录，是业务流程活动的一部分。例如，防火墙会记录从特定主机或 IP 范围丢弃的数据包信息，目录服务器会记录用户访问系统失败的尝试信息。传统上，日志用于故障排除，支持人员使用网络设备、操作系统和应用程序日志来解决影响操作的特定问题。此外，日志还用于检查组织网络中特定设备或设备的健康状况或状态。例如，如果一个组织有一个需要最大正常运行时间的关键任务服务器，就会持续监控其日志。

日志记录对于 Web 应用的安全至关重要，它可以揭示安全攻击、妥协、黑客攻击等多方面信息。然而，日志记录是一个 I/O 密集型操作，对性能和成本有很大影响。应用开发者需要适当选择日志记录选项，以在成本、性能和政府及行业机构的政策之间找到平衡。Java 平台提供了全面的日志记录 API，帮助应用开发者合理建模日志记录需求，将其分类为特定的严重级别，并在适当格式化和本地化后发布。

4. Java 平台的日志记录 API 及应用

4.1 Java 日志记录 API 概述

Java 平台为应用开发者提供了全面的日志记录 API，这些 API 能够帮助开发者对日志记录需求进行建模，将日志按照特定的严重级别进行分类，并在完成格式化和本地化处理后进行发布。通过使用这些 API，开发者可以在满足日志记录需求的同时，平衡好成本、性能以及政府和行业机构的相关政策要求。

4.2 日志级别的分类

4.3 日志记录的基本步骤

使用 Java 日志记录 API 进行日志记录通常包含以下步骤：
1. 获取日志记录器 ：通过 Logger.getLogger() 方法获取一个日志记录器实例。例如：

import java.util.logging.Logger;

public class LogExample {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(LogExample.class.getName());

    public static void main(String[] args) {
        // 后续可以使用 logger 进行日志记录
    }
}

设置日志级别 ：通过 logger.setLevel() 方法设置日志记录器的日志级别。例如：

logger.setLevel(java.util.logging.Level.INFO);

记录日志 ：根据不同的日志级别，使用相应的方法进行日志记录。例如：

logger.severe("This is a severe error message.");
logger.warning("This is a warning message.");
logger.info("This is an info message.");

4.4 日志的格式化和本地化

Java 日志记录 API 支持对日志进行格式化和本地化处理。开发者可以通过自定义 Formatter 类来实现日志的格式化，通过 ResourceBundle 来实现日志的本地化。以下是一个简单的自定义格式化器示例：

import java.util.logging.Formatter;
import java.util.logging.LogRecord;

public class CustomFormatter extends Formatter {
    @Override
    public String format(LogRecord record) {
        return record.getLevel() + ": " + record.getMessage() + "\n";
    }
}

使用自定义格式化器：

import java.util.logging.ConsoleHandler;
import java.util.logging.Logger;

public class CustomFormatExample {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(CustomFormatExample.class.getName());

    public static void main(String[] args) {
        ConsoleHandler handler = new ConsoleHandler();
        handler.setFormatter(new CustomFormatter());
        logger.addHandler(handler);

        logger.info("This is a custom formatted info message.");
    }
}

5. 日志记录的最佳实践

5.1 选择合适的日志级别

在进行日志记录时，应根据事件的严重程度选择合适的日志级别。例如，对于严重的错误应使用 SEVERE 级别，对于一般的信息使用 INFO 级别，对于调试信息使用 FINE 及以下级别。这样可以在保证获取足够信息的同时，避免记录过多无用的日志，从而提高性能。

5.2 避免记录敏感信息

日志中不应记录敏感信息，如用户密码、信用卡号等。如果需要记录相关操作，可以使用脱敏后的信息，以防止敏感信息泄露。

5.3 定期清理日志

由于日志文件会不断增长，占用大量的磁盘空间，因此需要定期清理日志。可以设置一个日志保留期限，超过期限的日志文件将被删除。

5.4 监控日志

对日志进行实时监控可以及时发现安全攻击、系统故障等问题。可以使用日志监控工具，如 ELK Stack（Elasticsearch、Logstash、Kibana），对日志进行收集、分析和可视化展示。

6. 总结

本文围绕应用数据保护和 Web 应用监控展开，详细介绍了 SSL/TLS 握手流程及后续通信步骤，强调了 Web 应用安全传输的最佳实践。在 Java 安全技术方面，深入探讨了 Java 安全套接字扩展（JSSE），包括其特点、提供者架构、支持的加密算法以及核心类和接口的功能和使用方法。同时，阐述了 Web 应用日志记录的重要性，介绍了 Java 平台的日志记录 API，包括日志级别的分类、日志记录的基本步骤以及日志的格式化和本地化处理。最后，给出了日志记录的最佳实践，如选择合适的日志级别、避免记录敏感信息、定期清理日志和监控日志等。通过这些技术和实践，可以有效保护应用数据的安全，提高 Web 应用的可靠性和安全性。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(SSL/TLS 握手):::process --> B(加密数据交换):::process
    B --> C(JSSE 安全通信):::process
    C --> D(Web 应用日志记录):::process
    D --> E(日志最佳实践):::process

通过遵循这些技术和实践，开发者可以构建更加安全可靠的 Web 应用，有效应对各种安全挑战。