SSL + Socket NIO 原理 与 SSLEngine + Naga SSLSocket 的使用

什么是SSL

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接层),及其继任者传输层安全（Transport Layer Security，TLS）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层对网络连接进行加密。

SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层： SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。 SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。[百度百科]

SSL记录协议

SSL纪录协议（Record Protocol）为SSL连提供两种服务。

1. 保密性：利用握手协议所定义的共享密钥对SSL净荷（Payload）加密。
2. 完整性：利用握手协议所定义的共享的MAC密钥来生成报文的鉴别码（MAC）。

工作流程

• 发送方

  1. 从应用层获取要发送的数据（包括各种消息和数据）
  2. 对信息进行分段，分成若干纪录
  3. 使用指定的压缩算法进行数据压缩（Optional）
  4. 使用指定的MAC算法生成MAC
  5. 使用指定的加密算法进行数据加密（RC4）
  6. 添加SSL纪录协议的头，发送数据

• 接收方

  1. 接收数据并从SSL纪录协议的头中获取相关信息
  2. 使用指定的解密算法解密数据（RC4）
  3. 使用指定的MAC算法校验MAC
  4. 使用压缩算法对数据解压缩（如指定）
  5. 将纪录进行数据重组
  6. 将数据发送给应用层

SSL握手协议

SSL握手协议(Handshake Protocol)提供为SSL提供加密信道的建立服务。

1. 身份认证：通过证书或者可信公钥文件进行身份认证
2. 协商密钥：通过信息交换，相互协商一个流加密密钥

原理

SSL在信道加密之前，首先要进行握手通信，协商出流加密密钥，其握手过程如下图：

在网页浏览过程中，网站服务器为Client端，浏览器为Server端。这是因为此时网站为不可信源，所以需要对不可信源进行验证。

在Android开发过程中，APP为不可信源，所以APP为Client端，服务器为Server端。

从上图可以看出，当建立连接时，客户端主动发起请求，服务器监听后应答，并寻求身份验证，身份验证可通过证书或者服务器所发送的公钥进行识别。客户端发送服务器签发的证书或者公钥信息、随机密码，服务器验证后也会发送给客户端一个随机密码，当双方都有一对随机密码后，通过协商的算法将一对随机密码合成为最终的流加密密钥，到此握手协商完成。

SSLEngine的使用

SSLEngine的握手流程

在实际开发过程中，一般使用 SSLEngine进行SSL信道建立。SSLEngine可以和阻塞、非阻塞的Socket一起工作。

阻塞的Socket一般为SSLServerSocket和SSLSocke，虽然使用方便，但是扩展性和并发性较差。没法满足大并发的业务要求，所以暂且不在继续分析。

非阻塞的Socket一般是与SocketChannel结合使用。SSLEngine在工作时，有以下几个阶段：

1. 创建：在此阶段，程序可以设置SSLEngine，其中包括：证书或者公钥文件的指定、通过SSLContext生成SSLEngine、设置SSLEngine在握手过程中的角色身份。
2. 握手协商： SSLEngine根据上一节的握手过程进行握手操作。
3. 数据传输：握手完成后，SSLEngine通过协商的流密钥进行加解密数据并传输数据。
4. 重新握手：程序可以在数据传输的任意时间，请求重新协商握手密钥。SSLEngine会重置通信参数，但不能更改客户端/服务器角色模式，设置完成后，会在下一次通信中开始重新握手。
5. 关闭引擎： 当关闭SSLEngine时，SSLEngine会完成剩余数据的处理工作，并关闭连接。

SSLEngine的状态标志

SSLEngine在握手协商过程中会根据握手数据交互，设置自己的不同状态：NEED_UNWRAP、NEED_WRAP、NEED_TASK、FINISHED、NOT_HANDSHAKING。

• NEED_UNWRAP： SSLEngine在等待握手数据时，状态为NEED_UNWRAP，表明为解包数据的状态。
• NEED_TASK：由于SSLEngine为异步处理，所以当进行解包完毕后，采用回调方式触发，这个中间过程SSLEngine状态为NEED_TASK。
• NEED_WRAP：当解包数据处理完毕后，SSLEngine的状态为NEED_WRAP，这时候是将回告数据打包，等待下一步操作。
• FINISHED：当握手协商结束时，SSLEngine的状态为FINISHED，SSLEngine准备做随后的一些整理操作。
• NOT_HANDSHAKING：此时的SSLEngine已经完成握手协商，准备对应用数据进行加解密处理。

Naga 库中 SSL 使用

Naga提供了对SSL的支持，并且通过封装NIOServerSocketSSL、SSLServerSocketChannelResponder、SSLSocketChannelResponder、SSLSocketObserver使SSL与channel完美结合，形成AIO Sokcet + SSL完整的通信加密方案。

自签名认证证书的申请

SSLEngine认证过程中有时需要使用自签名的认证证书及其认证文件，SSLContext可以引入自签名文件并由SSLContext.createSSLEngine()所产生SSLEngine，由于SSLContext