基于Netty的IM聊天加密技术学习：一文理清常见的加密概念、术语等

Posted on 2022-12-22 17:34 Jack Jiang 阅读(93) 评论(0) 编辑收藏

1、引言

在社区中，分享了很多篇基于Netty编写的IM聊天入门文章（比如《跟着源码学IM》系列、《基于Netty，从零开发IM》系列等），在这些文章中分享了各种IM通信算法原理和功能逻辑的实现。但是这样简单的IM聊天系统是比较容易被窃听的，如果想要在里面说点悄悄话是不太安全的。

怎么办呢？学过密码学的朋友可能就想到了一个解决办法，聊天的时候对消息加密，处理的时候再对消息进行解密。是的，道理就是这样。

但密码学本身的理论就很复杂，加上相关的知识和概念又太多太杂，对于IM入门者来说，想要快速理清这些概念并实现合适的加解密方案，是比较头疼的。

本文正好借此机会，以Netty编写的IM聊天加密为例，为入门者理清什么是PKI体系、什么是SSL、什么是OpenSSL、以及各类证书和它们间的关系等，并在文末附上简短的Netty代码实示例，希望能助你通俗易懂地快速理解这些知识和概念！

补充说明：本文为了让文章内容尽可能言简意赅、通俗易懂，尽量不深入探讨各个技术知识和概念，感兴趣的读者可以自行查阅相关资料进一步学习。

学习交流：

- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
- 开源IM框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK（备用地址点此）

（本文已同步发布于：http://www.52im.net/thread-4104-1-1.html）

2、相关文章

3、什么是PKI？

我们需要先了解一下公钥和私钥的加密标准体系PKI。

3.1 基本概念

PKI的全称是Public Key Infrastructure，是指支持公钥管理体制的基础设施，提供鉴别、加密、完整性和不可否认性服务。

通俗讲：PKI是集机构、系统（硬件和软件）、人员、程序、策略和协议为一体，利用公钥概念和技术来实现和提供安全服务的、普适性的安全基础设施。

在公钥密码中，发送者用公钥（加密密钥）加密，接收者用私钥（解密密钥）解密。公钥一般是公开的，不再担心窃听，这解决了对称密码中的密钥配送问题。但是接收者依然无法判断收到的公钥是否合法（有可能是中间人假冒的）。

事实上，仅靠公钥密码本身，无法防御中间人攻击。于是，需要（认证机构）对公钥进行签名，从而确认公钥没有被篡改。加了数字签名的公钥称为公钥证书，一般简称证书。

有了证书来认证，可以有效防御中间人攻击，随之带来了一系列非技术性工作。

例如：谁来发证书？如何发证书？不同机构的证书怎么互认？纸质证书作废容易，数字证书如何作废？解决这些问题，需要制定统一的规则，即PKI体系。

PKI体系是通过颁发、管理公钥证书的方式为终端用户提供服务的系统，最核心的元素是证书。

围绕证书构成了PKI体系的要素：

1）使用PKI的用户；
2）颁发证书的机构（Certificate Authority，CA）；
3）保存证书的仓库。

总之：PKI是一个总称，既包括定义PKI的基础标准，也包括PKI的应用标准。

3.2 PKI体系现状

事实上PKI已经有两代了。

第一代的PKI标准主要是由美国RSA公司的公钥加密标准PKCS、国际电信联盟的ITU-T X.509、IETF的X.509、WAP和WPKI等标准组成。但是因为第一代PKI标准是基于抽象语法符号ASN.1进行编码的，实现起来比较复杂和困难，所以产生了第二代PKI标准。

第二代PKI标准是由微软、VeriSign和webMethods三家公司在2001年发布的基于XML的密钥管理规范也叫做XKMS。

事实上现在CA中心使用的最普遍的规范还是X.509系列和PKCS系列。

X.509系列主要由X.209、X.500和X.509组成，其中X.509是由国际电信联盟（ITU-T）制定的数字证书标准。在X.500基础上进行了功能增强，X.509是在1988年发布的。

X.509证书由用户公共密钥和用户标识符组成。此外还包括版本号、证书序列号、CA标识符、签名算法标识、签发者名称、证书有效期等信息。

而PKCS是美国RSA公司的公钥加密标准，包括了证书申请、证书更新、证书作废表发布、扩展证书内容以及数字签名、数字信封的格式等方面的一系列相关协议。它定义了一系列从PKCS#1到PKCS#15的标准。

其中最常用的是PKCS#7、PKCS#12和PKCS#10。PKCS#7 是消息请求语法，常用于数字签名与加密，PKCS#12是个人消息交换与打包语法主要用来生成公钥和私钥（题外话：iOS程序员对PKCS#12不陌生，在实现APNs离线消推送时就需要导出.p12证明，正是这个）。PKCS#10是证书请求语法。

4、什么是SSL？

4.1 基本概念

SSL（全称 Secure Socket Layer）安全套接层是网景公司（Netscape）率先采用的网络安全协议。它是在传输通信协议（TCP/IP）上实现的一种安全协议，采用公开密钥技术。

通俗地说：SSL被设计成使用TCP来提供一种可靠的端到端的安全服务，它不是单个协议，而是二层协议。低层是SSL记录层，用于封装不同的上层协议，另一层是被封装的协议，即SSL握手协议，它可以让服务器和客户机在传输应用数据之前，协商加密算法和加密密钥，客户机提出自己能够支持的全部加密算法，服务器选择最适合它的算法。

SSL特点是：它与应用层协议独立无关。上层的应用层协议（例如：HTTP、FTP、Telnet等）能透明的建立于SSL协议之上。SSL协议在应用层协议通信之前就已经完成加密算法、通信密钥的协商以及服务器认证工作。在此之后应用层协议所传送的数据都会被加密，从而保证通信的私密性。

4.2 与TLS的关系

SSL是网景公司（Netscape）设计，但IETF将SSL作了标准化，即RFC2246，并将其称为TLS（Transport Layer Security），其最新版本是RFC5246、版本1.2。

实际上：TLS是IETF在SSL3.0基础上设计的，相当于SSL的后续版本。所以我们通常都是SSL/TLS放一起说。

5、什么是OpenSSL？

5.1 基本概念

OpenSSL是一个开放源代码的软件库，应用程序可以使用这个包来进行安全通信，它包括代码、脚本、配置和过程的集合。例如：如果您正在编写一个需要复杂安全加密的软件，那么只有添加一个安全加密库才有意义，这样您就不必自己编写一大堆复杂的加解密函数（而且密码学本身很复杂，要写好它们并不容易）。

其主要库是以 C 语言所写成，实现了基本的加密功能，实现了 SSL 与 TLS 协议。

OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要功能部分：

1）SSL协议库；
2）应用程序；
3）密码算法库。

OpenSSL的目录结构自然也是围绕这三个功能部分进行规划的。

OpenSSL 可以运行在 OpenVMS、 Microsoft Windows 以及绝大多数类 Unix 操作系统上。

5.2 具体来说

密钥和证书管理是PKI的一个重要组成部分，OpenSSL为之提供了丰富的功能，支持多种标准。

OpenSSL实现了ASN.1的证书和密钥相关标准，提供了对证书、公钥、私钥、证书请求以及CRL等数据对象的DER、PEM和BASE64的编解码功能。

OpenSSL提供了产生各种公开密钥对和对称密钥的方法、函数和应用程序，同时提供了对公钥和私钥的DER编解码功能。并实现了私钥的PKCS#12和PKCS#8的编解码功能。

OpenSSL在标准中提供了对私钥的加密保护功能，使得密钥可以安全地进行存储和分发。

在此基础上，OpenSSL实现了对证书的X.509标准编解码、PKCS#12格式的编解码以及PKCS#7的编解码功能。并提供了一种文本数据库，支持证书的管理功能，包括证书密钥产生、请求产生、证书签发、吊销和验证等功能。

5.3 发展历程

OpenSSL 计划在 1998 年开始，其目标是发明一套自由的加密工具，在互联网上使用。

OpenSSL 以 Eric Young 以及 Tim Hudson 两人开发的 SSLeay 为基础，随着两人前往 RSA 公司任职，SSLeay 在 1998 年 12 月停止开发。因此在 1998 年 12 月，社群另外分支出 OpenSSL，继续开发下去。

▲ 上图为 Tim Hudson

OpenSSL 管理委员会当前由 7 人组成有 13 个开发人员具有提交权限（其中许多人也是 OpenSSL 管理委员会的一部分）。只有两名全职员工（研究员），其余的是志愿者。

该项目每年的预算不到 100 万美元，主要依靠捐款。 TLS 1.3 的开发由 Akamai 赞助。

5.4 下载方法

OpenSSL可以从其官网上下载，地址是：https://www.openssl.org/source/，感兴趣的读者可以自行下载安装研究。

6、各类证书

6.1 证书类型

操作过证书的朋友可能会对各种证书类型眼花缭乱，典型的体现就是各种不同的证书扩展名上，一般来说会有DER、CRT、CER、PEM这几种证书的扩展名。

以下是最常见的几种：

1）DER文件：表示证书的内容是用二进制进行编码的；
2）PEM文件：是一个文本文件，其内容是以“ - BEGIN -” 开头的，Base64编码的字符；
3）CRT和CER文件：基本上是等价的，他们都是证书的扩展，也是文本文件，不同的是CRT通常用在liunx和unix系统中，而CER通常用在windows系统中。并且在windows系统中，CER文件会被MS cryptoAPI命令识别，可以直接显示导入和/或查看证书内容的对话框；
4）KEY文件：主要用来保存PKCS＃8标准的公钥和私钥。

6.2 常用OpenSSL命令

下面的命令可以用来查看文本证书内容：

openssl x509 -incert.pem -text -noout
openssl x509 -incert.cer -text -noout
openssl x509 -incert.crt -text -noout

下面的命令可以用来查看二进制证书内容：

openssl x509 -incert.der -inform der -text -noout

下面是常见的PEM和DER相互转换。

PEM到DER的转换：

openssl x509 -incert.crt -outform der-out cert.der

DER到PEM的转换：

openssl x509 -incert.crt -inform der -outform pem -out cert.pem

补充说明：上述命令中用到的openssl程序，就是本文中提到的OpenSSL开源库提供的程序。

7、Netty中的聊天加密代码示例

7.1 关于Netty

Netty是一个Java NIO技术的开源异步事件驱动的网络编程框架，用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端，事实上用Java开发IM系统时，Netty是几乎是首选。

有关Netty的介绍我就不啰嗦了，如果不了解那就详读以下几篇：

《史上最强Java NIO入门：担心从入门到放弃的，请读这篇！》

《Java的BIO和NIO很难懂？用代码实践给你看，再不懂我转行！》

《新手入门：目前为止最透彻的的Netty高性能原理和框架架构解析》

《史上最通俗Netty框架入门长文：基本介绍、环境搭建、动手实战》

基它有关Netty的重要资料：

Netty-4.1.x 源码 (在线阅读版)

Netty-4.1.x API文档 (在线查阅版)

7.2 启动SSL Server代码示例

事实上这个标题是不对的，Netty中启动的server还是原来那个server，只是对发送的消息进行了加密解密处理。也就是说添加了一个专门进行SSL操作的Handler。

netty中代表ssl处理器的类叫做SslHandler，它是SslContext工程类的一个内部类，所以我们只需要创建好SslContext即可通过调用newHandler方法来返回SslHandler。

让服务器端支持SSL的代码：

ChannelPipeline p = channel.pipeline();
SslContext sslCtx = SslContextBuilder.forServer(...).build();
p.addLast("ssl", sslCtx.newHandler(channel.alloc()));

让客户端支持SSL的代码：

ChannelPipeline p = channel.pipeline();
SslContext sslCtx = SslContextBuilder.forClient().build();
p.addLast("ssl", sslCtx.newHandler(channel.alloc(), host, port));

netty中SSL的实现有两种方式，默认情况下使用的是OpenSSL，如果OpenSSL不可以，那么将会使用JDK的实现。

要创建SslContext,可以调用SslContextBuilder.forServer或者SslContextBuilder.forClient方法。

这里以server为例，看下创建流程。

SslContextBuilder有多种forServer的方法，这里取最简单的一个进行分析：

publicstaticSslContextBuilder forServer(File keyCertChainFile, File keyFile) {
returnnewSslContextBuilder(true).keyManager(keyCertChainFile, keyFile);
}

该方法接收两个参数：