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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（比方《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 通信算法原理和性能逻辑的实现。然而这样简略的 IM 聊天零碎是比拟容易被窃听的，如果想要在外面说点悄悄话是不太平安的。怎么办呢？学过密码学的敌人可能就想到了一个解决办法，聊天的时候对音讯加密，解决的时候再对音讯进行解密。是的，情理就是这样。但密码学自身的实践就很简单，加上相干的常识和概念又太多太杂，对于 IM 入门者来说，想要疾速理清这些概念并实现适合的加解密计划，是比拟头疼的。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，心愿能助你通俗易懂地疾速了解这些常识和概念！
补充阐明：本文为了让文章内容尽可能长篇累牍、通俗易懂，尽量不深入探讨各个技术常识和概念，感兴趣的读者能够自行查阅相干材料进一步学习。
学习交换：
- 挪动端 IM 开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发挪动端 IM》
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开源 IM 框架源码：https://github.com/JackJiang2…（备用地址点此）
（本文已同步公布于：http://www.52im.net/thread-41…）2、相干文章
《即时通讯平安篇（一）：正确地了解和应用 Android 端加密算法》
《即时通讯平安篇（二）：探讨组合加密算法在 IM 中的利用》
《即时通讯平安篇（三）：罕用加解密算法与通信平安解说》
《即时通讯平安篇（四）：实例剖析 Android 中密钥硬编码的危险》
《即时通讯平安篇（五）：对称加密技术在 Android 平台上的利用实际》
《即时通讯平安篇（六）：非对称加密技术的原理与利用实际》
《即时通讯平安篇（十）：IM 聊天系统安全伎俩之通信连贯层加密技术》
《即时通讯平安篇（十一）：IM 聊天系统安全伎俩之传输内容端到端加密技术》3、什么是 PKI？
咱们须要先理解一下公钥和私钥的加密规范体系 PKI。3.1 基本概念
PKI 的全称是 Public Key Infrastructure，是指反对公钥管理体制的基础设施，提供甄别、加密、完整性和不可否认性服务。艰深讲：PKI 是集机构、零碎（硬件和软件）、人员、程序、策略和协定为一体，利用公钥概念和技术来实现和提供平安服务的、普适性的平安基础设施。在公钥明码中，发送者用公钥（加密密钥）加密，接收者用私钥（解密密钥）解密。公钥个别是公开的，不再放心窃听，这解决了对称明码中的密钥配送问题。然而接收者仍然无奈判断收到的公钥是否非法（有可能是中间人混充的）。事实上，仅靠公钥明码自身，无奈进攻中间人攻打。于是，须要（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，个别简称证书。有了证书来认证，能够无效进攻中间人攻打，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，须要制订对立的规定，即 PKI 体系。PKI 体系是通过颁发、治理公钥证书的形式为终端用户提供服务的零碎，最外围的元素是证书。围绕证书形成了 PKI 体系的因素：1）应用 PKI 的用户；2）颁发证书的机构（Certificate Authority，CA）；3）保留证书的仓库。总之：PKI 是一个总称，既包含定义 PKI 的根底规范，也包含 PKI 的利用规范。3.2 PKI 体系现状事实上 PKI 曾经有两代了。第一代的 PKI 规范次要是由美国 RSA 公司的公钥加密规范 PKCS、国际电信联盟的 ITU-T X.509、IETF 的 X.509、WAP 和 WPKI 等规范组成。然而因为第一代 PKI 规范是基于形象语法符号 ASN.1 进行编码的，实现起来比较复杂和艰难，所以产生了第二代 PKI 规范。第二代 PKI 规范是由微软、VeriSign 和 webMethods 三家公司在 2001 年公布的基于 XML 的密钥治理标准也叫做 XKMS。事实上当初 CA 核心应用的最广泛的标准还是 X.509 系列和 PKCS 系列。X.509 系列次要由 X.209、X.500 和 X.509 组成，其中 X.509 是由国际电信联盟（ITU-T）制订的数字证书规范。在 X.500 根底上进行了性能加强，X.509 是在 1988 年公布的。X.509 证书由用户公共密钥和用户标识符组成。此外还包含版本号、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 公司的公钥加密规范，包含了证书申请、证书更新、证书作废表公布、扩大证书内容以及数字签名、数字信封的格局等方面的一系列相干协定。它定义了一系列从 PKCS#1 到 PKCS#15 的规范。其中最罕用的是 PKCS#7、PKCS#12 和 PKCS#10。PKCS#7 是音讯申请语法，罕用于数字签名与加密，PKCS#12 是集体音讯替换与打包语法次要用来生成公钥和私钥（题外话：iOS 程序员对 PKCS#12 不生疏，在实现 APNs 离线消推送时就须要导出.p12 证实，正是这个）。PKCS#10 是证书申请语法。
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）率先采纳的网络安全协定。它是在传输通信协议（TCP/IP）上实现的一种平安协定，采纳公开密钥技术。艰深地说：SSL 被设计成应用 TCP 来提供一种牢靠的端到端的平安服务，它不是单个协定，而是二层协定。低层是 SSL 记录层，用于封装不同的下层协定，另一层是被封装的协定，即 SSL 握手协定，它能够让服务器和客户机在传输利用数据之前，协商加密算法和加密密钥，客户机提出本人可能反对的全副加密算法，服务器抉择最适宜它的算法。SSL 特点是：它与应用层协定独立无关。下层的应用层协定（例如：HTTP、FTP、Telnet 等）能通明的建设于 SSL 协定之上。SSL 协定在应用层协定通信之前就曾经实现加密算法、通信密钥的协商以及服务器认证工作。在此之后应用层协定所传送的数据都会被加密，从而保障通信的私密性。
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 根底上设计的，相当于 SSL 的后续版本。所以咱们通常都是 SSL/TLS 放一起说。
5、什么是 OpenSSL？
5.1 基本概念
OpenSSL 是一个凋谢源代码的软件库，应用程序能够应用这个包来进行平安通信，它包含代码、脚本、配置和过程的汇合。例如：如果您正在编写一个须要简单平安加密的软件，那么只有增加一个平安加密库才有意义，这样您就不用本人编写一大堆简单的加解密函数（而且密码学自身很简单，要写好它们并不容易）。其次要库是以 C 语言所写成，实现了根本的加密性能，实现了 SSL 与 TLS 协定。OpenSSL 整个软件包大略能够分成三个次要性能局部：1）SSL 协定库；2）应用程序；3）明码算法库。OpenSSL 的目录构造天然也是围绕这三个性能局部进行布局的。OpenSSL 能够运行在 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治理是 PKI 的一个重要组成部分，OpenSSL 为之提供了丰盛的性能，反对多种规范。OpenSSL 实现了 ASN.1 的证书和密钥相干规范，提供了对证书、公钥、私钥、证书申请以及 CRL 等数据对象的 DER、PEM 和 BASE64 的编解码性能。OpenSSL 提供了产生各种公开密钥对和对称密钥的办法、函数和应用程序，同时提供了对公钥和私钥的 DER 编解码性能。并实现了私钥的 PKCS#12 和 PKCS#8 的编解码性能。OpenSSL 在规范中提供了对私钥的加密爱护性能，使得密钥能够平安地进行存储和散发。在此基础上，OpenSSL 实现了对证书的 X.509 规范编解码、PKCS#12 格局的编解码以及 PKCS#7 的编解码性能。并提供了一种文本数据库，反对证书的治理性能，包含证书密钥产生、申请产生、证书签发、撤消和验证等性能。5.3 倒退历程 OpenSSL 打算在 1998 年开始，其指标是创造一套自在的加密工具，在互联网上应用。OpenSSL 以 Eric Young 以及 Tim Hudson 两人开发的 SSLeay 为根底，随着两人返回 RSA 公司任职，SSLeay 在 1998 年 12 月进行开发。因而在 1998 年 12 月，社群另外分支出 OpenSSL，持续开发上来。
▲ 上图为 Tim HudsonOpenSSL 治理委员会以后由 7 人组成有 13 个开发人员具备提交权限（其中许多人也是 OpenSSL 治理委员会的一部分）。只有两名全职员工（研究员），其余的是志愿者。该我的项目每年的估算不到 100 万美元，次要依附捐款。TLS 1.3 的开发由 Akamai 资助。5.4 下载办法 OpenSSL 能够从其官网上下载，地址是：https://www.openssl.org/source/，感兴趣的读者能够自行下载安装钻研。
6、各类证书
6.1 证书类型操作过证书的敌人可能会对各种证书类型目迷五色，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：示意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 -”结尾的，Base64 编码的字符；3）CRT 和 CER 文件：基本上是等价的，他们都是证书的扩大，也是文本文件，不同的是 CRT 通常用在 liunx 和 unix 零碎中，而 CER 通常用在 windows 零碎中。并且在 windows 零碎中，CER 文件会被 MS cryptoAPI 命令辨认，能够间接显示导入和 / 或查看证书内容的对话框；4）KEY 文件：次要用来保留 PKCS#8 规范的公钥和私钥。6.2 罕用 OpenSSL 命令上面的命令能够用来查看文本证书内容：openssl x509 -incert.pem -text -nooutopenssl x509 -incert.cer -text -nooutopenssl x509 -incert.crt -text -noout 上面的命令能够用来查看二进制证书内容：openssl x509 -incert.der -inform der -text -noout 上面是常见的 PEM 和 DER 互相转换。PEM 到 DER 的转换：openssl x509 -incert.crt -outform der-out cert.derDER 到 PEM 的转换：openssl x509 -incert.crt -inform der -outform pem -out cert.pem 补充阐明：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 对于 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，用于疾速开发可保护的高性能协定服务器和客户端，事实上用 Java 开发 IM 零碎时，Netty 是简直是首选。无关 Netty 的介绍我就不啰嗦了，如果不理解那就详读以下几篇：《史上最强 Java NIO 入门：放心从入门到放弃的，请读这篇！》《Java 的 BIO 和 NIO 很难懂？用代码实际给你看，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》《史上最艰深 Netty 框架入门长文：根本介绍、环境搭建、入手实战》基它无关 Netty 的重要材料：Netty-4.1.x 源码 (在线浏览版)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题目是不对的，Netty 中启动的 server 还是原来那个 server，只是对发送的音讯进行了加密解密解决。也就是说增加了一个专门进行 SSL 操作的 Handler。netty 中代表 ssl 处理器的类叫做 SslHandler，它是 SslContext 工程类的一个外部类，所以咱们只须要创立好 SslContext 即可通过调用 newHandler 办法来返回 SslHandler。让服务器端反对 SSL 的代码：ChannelPipeline p = channel.pipeline(); SslContext sslCtx = SslContextBuilder.forServer(…).build(); p.addLast(“ssl”, sslCtx.newHandler(channel.alloc())); 让客户端反对 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 的实现有两种形式，默认状况下应用的是 OpenSSL，如果 OpenSSL 不能够，那么将会应用 JDK 的实现。要创立 SslContext, 能够调用 SslContextBuilder.forServer 或者 SslContextBuilder.forClient 办法。这里以 server 为例，看下创立流程。SslContextBuilder 有多种 forServer 的办法，这里取最简略的一个进行剖析：publicstaticSslContextBuilder forServer(File keyCertChainFile, File keyFile) {returnnewSslContextBuilder(true).keyManager(keyCertChainFile, keyFile);} 该办法接管两个参数：1）keyCertChainFile 是一个 PEM 格局的 X.509 证书文件；2）keyFile 是一个 PKCS#8 的私钥文件。相熟 OpenSSL 的童鞋应该晓得应用 openssl 命令能够生成私钥文件和对应的自签名证书文件。具体 openssl 的操作能够查看我的其余文章，这里就不具体解说了。除了手动创立证书文件和私钥文件之外，如果是在开发环境中，大家可能心愿有一个非常简单的办法来创立证书和私钥文件，netty 为大家提供了 SelfSignedCertificate 类。看这个类的名字就是晓得它是一个自签名的证书类，并且会主动将证书文件和私钥文件生成在零碎的 temp 文件夹中，所以这个类在生产环境中是不举荐应用的。默认状况下该类会应用 OpenJDK’s X.509 来生成证书的私钥，如果不能够，则应用 Bouncy Castle 作为代替。7.3 启动 SSL Client 代码示例同样的在 client 中反对 SSL 也须要创立一个 handler。客户端的 SslContext 创立代码如下：// 配置 SSL.finalSslContext sslCtx = SslContextBuilder.forClient().trustManager(InsecureTrustManagerFactory.INSTANCE).build(); 下面的代码咱们应用了一个 InsecureTrustManagerFactory.INSTANCE 作为 trustManager。什么是 trustManager 呢？当客户端和服务器端进行 SSL 连贯的时候，客户端须要验证服务器端发过来证书的正确性。通常状况下，这个验证是到 CA 服务器中进行验证的，不过这样须要一个实在的 CA 证书环境，所以在测试中，咱们应用 InsecureTrustManagerFactory，这个类会默认承受所有的证书，疏忽所有的证书异样。当然：CA 服务器也不是必须的，客户端校验的目标是查看证书中的公钥和发送方的公钥是不是统一的，那么对于不能联网的环境，或者自签名的环境中，咱们只须要在客户端校验证书中的指纹是否统一即可。netty 中提供了一个 FingerprintTrustManagerFactory 类，能够对证书中的指纹进行校验。该类中有个 fingerprints 数组，用来存储平安的受权过的指纹信息。通过比照传入的证书和指纹，如果统一则校验通过。应用 openssl 从证书中提取指纹的步骤如下：openssl x509 -fingerprint -sha256 -inmy_certificate.crt
8、小结一下
下面咱们对 Netty 聊天用到的加密技术和相干概念进行了梳理，我来简略这些概念之间的关系。
这些概念之间的关系，简略来说就是： - 1）PKI：是一套加密体系和规范的合集，它是实践计划；
- 2）SSL：是利用了 PKI 理论体系，针对 Socket 网络这个场景设计的一套平安通信规范，属于是 PKI 的一个具体利用场景；
- 3）OpenSSL：是 PKI 体系及 SSL 规范的算法和代码实现，它包含了具体的开源代码、工具程序等；
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4）各种证书：是在 SSL 或其它基于 PKI 体系的平安协定规范中须要应用的到一些加密凭证文件等。
而具体到 Netty 中的聊天加密，那就是利用了上述的 PKI 体系，基于 SSL 协定，在 OpenSSL 等开源库的帮忙下实现的平安程序。9、参考资料
[1] 公钥基础设施（PKI）国际标准停顿
[2] 一篇文章让你彻底弄懂 SSL/TLS 协定
[3] 什么是 OpenSSL？它有什么用处
[4] OpenSSL 是什么软件
[5] netty 系列之对聊天进行加密
[6] 跟着源码学 IM
[7] 基于 Netty，从零开发 IM
[8] TCP/IP 详解（全网惟一在线浏览版）
[9] 疾速了解 TCP 协定一篇就够
[10] Netty-4.1.x 源码 (在线浏览版)
[11] Netty-4.1.x API 文档 (在线版)
（本文已同步公布于：http://www.52im.net/thread-41…）