WebSocket SSL 加密浅析

2017-04-27 本文已影响4198人赤兔欢

1 WebSocket 原理

1.1 背景

WebSocket 是基于Http 协议的改进，Http 为无状态协议，基于短连接，需要频繁的发起请求，第二 Http 只能客户端发起请求，服务端无法主动请求。

1.2 相同点

都是基于TCP的应用层协议。
都使用Request/Response模型进行连接的建立。
在连接的建立过程中对错误的处理方式相同，在这个阶段WS可能返回和HTTP相同的返回码。
都可以在网络中传输数据。

1.3 不同点

WS使用HTTP来建立连接，但是定义了一系列新的header域，这些域在HTTP中并不会使用。
WS的连接不能通过中间人来转发，它必须是一个直接连接。
WS连接建立之后，通信双方都可以在任何时刻向另一方发送数据。
WS连接建立之后，数据的传输使用帧来传递，不再需要Request消息。
WS的数据帧有序。

WebSocket 分为握手和数据传输

1.4 握手

WebSocket 的握手基于http GET方法进行，

必须是有效的http request 格式
HTTP request method 必须是GET，协议应不小于1.1 如： Get /chat HTTP/1.1
必须包括Upgrade 头域，并且其值为“websocket”，表明http 协议升级为WebSocket.
必须包括"Connection" 头域，并且其值为 "Upgrade"
必须包括"Sec-WebSocket-Key"头域，其值采用base64编码的随机16字节长的字符序列，服务器端根据该域来判断client 确实是websocket请求而不是冒充的，如http。响应方式是，首先要获取到请求头中的Sec-WebSocket-Key的值，再把这一段GUID "258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11"加到获取到的Sec-WebSocket-Key的值的后面，然后拿这个字符串做SHA-1 hash计算，然后再把得到的结果通过base64加密，就得到了返回给客户端的Sec-WebSocket-Accept的http响应头的值。
必须包括"Sec-webSocket-Version" 头域，当前值必须是13.
可能包括"Sec-WebSocket-Protocol"，表示client（应用程序）支持的协议列表，server选择一个或者没有可接受的协议响应之。
可能包括"Sec-WebSocket-Extensions"，协议扩展，某类协议可能支持多个扩展，通过它可以实现协议增强
可能包括任意其他域，如cookie

客户端的握手如下：
GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

服务端的握手如下：
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

客户端和服务端都发送了握手，并且成功，数据传输即可开始。

1.5 数据传输

通过Http握手之后，如果是http 协议的话，tcp 连接会断开，这里在http 头部指明了升级为 websocket，所以tcp 连接不断开。 WebSocket在握手后发送数据并象下层TCP协议那样由用户自定义,还是需要遵循对应的应用协议规范。 WebSocket 数据传输以数据帧的形式传输。

数据帧的结构如下图：

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
|I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
|N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
| |1|2|3|       |K|             |                               |
+-+-+-+-+-------+-+-------------+ - - - - - - - - - - - - - - - +
|     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
+ - - - - - - - - - - - - - - - +-------------------------------+
|                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
+-------------------------------+-------------------------------+
| Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
+-------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - +
:                     Payload Data continued ...                :
+ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +
|                     Payload Data continued ...                |
+---------------------------------------------------------------+

FIN：1位，是否是消息的结束帧(分片)
RSV1, RSV2, RSV3: 分别都是1位, 预留，用于约定自定义协议。如果双方之间没有约定自定义协议，那么这几位的值都必须为0,否则必须断掉WebSocket连接；
Opcode:4位操作码，定义有效负载数据，如果收到了一个未知的操作码，连接也必须断掉，以下是定义的操作码：

0 表示连续消息分片
1 表示文本消息分片
2 表未二进制消息分片
3-7 为将来的非控制消息片断保留的操作码
8 表示连接关闭
9 表示心跳检查的ping
A 表示心跳检查的pong，当收到一个Ping帧时，一个端点必须在响应中发送一个Pong帧
B-F 为将来的控制消息片断的保留操作码
Mask: 定义传输的数据是否有加掩码,如果设置为1,掩码键必须放在masking-key区域，客户端发送给服务端的所有消息，此位的值都是1；
Payload length: 传输数据的长度，以字节的形式表示：7位、7+16位、或者7+64位。如果这个值以字节表示是0-125这个范围，那这个值就表示传输数据的长度；如果这个值是126，则随后的两个字节表示的是一个16进制无符号数，用来表示传输数据的长度；如果这个值是127,则随后的是8个字节表示的一个64位无符合数，这个数用来表示传输数据的长度。多字节长度的数量是以网络字节的顺序表示。负载数据的长度为扩展数据及应用数据之和，扩展数据的长度可能为0,因而此时负载数据的长度就为应用数据的长度。注意Payload length不包括Masking-key在内。
Masking-key: 0或4个字节，客户端发送给服务端的数据，都是通过内嵌的一个32位值作为掩码的；掩码键只有在掩码位设置为1的时候存在。数据Mask方法是，第 i byte 数据 = orig-data ^ (i % 4)

2 AndroidSync 框架

AndroidAsync 是一个基于nio的异步socket ，http（客户端服务器端），websocket，socket.io库，AndroidAsync 是一个底层的网络协议库。AndroidAsync 适合用于一个未被封装的Android的raw Socket， HTTP client/server, WebSocket, and Socket.IO。

特性

基于NIO，一个线程，回调驱动，高效
所有的操作返回一个Future，而且可以取消
All operations return a Future that can be cancelled
Socket client + socket server
HTTP client + server
WebSocket client + server
Socket.IO 客户端

2.1 启动websocket 服务

void startWebSocketService(){

        AsyncHttpServer server = new AsyncHttpServer();
        server.setErrorCallback(new CompletedCallback() {
            @Override
            public void onCompleted(Exception ex) {
            }
        });

        server.listen(AsyncServer.getDefault(), 5000);

        server.websocket("/ws", new AsyncHttpServer.WebSocketRequestCallback() {
            @Override
            public void onConnected(final WebSocket webSocket, AsyncHttpServerRequest request) {
                mServiceSocket = webSocket;

                //Use this to clean up any references to your websocket
                webSocket.setClosedCallback(new CompletedCallback() {
                    @Override
                    public void onCompleted(Exception ex) {
                        try {
                            if (ex != null) {
                            }
                        } finally {
                        }
                    }
                });

                webSocket.setStringCallback(new WebSocket.StringCallback() {
                    @Override
                    public void onStringAvailable(String s) {
                        
                    }
                });
            }
        });
    }

2.2 客户端发起连接

void startWebSocketClient(){
        AsyncHttpClient.getDefaultInstance().websocket(WSURL,  null, new AsyncHttpClient.WebSocketConnectCallback() {
            @Override
            public void onCompleted(Exception ex, WebSocket webSocket) {
                if (ex != null) {;
                    return;
                }

                mClientSocket = webSocket;
                webSocket.send("Hello Server");
                webSocket.setStringCallback(new WebSocket.StringCallback() {
                    public void onStringAvailable(String s) {
                      
                    }
                });
            }
        });
    }

3 SSL

3.1 SSL加密

wss 建立在HTTPS 的基础上，在握手的时候使用HTTS 建立连接。HTTPS是HTTP over SSL/TLS，HTTP是应用层协议，TCP是传输层协议，在应用层和传输层之间，增加了一个安全套接层SSL/TLS。
HTTPS 连接过程如下图：

客户端发起一个https的请求，把自身支持的一系列Cipher Suite（密钥算法套件，简称Cipher）发送给服务端 ClientHello
服务端接收到客户端所有的Cipher后与自身支持的对比，如果不支持则连接断开，反之则会从中选出一种加密算法和HASH算法，以证书的形式返回给客户端。ServerHello Certificate ServerHelloDone
客户端收到服务端响应的证书后. client_key_exchange+change_cipher_spec+encrypted_handshake_message

第一步、校验证书的是否有效。关于客户端校验证书的是否有效已经做了详细的介绍，这里就不赘述了。

第二步、生成随机密码。如果证书验证通过，或者用户接受了不授信的证书，此时浏览器会生成一串随机密码，然后用证书中的公钥加密。

第三步、用最开始约定好的HASH方式，把握手消息取HASH值，把用 随机数密码加密 “握手消息+握手消息HASH值(签名)”和用公钥加密的随机密码一起发送给服务端。把握手消息做一个签名，用于验证握手消息在传输过程中没有被篡改过。

服务端拿到客户端传来的密文，用自己的私钥来解密，获取随机密码，再用随机数密码解密握手消息与HASH值，并与传过来的HASH值做对比确认是否一致。然后用随机密码加密一段握手消息(握手消息+握手消息的HASH值 )给客户端。（此时服务器端已经获取到了客户端生成的随机密码了）服务端用随机密码解密并计算握手消息的HASH，如果与客户端发来的HASH一致，此时握手过程结束。
change_cipher_spec+encrypted_handshake_message

AndroidSync API
AndroidSync 对ssl 的支持如下：

        KeyManagerFactory kmf = KeyManagerFactory.getInstance("X509");
        KeyStore ks = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());

        ks.load(getContext().getResources().openRawResource(R.raw.keystore), "storepass".toCharArray());
        kmf.init(ks, "storepass".toCharArray());

        TrustManagerFactory tmf = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());
        KeyStore ts = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
        ts.load(getContext().getResources().openRawResource(R.raw.keystore), "storepass".toCharArray());
        tmf.init(ts);

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

        AsyncHttpServer httpServer = new AsyncHttpServer();
        httpServer.listenSecure(8888, sslContext);
        httpServer.get("/", new HttpServerRequestCallback() {
            @Override
            public void onRequest(AsyncHttpServerRequest request, AsyncHttpServerResponse response) {
                response.send("hello");
            }
        });

        Thread.sleep(1000);

        AsyncHttpClient.getDefaultInstance().getSSLSocketMiddleware().setSSLContext(sslContext);
        AsyncHttpClient.getDefaultInstance().getSSLSocketMiddleware().setTrustManagers(tmf.getTrustManagers());
        AsyncHttpClient.getDefaultInstance().executeString(new AsyncHttpGet("https://localhost:8888/"), null).get();

3.2 自签名证书验证

ssl 连接需要证书，通常证书是CA机构发布，保证权威性。但是也可以使用自签名证书。如12306.根据我们车机的特点，可以采用自签名证书。

public SSLSocketFactory get12306SSLSocketFactory() {
        try {
            BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new ByteArrayInputStream(CER_12306.getBytes()));
            CertificateFactory certificateFactory = CertificateFactory.getInstance("X.509");
            Certificate cert = certificateFactory.generateCertificate(bis);
            Log.d("https", cert.toString());

            KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());
            keyStore.load(null);
            keyStore.setCertificateEntry("12306", cert);


            SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLS");
            TrustManagerFactory trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());
            trustManagerFactory.init(keyStore);
            sslContext.init(null, trustManagerFactory.getTrustManagers(), new SecureRandom());

            return sslContext.getSocketFactory();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return null;
    }

    void httpConnect(){
        try {
            URL url;
            url = new URL("https://kyfw.12306.cn/otn/");
            HttpsURLConnection.setDefaultSSLSocketFactory(get12306SSLSocketFactory());
            HttpsURLConnection conn = (HttpsURLConnection)url.openConnection();
            conn.setDoOutput(true);
            conn.setDoInput(true);
            conn.connect();
            if(conn.getResponseCode() == HttpURLConnection.HTTP_OK){
                Log.e("https", "Https Certificate Success!");
                Message msg = Message.obtain();
                msg.what = HttpsActivity.HTTPS_SUCCES_12306;
                mViewHandler.sendMessage(msg);
            }
        } catch (MalformedURLException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

3.3 SSL 中间人攻击

HTTPS ，是一种网络安全传输协议，利用 SSL/TLS 来对数据包进行加密,以提供对网络服务器的身份认证，保护交换数据的隐私与完整性。中间人攻击， Man-in-the-middle attack ，缩写： MITM ，是指攻击者与通讯的两端分别创建独立的联系，并交换其所收到的数据，使通讯的两端认为他们正在通过一个私密的连接与对方直接对话，但事实上整个会话都被攻击者完全控制。
https 在理论上是可以抵御 MITM ，但是由于开发过程中的编码不规范，导致 https 可能存在 MITM 攻击风险，攻击者可以解密、篡改 https 数据。 0X02 https 漏洞 Android https 的开发过程中常见的安全缺陷:

1)在自定义实现 X509TrustManager 时， checkServerTrusted 中没有检查证书是否可信，导致通信过程中可能存在中间人攻击，造成敏感数据劫持危害。

2)在重写 WebViewClient 的 onReceivedSslError 方法时，调用 proceed 忽略证书验证错误信息继续加载页面，导致通信过程中可能存在中间人攻击，造成敏感数据劫持危害。

3)在自定义实现 HostnameVerifier 时，没有在 verify 中进行严格证书校验，导致通信过程中可能存在中间人攻击，造成敏感数据劫持危害。

4)在 setHostnameVerifier 方法中使用 ALLOW_ALL_HOSTNAME_VERIFIER ，信任所有 Hostname ，导致通信过程中可能存在中间人攻击，造成敏感数据劫持危害。

Android安全开发之安全使用HTTPS

窃听风暴：Android平台https嗅探劫持漏洞

浅析HTTPS中间人攻击与证书校验