Android 根证书管理与证书验证

大部分的安卓应用都免不了与后端服务器进行通信。在通信过程中，主要面临两方面的风险：1、中间人攻击。当通信使用 HTTP 等明文协议，通信内容可被嗅探甚至篡改。2、通信内容被攻击者分析。使用加密的协议，虽然避免了中间人攻击，但是攻击者仍然可以通过各种方式获取请求内容，然后针对性的进行漏洞挖掘。

一、背景知识

1、SSL/TLS 简介

为了应对中间人攻击，通常会采用安全套接字层 (SSL，现在技术上称为传输层安全协议 (TLS)）来对通信进行加密传输。

当 SSL 与 HTTP 协议相结合就形成了 HTTPS，当 SSL 与 POP3 相结合就形成了 POP3S。

SSL/TLS 的握手过程如下图（了解下就好）：

2、数字证书

证书通常是指 X.509 格式证书，是由Netscape 当初设计 SSL 协议的时候定义的。其是服务端公钥的载体，同时还包含很多其他信息，如签发者信息、以及证书申请者相关的信息（国家、组织名称、常用名称等等）、加密算法、签名算法、签名指纹等。下图展示了 baidu.com 的证书部分信息。

在证书校验时候，签发者（CA）信息很重要。那么，为什么一个证书还需要有签发者呢？我们知道任何组织或个人都可以生成自己的数字证书，并设置证书中的任何信息。当客户端与服务端通信的时候，客户端就很难确认当前证书是否真的是服务端组织的真实证书。这个时候，一个比较可行的方案就是有个客户端信任的第三方，这个第三方为服务端证书进行签名，来证明证书的真实性。以 Android 系统为例，其预置了知名的权威签名机构公钥证书，可以判断服务端证书是否为这些机构签发。如果不是知名的权威机构签发，则认为证书是非法的，不会建立 SSL/TLS 通信。

除了签发者（CA）信息之外，证书中的常用名称（Common Name）也是比较重要的信息，常被用来校验HTTPS通信的域名是否正确。

3.自签名证书

自签名证书是无需别的证书为其签名来证明其合法性的证书，根证书都是自签名证书。私有 CA 签名证书则是指，为域名证书签名的 CA，其合法有效性没有得到广泛的认可，该 CA 的根证书没有被内置到系统中。

在实际的开发过程中，有时为了节省昂贵的购买证书的费用，而想要自己给自己的服务器的域名签发域名证书，这即是私有 CA 签名的证书。为了能够使用这种证书，需要在客户端预埋根证书，并对客户端证书合法性验证的过程进行干预，通过我们预埋的根证书为服务端的证书做合法性验证，而不依赖系统的根证书库。

二 .Android 的根证书管理

在 AOSP 源码库中，CA 根证书主要存放在 system/ca-certificates 目录下，而在 Android 系统中，则存放在 /system/etc/security/cacerts 目录下

它们都是 PEM 格式的 X.509 证书。Android 系统通过 SystemCertificateSource、DirectoryCertificateSource 和 CertificateSource 等类管理系统根证书库。CertificateSource定义（位于frameworks/base/core/java/android/security/net/config/CertificateSource.java）了可以对根证书库执行的操作，主要是对根证书的获取和查找：

public interface CertificateSource {Set<X509Certificate> getCertificates();X509Certificate findBySubjectAndPublicKey(X509Certificate cert);X509Certificate findByIssuerAndSignature(X509Certificate cert);Set<X509Certificate> findAllByIssuerAndSignature(X509Certificate cert);void handleTrustStorageUpdate();
}


 @Overridepublic Set<X509Certificate> getCertificates() {// TODO: loading all of these is wasteful, we should instead use a keystore style API.synchronized (mLock) {if (mCertificates != null) {return mCertificates;}Set<X509Certificate> certs = new ArraySet<X509Certificate>();if (mDir.isDirectory()) {for (String caFile : mDir.list()) {if (isCertMarkedAsRemoved(caFile)) {continue;}X509Certificate cert = readCertificate(caFile);if (cert != null) {certs.add(cert);}}}mCertificates = certs;return mCertificates;}}

获取根证书库的 getCertificates() 操作在第一次被调用时，遍历文件系统，并加载系统所有的根证书文件，并缓存起来，以备后面访问。根证书的查找操作，主要依据证书文件的文件名进行，证书文件被要求以 [SubjectName 的哈希值].[Index] 的形式命名。

三.OKHTTP中的SSL，双向验证

    public Builder sslSocketFactory(SSLSocketFactory sslSocketFactory) {if (sslSocketFactory == null)throw new NullPointerException("sslSocketFactory == null");this.sslSocketFactory = sslSocketFactory;this.certificateChainCleaner = Platform.get().buildCertificateChainCleaner(sslSocketFactory);return this;}//如果没有设置sslSocketFactory，就会使用默认的systemDefaultSslSocketFactoryif (builder.sslSocketFactory != null || !isTLS) {this.sslSocketFactory = builder.sslSocketFactory;this.certificateChainCleaner = builder.certificateChainCleaner;} else {X509TrustManager trustManager = Util.platformTrustManager();this.sslSocketFactory = newSslSocketFactory(trustManager);this.certificateChainCleaner = CertificateChainCleaner.get(trustManager);}

默认的SslSocketFactory

  private static SSLSocketFactory newSslSocketFactory(X509TrustManager trustManager) {try {SSLContext sslContext = Platform.get().getSSLContext();sslContext.init(null, new TrustManager[] { trustManager }, null);return sslContext.getSocketFactory();} catch (GeneralSecurityException e) {throw new AssertionError("No System TLS", e); // The system has no TLS. Just give up.}}

在newSslSocketFactory方法中
1.调用SSLContext初始化获取SSLContext对象
2.调用init方法
3.获取SocketFactory

在SSL中有两种类型的校验模式：
单向校验：服务器向客户端发送证书进行校验
双向校验：除了服务器向客户端发送证书以外，客户端需要发送证书到服务器进行校验
sslContext.init(null, new TrustManager[]{trustManager}, null);
init函数中第一个传NULL，默认表示Okhttp只支持单向校验。
TrustManager[]{trustManager} 参数表示信任证书

X509TrustManager

 public static X509TrustManager platformTrustManager() {try {TrustManagerFactory trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());trustManagerFactory.init((KeyStore) null);TrustManager[] trustManagers = trustManagerFactory.getTrustManagers();if (trustManagers.length != 1 || !(trustManagers[0] instanceof X509TrustManager)) {throw new IllegalStateException("Unexpected default trust managers:"+ Arrays.toString(trustManagers));}return (X509TrustManager) trustManagers[0];} catch (GeneralSecurityException e) {throw new AssertionError("No System TLS", e); // The system has no TLS. Just give up.}}

getTrustManagers

public TrustManager[] engineGetTrustManagers() {if (keyStore == null) {throw new IllegalStateException("TrustManagerFactory is not initialized");}return new TrustManager[] { new TrustManagerImpl(keyStore) };}

keyStore:

 public void engineInit(KeyStore ks) throws KeyStoreException {if (ks != null) {keyStore = ks;} else {keyStore = Platform.getDefaultCertKeyStore();  //获取默认的系统根证书}}

系统根证书查看

代码如下：

        try {KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("AndroidCAStore");keyStore.load(null, null);Enumeration<String> aliases = keyStore.aliases();while (aliases.hasMoreElements()){String alias = aliases.nextElement();Certificate certificate = keyStore.getCertificate(alias);Log.i(TAG, "alias: "+alias);Log.i(TAG, "certificate: "+certificate);}} catch (IOException | CertificateException | NoSuchAlgorithmException | KeyStoreException e) {}

打印结果：

2024-06-26 18:58:10.416 6813-6813/com.jarvis.permission I/LX-MainActivity: alias: system:3c899c73.0
2024-06-26 18:58:10.418 6813-6813/com.jarvis.permission I/LX-MainActivity: certificate: Certificate:Data:
//版本号Version: 3 (0x2)
//序列号Serial Number:21:2a:56:0c:ae:da:0c:ab:40:45:bf:2b:a2:2d:3a:ea
//证书签名算法Signature Algorithm: ecdsa-with-SHA384
//证书发行者Issuer: C=CH, O=WISeKey, OU=OISTE Foundation Endorsed, CN=OISTE WISeKey Global Root GC CA
//证书有效时间ValidityNot Before: May  9 09:48:34 2017 GMTNot After : May  9 09:58:33 2042 GMT
//证书主体名称Subject: C=CH, O=WISeKey, OU=OISTE Foundation Endorsed, CN=OISTE WISeKey Global Root GC CA
//证书公钥信息Subject Public Key Info:
//公钥算法Public Key Algorithm: id-ecPublicKey
//公钥Public-Key: (384 bit)00000000  04 4c e9 50 c0 c6 0f 72  18 bc d8 f1 ba b3 89 e2  |.L.P...r........|00000010  79 4a a3 16 a7 6b 54 24  db 51 ff ea f4 09 24 c3  |yJ...kT$.Q....$.|00000020  0b 22 9f cb 6a 27 82 81  0d d2 c0 af 31 e4 74 82  |."..j'......1.t.|00000030  6e ca 25 d9 8c 75 9d f1  db d0 9a a2 4b 21 7e 16  |n.%..u......K!~.|00000040  a7 63 90 d2 39 d4 b1 87  78 5f 18 96 0f 50 1b 35  |.c..9...x_...P.5|00000050  37 0f 6a c6 dc d9 13 4d  a4 8e 90 37 e6 bd 5b 31  |7.j....M...7..[1|00000060  91   //扩展|.|X509v3 extensions:X509v3 Key Usage: criticalCertificate Sign, CRL SignX509v3 Basic Constraints: criticalCA:TRUEX509v3 Subject Key Identifier: 48:87:14:AC:E3:C3:9E:90:60:3A:D7:CA:89:EE:D3:AD:8C:B4:50:661.3.6.1.4.1.311.21.1: ...//签名算法Signature Algorithm: ecdsa-with-SHA38430:65:02:30:26:c7:69:5b:dc:d5:e7:b2:e7:c8:0c:8c:8c:c3:dd:79:8c:1b:63:d5:c9:52:94:4e:4d:82:4a:73:1e:b2:80:84:a9:25:c0:4c:5a:6d:49:29:60:78:13:e2:7e:48:eb:64:02:31:00:db:34:20:32:08:ff:9a:49:02:b6:88:de:14:af:5d:6c:99:71:8d:1a:3f:8b:d7:e0:a2:36:86:1c:07:82:3a:76:53:fd:c2:a2:ed:ef:7b:b0:80:4f:58:0f:4b:53:39:bd

如果目标 URL 服务器下发的证书不在已信任的证书列表里，或者该证书是自签名的，不是由权威机构颁发，那么会出异常，如何处理？

四.自签名证书处理：

方式一：修改 X509TrustManager 所用的根证书库

private static TrustManager[] prepareTrustManager(InputStream certificates) {if (certificates == null) {return null;}try {CertificateFactory certificateFactory = CertificateFactory.getInstance("X.509");KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType());keyStore.load(null);int index = 0;Collection<? extends Certificate> certs = certificateFactory.generateCertificates(certificates);for (Certificate certificate : certs) {String certificateAlias = Integer.toString(index++);keyStore.setCertificateEntry(certificateAlias, certificate);}TrustManagerFactory trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());trustManagerFactory.init(keyStore);return trustManagerFactory.getTrustManagers();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return null;}

方式二：自定义TrustManager

通过自定义TrustManager自己实现对服务器证书的校验

@SuppressLint("CustomX509TrustManager")private static class MyTrustManager implements X509TrustManager {private static final String TAG = MyTrustManager.class.getSimpleName();private final X509TrustManager defaultTrustManager;private final X509TrustManager localTrustManager;public MyTrustManager(X509TrustManager localTrustManager) throws NoSuchAlgorithmException, KeyStoreException {TrustManagerFactory var4 = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm());var4.init((KeyStore) null);defaultTrustManager = chooseTrustManager(var4.getTrustManagers());this.localTrustManager = localTrustManager;}@Overridepublic void checkClientTrusted(X509Certificate[] chain, String authType) {Log.i(TAG, "checkClientTrusted,authType=" + authType);}@Overridepublic void checkServerTrusted(X509Certificate[] chain, String authType) throws CertificateException {try {defaultTrustManager.checkServerTrusted(chain, authType);} catch (CertificateException ce) {localTrustManager.checkServerTrusted(chain, authType);}}@Overridepublic X509Certificate[] getAcceptedIssuers() {return new X509Certificate[0];}}