Java安全——提供者相关的体系架构

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安全提供者

Java的安全软件特性，是通过安全软件包的概念透出的。换句话说，安全领域常见的鉴别、加密、签名等概念，在Java中的支持是通过安全软件包来实现的。Java对于安全软件包的定义其实是一组抽象接口。Sun作为Java的作者，提供了一组实现。而安全软件包是由安全提供者、算法和引擎组成的。引擎可以理解为一组操作，算法定义了操作如何执行，而安全提供者则负责实现这两个抽象概念。

比如说，消息摘要是一个引擎，它是程序员能执行的一个操作。消息摘要的思想与如何计算消息摘要没有关系，所有的消息摘要具备同样的特性，因此抽象出来的接口就是引擎。而实现消息摘要可以有MD5和SHA等算法，算法由具体类实现。而安全提供者就是二者的桥梁，用来管理引擎和算法。安全提供者的目的就是提供一个简单的机制，从而可以方便的改变或替换算法及其实现。因此，通过安全提供者，程序员只需要使用引擎的接口，而不需要关系具体哪个类实现了算法，算法由哪个安全提供者提供。

体系结构

Java安全软件包的体系结构可以总结为四个部分：

引擎

JVM提供引擎类，是Java核心API的一部分。

算法

针对每一种引擎，都会有一组算法实现。Java提供了一组默认的算法实现（由Sun提供），第三方的机构可以提供其他实现。

提供者

算法类是由提供者来管理的，提供者知道如何将算法与实现的具体类对应起来。

安全类

安全类保存提供者列表，可以通过安全类查看有哪些提供者，以及它们提供的算法支持有哪些。

安全提供者体系的一个流程如下：

业务类->引擎: 调用某个接口
引擎->安全类: 询问
安全类->提供者: 找到提供者
提供者->算法: 找到对应算法
算法->业务类:返回计算结果

以MessageDigest的getInstance()方法为例，发现其实是调用Security.getImpl()方法实现的，而内部又是通过

GetInstance.getInstance
                (type, getSpiClass(type), algorithm, params, provider).toArray();

这样的语句来做的。而这个GetInstance会返回一个Instance对象，其类声明如下：

public static final class Instance {
        public final Provider provider;
        public final Object impl;

        private Instance(Provider arg0, Object arg1) {
            this.provider = arg0;
            this.impl = arg1;
        }

        public Object[] toArray() {
            return new Object[] {this.impl, this.provider};
        }
    }

可见就是一个Provider和Object（具体算法）的封装。

提供者选择

JVM在启动时，会去$JREHOME/lib/security/java.security中注册提供者。以我个人电脑中的文件为例：

#
# List of providers and their preference orders (see above):
#
security.provider.1=sun.security.provider.Sun
security.provider.2=sun.security.rsa.SunRsaSign
security.provider.3=sun.security.ec.SunEC
security.provider.4=com.sun.net.ssl.internal.ssl.Provider
security.provider.5=com.sun.crypto.provider.SunJCE
security.provider.6=sun.security.jgss.SunProvider
security.provider.7=com.sun.security.sasl.Provider
security.provider.8=org.jcp.xml.dsig.internal.dom.XMLDSigRI
security.provider.9=sun.security.smartcardio.SunPCSC
security.provider.10=apple.security.AppleProvider

JVM启动时会将这些provider注册进去，其实就是Security
初始化时会读这个文件。开发自定义的安全提供者，需要将类放到系统类路径下。其实看看Provider类的代码，就知道Provider本质上是一个Properties文件，里面的kv存储着引擎名和具体算法类的实现。

可以通过下面的程序示例查看具体的提供者引擎和算法：

package com.taobao.cd.security;

import java.security.Provider;
import java.security.Security;
import java.util.Enumeration;

public class ProviderTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        Provider[] providers = Security.getProviders();
        for (int i = 0; i < providers.length; i++) {
            System.out.println("" + (i + 1) + ":" + providers[i]);
            for (Enumeration e = providers[i].keys(); e.hasMoreElements();) {
                System.out.println("\t" + e.nextElement());
            }
        }
    }

}

其输出如下，（截取部分）

1:SUN version 1.8
    Alg.Alias.Signature.SHA1/DSA
    Alg.Alias.Signature.1.2.840.10040.4.3
    Alg.Alias.Signature.DSS
    SecureRandom.SHA1PRNG ImplementedIn
    KeyStore.JKS
    Alg.Alias.MessageDigest.SHA-1
    MessageDigest.SHA
    ...

引擎类的结构设计

值得一提的是引擎类的结构设计。如上所说，引擎类除了给业务开发人员提供接口，还有一个任务就是要为第三方提供者使用。引擎为提供者提供了一个接口——SPI（security provider interface）。

还是以MessageDigest为例（这是消息摘要引擎）。MessageDigest继承了MessageDigestSpi。MessageDigestSpi抽象类定义了消息摘要引擎要做的事情。MessageDigest内部持有一个Delegate委托类，MessageDigest的核心方法就是getInstance()获取类的实例，实现见下：

public static MessageDigest getInstance(String algorithm, String provider)
        throws NoSuchAlgorithmException, NoSuchProviderException
    {
        if (provider == null || provider.length() == 0)
            throw new IllegalArgumentException("missing provider");
        Object[] objs = Security.getImpl(algorithm, "MessageDigest", provider);
        if (objs[0] instanceof MessageDigest) {
            MessageDigest md = (MessageDigest)objs[0];
            md.provider = (Provider)objs[1];
            return md;
        } else {
            MessageDigest delegate =
                new Delegate((MessageDigestSpi)objs[0], algorithm);
            delegate.provider = (Provider)objs[1];
            return delegate;
        }
    }

通过Security.getImpl()反射获取到对应的provider和算法实现类，并通过类型判断和else委托逻辑保证返回一个MessageDigest实例。

再具体一点，以Sun security提供的MD5算法实现为例。虽然MD5并没有直接实现MessageDigestSpi，但MD5的父类DigestBase继承了MessageDigestSpi。所以实际上还是满足这个架构的设计。DigestBase做了消息摘要通用的实现，留了三个abstract接口：

 abstract void implCompress(byte[] arg0, int arg1);

    abstract void implDigest(byte[] arg0, int arg1);

    abstract void implReset();

这几个代码在MD5中具体实现：（截取部分）

void implDigest(byte[] arg0, int arg1) {
        long arg2 = this.bytesProcessed << 3;
        int arg4 = (int) this.bytesProcessed & 63;
        int arg5 = arg4 < 56 ? 56 - arg4 : 120 - arg4;
        this.engineUpdate(padding, 0, arg5);
        ByteArrayAccess.i2bLittle4((int) arg2, this.buffer, 56);
        ByteArrayAccess.i2bLittle4((int) (arg2 >>> 32), this.buffer, 60);
        this.implCompress(this.buffer, 0);
        ByteArrayAccess.i2bLittle(this.state, 0, arg0, arg1, 16);
    }

最后补充一个类图说明下类的结构：

%5bMessageDigestSpi%7bbg%3awheat%7d%5d%5

安全提供者

体系结构

引擎

算法

提供者

安全类

提供者选择

引擎类的结构设计

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