SSL/TLS原理详细整理版

ゝ一纸荒年。 2022-05-30 07:41 214阅读 0赞

# 1.SSL/TLS握手 简化版 #

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">浏览器</th> 
   <th align="left"></th> 
   <th align="right">服务器</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">发起</td> 
   <td align="left">—&gt; 1.浏览器通知服务器浏览器所支持的加密协议</td> 
   <td align="right">接收</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">接收</td> 
   <td align="left">&lt;— 2.服务器通知浏览器从1中选用的加密协议,并给予证书</td> 
   <td align="right">发起</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">3.用CA的公钥鉴别服务器的证书是否有效,有效则生成一个随机数(秘密数),秘密数加上2确定的加密协议产生会话密钥</td> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="right"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">发起</td> 
   <td align="left">—&gt; 4.浏览器用服务器的公钥加密秘密数发给服务器</td> 
   <td align="right">接收</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="right">5.服务器用私钥对4解密获得秘密数再加上2确定的加密协议产生会话密钥</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left">&lt;— 握手结束,使用相同的会话密钥加密传输的数据(对称加密) —&gt;</td> 
   <td align="right"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 注意: ####

过程有所简化,比方说在正式使用会话密钥通话前,浏览器和服务器各自会发送一段用会话密钥加密的 Finish 消息,以检验之前通过握手建立起来的加解密通道是否成功, 详细版请看下文

# 2.先行知识 #

### SSL和TLS的概念与区别 ###

*  什么是SSL?  
    SSL（Secure Socket Layer，安全套接字层），为Netscape所研发，用以保障在Internet上数据传输之安全，利用数据加密(Encryption)技术，可确保数据在网络上之传输过程中不会被截取。当前版本为3.0。它已被广泛地用于Web浏览器与服务器之间的身份认证和加密数据传输。  
    SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层： SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。 SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。
 *  什么是TLS?  
    TLS(Transport Layer Security，传输层安全协议)，用于两个应用程序之间提供保密性和数据完整性。  
    TLS 1.0是IETF（Internet Engineering Task Force，Internet工程任务组）制定的一种新的协议，它建立在SSL 3.0协议规范之上，是SSL 3.0的后续版本，可以理解为SSL 3.1(**可简单理解为同一事物不同阶段的不同称呼**)，它是写入了 RFC 的。该协议由两层组成： TLS 记录协议（TLS Record）和 TLS 握手协议（TLS Handshake）。较低的层为 TLS 记录协议，位于某个可靠的传输协议（例如 TCP）上面。
 *  SSL和TLS的主要区别?  
    **TLS的主要目标是使SSL更安全，并使协议的规范更精确和完善。**另外,TLS版本号也与SSL的不同(TLS的版本1.0使用的版本号为SSLv3.1).

### “对称加密”和“非对称加密”的概念 ###

*  什么是“加密”和“解密”？  
    通俗而言，你可以把“加密”和“解密”理解为某种【互逆的】数学运算。就好比“加法和减法”互为逆运算、“乘法和除法”互为逆运算。  
    “加密”的过程，就是把“明文”变成“密文”的过程；反之，“解密”的过程，就是把“密文”变为“明文”。在这两个过程中，都需要一个关键的东东——叫做“密钥”——来参与数学运算。
 *  什么是“对称加密”？  
    所谓的“对称加密技术”，意思就是说：“加密”和“解密”使用【相同的】密钥。这个比较好理解。就好比你用 7zip 或 WinRAR 创建一个带密码（口令）的加密压缩包。当你下次要把这个压缩文件解开的时候，你需要输入【同样的】密码。在这个例子中，密码/口令就如同刚才说的“密钥”。
 *  什么是“非对称加密”？  
    所谓的“非对称加密技术”，意思就是说：“加密”和“解密”使用【不同的】密钥。这玩意儿比较难理解，也比较难想到。当年“非对称加密”的发明，还被誉为“密码学”历史上的一次革命。  
    一般来说指:**加密时使用公钥,解密时使用私钥**
 *  各自有什么优缺点？  
    “对称加密”的好处是性能较好,但由于要让客户端掌握密钥,需将密钥在网络上传输,故不安全  
    “非对称加密”的好处是限制了公钥的能力,即用公钥加密后只能在服务端用私钥解密,这样使得”**解密的能力仅保留在服务端**“,缺点也很明显,这样只能实现单向加密,客户端没有解密能力.另外由于”非对称加密”涉及到“复杂数学问题”,所以性能相对而言较差.
 *  SSL对两种加密的利用?  
    为了获得较优的性能,对话的内容用”对称加密”,而对于”对称加密”带来的密钥传输问题,则由”非对称加密”来解决,由于客户端没有”非对称加密”的解密能力,所以密钥由客户端来产生并用公钥加密传输给服务端,这样就(在思路上)解决了密钥传输的安全问题和对话数据解密的性能问题.

### CA 证书的原理及用途 ###

*  什么是证书？
    
    　　“证书”洋文也叫“digital certificate”或“public key certificate”（专业的解释看“这里”）。  
    　　它是用来证明某某东西确实是某某东西的东西（是不是像绕口令？）。通俗地说，证书就好比例子里面的公章。通过公章，可以证明该介绍信确实是对应的公司发出的。  
    　　理论上，人人都可以找个证书工具，自己做一个证书。那如何防止坏人自己制作证书出来骗人捏？请看后续 CA 的介绍。
 *  什么是CA？
    
    　　CA是Certificate Authority的缩写，也叫“证书授权中心”。（专业的解释看“这里”）  
    　　它是负责管理和签发证书的第三方机构，就好比例子里面的中介——C 公司。一般来说，CA必须是所有行业和所有公众都信任的、认可的。因此它必须具有足够的权威性。就好比A、B两公司都必须信任C公司，才会找 C 公司作为公章的中介。
 *  什么是CA证书？
    
    　　CA 证书，顾名思义，就是CA颁发的证书。  
    　　前面已经说了，人人都可以找工具制作证书。但是你一个小破孩制作出来的证书是没啥用处的。因为你不是权威的CA机关，你自己搞的证书不具有权威性。  
    　　这就好比上述的例子里，某个坏人自己刻了一个公章，盖到介绍信上。但是别人一看，不是受信任的中介公司的公章，就不予理睬。坏蛋的阴谋就不能得逞啦。  
    　　文本后续提及的证书，若无特殊说明，均指 CA 证书。
 *  什么是证书之间的信任关系？
    
    　　在俺的例子里谈到，引入中介后，业务员要同时带两个介绍信。第一个介绍信包含了两个公章，并注明，公章C信任公章A。证书间的信任关系，就和这个类似。就是用一个证书来证明另一个证书是真实可信滴。
 *  什么是证书信任链？
    
    　　实际上，证书之间的信任关系，是可以嵌套的。比如，C 信任 A1，A1 信任 A2，A2 信任 A3……这个叫做证书的信任链。只要你信任链上的头一个证书，那后续的证书，都是可以信任滴。
 *  什么是根证书？
    
    　　“根证书”的洋文叫“root certificate”，专业的解释看“这里”。为了说清楚根证书是咋回事，再来看个稍微复杂点的例子。  
    　　假设 C 证书信任 A 和 B；然后 A 信任 A1 和 A2；B 信任 B1 和 B2。则它们之间，构成如下的一个树形关系（一个倒立的树）。  
    　　处于最顶上的树根位置的那个证书，就是“根证书”。除了根证书，其它证书都要依靠上一级的证书，来证明自己。那谁来证明“根证书”可靠捏？实际上，根证书自己证明自己是可靠滴（或者换句话说，根证书是不需要被证明滴）。
 *  CA证书在SSL中的作用?
    
    客户端需要对服务端的证书进行检查，如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。如果证书没有问题，客户端就会从服务器证书中取出服务器的公钥(**公钥从证书中获取,证书的正确性由CA保证**)

# 3.密钥协商过程——TLS握手 详细版 #

SSL协议分为两部分：Handshake Protocol和Record Protocol。其中Handshake Protocol用来协商密钥，协议的大部分内容就是通信双方如何利用它来安全的协商出一份密钥。 Record Protocol则定义了传输的格式。

由于非对称加密的速度比较慢，所以它一般用于密钥交换，双方通过公钥算法协商出一份密钥，然后通过对称加密来通信，当然，为了保证数据的完整性，在加密前要先经过HMAC的处理。

SSL缺省只进行server端的认证，客户端的认证是可选的。以下是其流程图（摘自TLS协议）。  
![70][]

SSL客户端（也是TCP的客户端）在TCP链接建立之后，发出一个ClientHello来发起握手，这个消息里面包含了自己可实现的算法列表和其它一些需要的消息，SSL的服务器端会回应一个ServerHello，这里面确定了这次通信所需要的算法，然后发过去自己的证书（里面包含了身份和自己的公钥）。Client在收到这个消息后会生成一个秘密消息，用SSL服务器的公钥加密后传过去，SSL服务器端用自己的私钥解密后，会话密钥协商成功，双方可以用同一份会话密钥来通信了。

## 1 客户端发出请求（ClientHello） ##

由于客户端(如浏览器)对一些加解密算法的支持程度不一样，但是在TLS协议传输过程中必须使用同一套加解密算法才能保证数据能够正常的加解密。在TLS握手阶段，客户端首先要告知服务端，自己支持哪些加密算法，所以客户端需要将本地支持的加密套件(Cipher Suite)的列表传送给服务端。除此之外，客户端还要产生一个随机数，这个随机数一方面需要在客户端保存，另一方面需要传送给服务端，客户端的随机数需要跟服务端产生的随机数结合起来产生后面要讲到的 Master Secret 。

综上，在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息：

*  支持的协议版本，比如TLS 1.0版
 *  一个客户端生成的随机数，稍后用于生成”对话密钥”
 *  支持的加密方法，比如RSA公钥加密
 *  支持的压缩方法

## 2 服务器回应（SeverHello) ##

上图中，从Server Hello到Server Done，有些服务端的实现是每条单独发送，有服务端实现是合并到一起发送。Sever Hello和Server Done都是只有头没有内容的数据。

服务端在接收到客户端的Client Hello之后，服务端需要将自己的证书发送给客户端。这个证书是对于服务端的一种认证。例如，客户端收到了一个来自于称自己是www.alipay.com的数据，但是如何证明对方是合法的alipay支付宝呢？这就是证书的作用，支付宝的证书可以证明它是alipay，而不是财付通。证书是需要申请，并由专门的数字证书认证机构(CA)通过非常严格的审核之后颁发的电子证书。颁发证书的同时会产生一个私钥和公钥。私钥由服务端自己保存，不可泄漏。公钥则是附带在证书的信息中，可以公开的。证书本身也附带一个证书电子签名，这个签名用来验证证书的完整性和真实性，可以防止证书被串改。另外，证书还有个有效期。

在服务端向客户端发送的证书中没有提供足够的信息（证书公钥）的时候，还可以向客户端发送一个 Server Key Exchange，

此外，对于非常重要的保密数据，服务端还需要对客户端进行验证，以保证数据传送给了安全的合法的客户端。服务端可以向客户端发出 Cerficate Request 消息，要求客户端发送证书对客户端的合法性进行验证。比如，金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络，就会向正式客户提供USB密钥，里面就包含了一张客户端证书。

跟客户端一样，服务端也需要产生一个随机数发送给客户端。客户端和服务端都需要使用这两个随机数来产生Master Secret。

最后服务端会发送一个Server Hello Done消息给客户端，表示Server Hello消息结束了。

综上，在这一步，服务器的回应包含以下内容：

*  确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信
 *  一个服务器生成的随机数，稍后用于生成”对话密钥”
 *  确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密
 *  服务器证书

## 3 客户端回应（Certificate Verify） ##

Client Key Exchange

如果服务端需要对客户端进行验证，在客户端收到服务端的 Server Hello 消息之后，首先需要向服务端发送客户端的证书，让服务端来验证客户端的合法性。

Certificate Verify  
接着，客户端需要对服务端的证书进行检查，如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。如果证书没有问题，客户端就会从服务器证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息：

*  一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听
 *  编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送
 *  客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验  
    上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，它是客户端使用一些加密算法(例如：RSA, Diffie-Hellman)产生一个48个字节的Key，这个Key叫 PreMaster Secret，很多材料上也被称作 PreMaster Key。

ChangeCipherSpec  
ChangeCipherSpec是一个独立的协议，体现在数据包中就是一个字节的数据，用于告知服务端，客户端已经切换到之前协商好的加密套件（Cipher Suite）的状态，准备使用之前协商好的加密套件加密数据并传输了。

在ChangecipherSpec传输完毕之后，客户端会使用之前协商好的加密套件和Session Secret加密一段 Finish 的数据传送给服务端，此数据是为了在正式传输应用数据之前对刚刚握手建立起来的加解密通道进行验证。

## 4 服务器的最后回应（Server Finish） ##

服务端在接收到客户端传过来的 PreMaster 加密数据之后，使用私钥对这段加密数据进行解密，并对数据进行验证，也会使用跟客户端同样的方式生成 Session Secret，一切准备好之后，会给客户端发送一个 ChangeCipherSpec，告知客户端已经切换到协商过的加密套件状态，准备使用加密套件和 Session Secret加密数据了。之后，服务端也会使用 Session Secret 加密一段 Finish 消息发送给客户端，以验证之前通过握手建立起来的加解密通道是否成功。

根据之前的握手信息，如果客户端和服务端都能对Finish信息进行正常加解密且消息正确的被验证，则说明握手通道已经建立成功，接下来，双方可以使用上面产生的Session Secret对数据进行加密传输了。

# 4. 附：密钥协商的形象化比喻 #

如果上面的说明不够清晰，这里我们用个形象的比喻，我们假设A与B通信，A是SSL客户端，B是SSL服务器端，加密后的消息放在方括号\[\]里，以突出明文消息的区别。双方的处理动作的说明用圆括号（）括起。

A：我想和你安全的通话，我这里的对称加密算法有DES,RC5,密钥交换算法有RSA和DH，摘要算法有MD5和SHA。

B：我们用DES－RSA－SHA这对组合好了。  
这是我的证书，里面有我的名字和公钥，你拿去验证一下我的身份（把证书发给A）。  
目前没有别的可说的了。

A：（查看证书上B的名字是否无误，并通过手头早已有的CA的证书验证了B的证书的真实性，如果其中一项有误，发出警告并断开连接，这一步保证了B的公钥的真实性）  
（产生一份秘密消息，这份秘密消息处理后将用作加密密钥，加密初始化向量（IV）和hmac的密钥。将这份秘密消息-协议中称为per\_master\_secret-用B的公钥加密，封装成称作ClientKeyExchange的消息。由于用了B的公钥，保证了第三方无法窃听）  
我生成了一份秘密消息，并用你的公钥加密了，给你（把ClientKeyExchange发给B）  
注意，下面我就要用加密的办法给你发消息了！  
（将秘密消息进行处理，生成加密密钥，加密初始化向量和hmac的密钥）  
\[我说完了\]

B：（用自己的私钥将ClientKeyExchange中的秘密消息解密出来，然后将秘密消息进行处理，生成加密密钥，加密初始化向量和hmac的密钥，这时双方已经安全的协商出一套加密办法了）  
注意，我也要开始用加密的办法给你发消息了！  
\[我说完了\]

A: \[我的秘密是…\]

B: \[其它人不会听到的…\]

## 5.参考 ##

[https://segmentfault.com/a/1190000002554673][https_segmentfault.com_a_1190000002554673]  
[http://www.techug.com/post/https-ssl-tls.html][http_www.techug.com_post_https-ssl-tls.html]

[70]: /images/20220530/3eb74a09d643428db6be44105b54af9e.png
[https_segmentfault.com_a_1190000002554673]: https://segmentfault.com/a/1190000002554673
[http_www.techug.com_post_https-ssl-tls.html]: http://www.techug.com/post/https-ssl-tls.html