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SSL/TLS协议

分类: 文章 • 2022-10-12 18:33:10

SSL/TLS协议

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接层),及其继任者传输层安全（Transport Layer Security，TLS）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层对网络连接进行加密。NetScape(网景)公司在1994设计了SSL协议。

IETF 就在把 SSL 标准化。标准化之后的名称改为 TLS（是“Transport Layer Security”的缩写），中文叫做“传输层安全协议”。很多相关的文章都把这两者并列称呼（SSL/TLS），因为这两者可以视作同一个东西的不同阶段。

SSL协议的三个特性

  1. 保密：在握手协议中定义了会话**后，所有的消息都被加密。
  2. 鉴别：可选的客户端认证，和强制的服务器端认证。
  3. 完整性：传送的消息包括消息完整性检查（使用MAC）。

这三个特性就可以解决明文传输带来的危害，窃听风险（被人监听网络交互内容），篡改风险（修改你的交互内容）冒充风险

SSL的工作原理

握手协议（Handshake protocol）
记录协议（Record protocol）
警报协议（Alert protocol）

握手协议:

握手协议是客户机和服务器用SSL连接通信时使用的第一个子协议，握手协议包括客户机与服务器之间的一系列消息。SSL中最复杂的协议就是握手协议。该协议允许服务器和客户机相互验证，协商加密和MAC算法以及保***，用来保护在SSL记录中发送的数据。握手协议是在应用程序的数据传输之前使用的。

记录协议 :

记录协议在客户机和服务器握手成功后使用，即客户机和服务器鉴别对方和确定安全信息交换使用的算法后，进入SSL记录协议，记录协议向SSL连接提供两个服务：
　　（1）保密性：使用握手协议定义的秘***实现
　　（2）完整性：握手协议定义了MAC，用于保证消息完整性

警报协议:

客户机和服务器发现错误时，向对方发送一个警报消息。如果是致命错误，则算法立即关闭SSL连接，双方还会先删除相关的会话号，秘密和**。每个警报消息共2个字节，第1个字节表示错误类型，如果是警报，则值为1，如果是致命错误，则值为2；第2个字节制定实际错误类型。

在了解基本的运行方式之前，还有几个密码学的概念需要了解：

  • 密码学(cryptography)：目的是通过将信息编码使其不可读，从而达到安全性。
  • 明文(plain text)：发送人、接受人和任何访问消息的人都能理解的消息。
  • 密文(cipher text)：明文消息经过某种编码后，得到密文消息。
  • 加密(encryption)：将明文消息变成密文消息。
  • 解密(decryption)：将密文消息变成明文消息。
  • 算法：取一个输入文本，产生一个输出文本。
  • 加密算法：发送方进行加密的算法。
  • 解密算法：接收方进行解密的算法。
  • **(key)：只有发送方和接收方理解的消息
  • 对称**加密(Symmetric Key Cryptography)：加密与解密使用相同**。
  • 非对称**加密(Asymmetric Key Cryptography)：加密与解密使用不同**。

下面就可以切入比较复杂的SSL/TLS的握手过程

SSL/TLS 握手过程

“握手阶段”涉及四次通信。需要注意的是，”握手阶段”的所有通信都是明文的。

SSL/TLS协议

第一次通信 客户端发出请求（ClientHello）：

客户端先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。包含的信息为：

  • SSL/TLS的版本信息（应该是最大的版本信息），是为了同服务器的对应的版本想匹配
  • 32字节的随机数（用于后续的秘钥的生成，加大第三方的**难度）
  • 客户端支持的加密套件 cipher suites 列表,认证算法 Au (身份验证)、**交换算法 KeyExchange(**协商)、对称加密算法 Enc (信息加密)和信息摘要 Mac(完整性校验);(让服务端选取对应的加密算法)
  • 支持的压缩算法 compression methods 列表，用于后续的信息压缩传输;（列表形式，让服务端选取对应的压缩的方式）
  • 扩展字段 extensions（后来添加的），支持协议与算法的相关参数以及其它辅助信息等，常见的 SNI(Server Name Indication，用于解决一个服务器智能有一个证书的问题,允许客户端向服务器提供它所请求的域名) 就属于扩展字段，SNI (Server Name Indication)是用来改善服务器与客户端 SSL (Secure Socket Layer)和 TLS (Transport Layer Security) 的一个扩展。主要解决一台服务器只能使用一个证书(一个域名)的缺点，随着服务器对虚拟主机的支持，一个服务器上可以为多个域名提供服务，因此SNI必须得到支持才能满足需求。1个服务器可能为上千个域名提供服务，不可能将所有证书都发送给客户端，让客户端一一验证，找到与请求域名对应的证书。SNI的设计目的是为了让服务器根据请求来决定为哪个域服务，这个信息通常从HTTP请求头获得。

第二次通信 服务器回应（SeverHello）：

其实就是别人给你打了招呼，不管认不认识，你总得回应一下，介绍一下自己，才能确定有没有进一步交流的必要

  • 选择使用的TLS/SSL协议版本 version，如果没有支持的共同的版本，那就拜拜了
  • 选择客户端对应的加密套件
  • 选择客户端对应的压缩套件
  • 32字节的随机数（多一个暗号，就更安全一些，也是为了对话**）
  • 服务器证书（把证书发给客户端）
  • 请求客户端证书（服务端可能会要求客户自身进行验证，注意可能）

第三次通信 客户端回应：

客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。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，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送回应。

  • 合法性验证通过之后，客户端计算产生随机数字 Pre-master（第三个随机数），并用证书公钥加密，发送给服务器;
  • 此时客户端已经获取全部的计算协商**需要的信息，将三个随机数合成秘钥，客户端通知服务器后续的通信都采用协商的通信**和加密算法进行加密通信（此步骤就产生了客户端的”会话**”。）;
  • 结合之前所有通信参数的 hash 值与其它相关信息生成一段数据，采用协商** session secret 与算法进行加密，然后发送给服务器用于数据与握手验证;
  • 如果需要客户端证书的话，客户端会在这一步发送证书及相关信息

第四次通信 服务器的最后回应：

服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的”会话**”。然后，向客户端最后发送下面信息。

  • 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**发送。
  • 计算之前所有接收信息的 hash 值，然后解密客户端发送的 encrypted_handshake_message，验证数据和**正确性;
  • 服务器也结合所有当前的通信参数信息生成一段数据并采用协商** session secret 与算法加密并发送到客户端;

客户端计算所有接收信息的 hash 值，并采用协商**解密 encrypted_handshake_message，验证服务器发送的数据和**，验证通过则握手完成;(此次处理仅发生在客户端，并不是一次通信)

session ID/session ticket

为了加快建立握手的速度，减少协议带来的性能降低和资源消耗(主要提高再次握手的效率)，TLS 协议有两类会话缓存机制：会话标识 session ID 与会话记录 session ticket。

session ID 由服务器端支持，协议中的标准字段，因此基本所有服务器都支持，服务器端保存会话ID以及协商的通信信息，Nginx 中1M 内存约可以保存4000个 session ID 机器相关信息，占用服务器资源较多;

session ticket 需要服务器和客户端都支持，属于一个扩展字段，支持范围约60%(无可靠统计与来源)，将协商的通信信息加密之后发送给客户端保存，**只有服务器知道，占用服务器资源很少。

二者都存在的情况下，优先使用 session_ticket。

session ID

  • 如果客户端和服务器之间曾经建立了连接，服务器会在握手成功后返回 session ID，并保存对应的通信参数在服务器中;
  • 如果客户端再次需要和该服务器建立连接，则在 client_hello 中 session ID 中携带记录的信息，发送给服务器;
  • 服务器根据收到的 session ID 检索缓存记录，如果没有检索到货缓存过期，则按照正常的握手过程进行;
  • 如果检索到对应的缓存记录，则返回 change_cipher_spec 与 encrypted_handshake_message 信息，两个信息作用类似，encrypted_handshake_message 是到当前的通信参数与 master_secret的hash 值;(如果有缓存验证加密数据)
  • 如果客户端能够验证通过服务器加密数据，则客户端同样发送 change_cipher_spec 与 encrypted_handshake_message 信息;
  • 服务器验证数据通过，则握手建立成功，开始进行正常的加密数据通信。（当然不通过，接着握手，通过了就直接通信，提高效率）

session ticket

  • 如果客户端和服务器之间曾经建立了连接，服务器会在 new_session_ticket 数据中携带加密的 session_ticket 信息，客户端保存;
  • 如果客户端再次需要和该服务器建立连接，则在 client_hello 中扩展字段 session_ticket 中携带加密信息，一起发送给服务器;
  • 服务器解密 sesssion_ticket 数据，如果能够解密失败，则按照正常的握手过程进行;
  • 如果解密成功，则返回 change_cipher_spec 与 encrypted_handshake_message 信息，两个信息作用与 session ID 中类似;
  • 如果客户端能够验证通过服务器加密数据，则客户端同样发送 change_cipher_spec与encrypted_handshake_message 信息;
  • 服务器验证数据通过，则握手建立成功，开始进行正常的加密数据通信。

数据加密通信过程

  • 对应用层数据进行分片成合适的 block;
  • 为分片数据编号，防止重放攻击;
  • 使用协商的压缩算法压缩数据;
  • 计算 MAC 值和压缩数据组成传输数据;
  • 使用 client encryption key 加密数据，发送给服务器 server;
  • server 收到数据之后使用 client encrytion key 解密，校验数据，解压缩数据，重新组装。（反之亦然）

补充：
**Key 经过12轮迭代计算会获取到12个 hash 值，分组成为6个元素，client Mac key, server Mac key,client encryption key,server encryption key,client IV,server IV;
mac key、encryption key 和 IV 是一组加密元素，分别被客户端和服务器使用，但是这两组元素都被两边同时获取;
客户端使用 client 组元素加密数据，服务器使用 client 元素解密;服务器使用 server 元素加密，client 使用 server 元素解密;
双向通信的不同方向使用的**不同，**通信至少需要**两次;

encryption key 用于对称加密数据;
IV 作为很多加密算法的初始化向量使用，具体可以研究对称加密算法;
Mac key 用于数据的完整性校验;

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