SSL / TLS 协议运行机制详解

链接:www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html

互联网的通信安全,建立在SSL/TLS协议之上。

本文简要介绍SSL/TLS协议的运行机制。文章的重点是设计思想和运行过程,不涉及具体的实现细节。如果想了解这方面的内容,请参阅RFC文档。

一、作用

不使用SSL/TLS的HTTP通信,就是不加密的通信。所有信息明文传播,带来了三大风险。

(1) 窃听风险(eavesdropping):第三方可以获知通信内容。 (2) 篡改风险(tampering):第三方可以修改通信内容。 (3) 冒充风险(pretending):第三方可以冒充他人身份参与通信。

SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的,希望达到:

(1) 所有信息都是加密传播,第三方无法窃听。 (2) 具有校验机制,一旦被篡改,通信双方会立刻发现。 (3) 配备身份证书,防止身份被冒充。

互联网是开放环境,通信双方都是未知身份,这为协议的设计带来了很大的难度。而且,协议还必须能够经受所有匪夷所思的攻击,这使得SSL/TLS协议变得异常复杂。

二、历史

互联网加密通信协议的历史,几乎与互联网一样长。

1994年,NetScape公司设计了SSL协议(Secure Sockets Layer)的1.0版,但是未发布。 1995年,NetScape公司发布SSL 2.0版,很快发现有严重漏洞。 1996年,SSL 3.0版问世,得到大规模应用。 1999年,互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司,发布了SSL的升级版TLS 1.0版。 2006年和2008年,TLS进行了两次升级,分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。

目前,应用最广泛的是TLS 1.0,接下来是SSL 3.0。但是,主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的支持。

TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1,TLS 1.1为SSL 3.2,TLS 1.2为SSL 3.3。

三、基本的运行过程

SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法,也就是说,客户端先向服务器端索要公钥,然后用公钥加密信息,服务器收到密文后,用自己的私钥解密。

但是,这里有两个问题。

(1)如何保证公钥不被篡改?

解决方法:将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的,公钥就是可信的。

(2)公钥加密计算量太大,如何减少耗用的时间?

解决方法:每一次对话(session),客户端和服务器端都生成一个”对话密钥”(session key),用它来加密信息。由于”对话密钥”是对称加密,所以运算速度非常快,而服务器公钥只用于加密”对话密钥”本身,这样就减少了加密运算的消耗时间。

因此,SSL/TLS协议的基本过程是这样的:

(1) 客户端向服务器端索要并验证公钥。 (2) 双方协商生成”对话密钥”。 (3) 双方采用”对话密钥”进行加密通信。

上面过程的前两步,又称为”握手阶段”(handshake)。

四、握手阶段的详细过程

“握手阶段”涉及四次通信,我们一个个来看。需要注意的是,”握手阶段”的所有通信都是明文的。

4.1 客户端发出请求(ClientHello)

首先,客户端(通常是浏览器)先向服务器发出加密通信的请求,这被叫做ClientHello请求。

在这一步,客户端主要向服务器提供以下信息。

(1) 支持的协议版本,比如TLS 1.0版。 (2) 一个客户端生成的随机数,稍后用于生成”对话密钥”。 (3) 支持的加密方法,比如RSA公钥加密。 (4) 支持的压缩方法。

这里需要注意的是,客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说,理论上服务器只能包含一个网站,否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。点击这里查看https认证原理详解。

对于虚拟主机的用户来说,这当然很不方便。2006年,TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展,允许客户端向服务器提供它所请求的域名。

4.2 服务器回应(SeverHello)

服务器收到客户端请求后,向客户端发出回应,这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。

(1) 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。 (2) 一个服务器生成的随机数,稍后用于生成”对话密钥”。 (3) 确认使用的加密方法,比如RSA公钥加密。 (4) 服务器证书。

除了上面这些信息,如果服务器需要确认客户端的身份,就会再包含一项请求,要求客户端提供”客户端证书”。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。

4.3 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,向服务器发送下面三项信息。

(1) 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密,防止被窃听。 (2) 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。 (3) 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,又称”pre-master key”。有了它以后,客户端和服务器就同时有了三个随机数,接着双方就用事先商定的加密方法,各自生成本次会话所用的同一把”会话密钥”。点击这里查看https认证原理详解。

至于为什么一定要用三个随机数,来生成”会话密钥”,dog250解释得很好:

“不管是客户端还是服务器,都需要随机数,这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的,因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。 对于RSA密钥交换算法来说,pre-master-key本身就是一个随机数,再加上hello消息中的随机,三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。 pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数,如果随机数不随机,那么pre master secret就有可能被猜出来,那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了,因此必须引入新的随机因素,那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了,一个伪随机可能完全不随机,可是是三个伪随机就十分接近随机了,每增加一个自由度,随机性增加的可不是一。”

此外,如果前一步,服务器要求客户端证书,客户端会在这一步发送证书及相关信息。

4.4 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”会话密钥”。然后,向客户端最后发送下面信息。

(1)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。 (2)服务器握手结束通知,表示服务器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,用来供客户端校验。

至此,整个握手阶段全部结束。接下来,客户端与服务器进入加密通信,就完全是使用普通的HTTP协议,只不过用”会话密钥”加密内容。

原文发布于微信公众号 - Java技术栈(javastack)

原文发表时间:2018-07-09

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