一文看懂SSL/TLS/OPENSSL/HTTPS

运维部落

发布于 2020-06-04 16:25:23

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SSL和TLS发展历程
SSL/TLS的作用
OpenSSL和HTTPS分别是什么及区别
TLS/SSL 协议通信原理
- SSL会话四个阶段

一文看懂SSL/TLS/OPENSSL/HTTPS

看了上篇文章的阅读量，我知道算法理论对运维同学太不友好了~ 所以果断跳过算法下篇，直接介绍本次的 SSL,TLS,OPENSSL,HTTPS~ 感兴趣的同学自行研究啦

话说，这4个概念都是起源了上次内容介绍的互联网通信安全，要几句话介绍清楚可能就别想了，做技术还是需要板凳坐穿的耐心了。so，今天的文章又是难啃的骨头。打好预防针，我们即刻开始本次内容。

上次内容提到，互联网安全的最终形态是数学。数学家绞尽脑汁发明了很多加密算法，但还需要程序员自己去写工具写程序去调用这些算法，才能实现数据加密。

在WEB化应用中，每家公司都自己开发，生产力不就这样浪费了吗，有人的地方就有江湖，所以有人出来写了一套供大家使用，这就是开源精神嘛。

TLS和SSL

传输层安全协议（英语：Transport Layer Security，缩写：TLS），及其前身安全套接层（Secure Sockets Layer，缩写：SSL）是一种安全协议，目的是为互联网通信，提供安全及数据完整性保障。

SSL和TLS发展历程

互联网加密通信协议的历史，几乎与互联网一样长

SSL（Secure Sockets Layer） 是网景公司（Netscape）设计的主要用于Web的安全传输协议，这种协议在Web上获得了广泛的应用。

基础算法由作为网景公司的首席科学家塔希尔·盖莫尔（Taher Elgamal）编写，所以他被人称为“SSL之父”。

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。

SSL/TLS的作用

SSL 是洋文“Secure Sockets Layer”的缩写，中文叫做“安全套接层”。它是在上世纪90年代中期，由网景公司设计的。（顺便插一句，网景公司不光发明了 SSL，还发明了很多 Web 的基础设施——比如“CSS 样式表”和“JS 脚本”）

为啥要发明 SSL 这个协议捏？因为原先互联网上使用的 HTTP 协议是明文的，存在很多缺点——比如传输内容会被偷窥（嗅探）和篡改。发明 SSL 协议，就是为了解决这些问题。

到了1999年，SSL 因为应用广泛，已经成为互联网上的事实标准。IETF 就在那年把 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。

OpenSSL和HTTPS分别是什么及区别

SSL是啥？

大家知道我们访问网站的时候，以HTTPS开头的表示你和服务器之间传输的数据经过了加密，这里所使用的加密协议就是SSL（Secure Sockets Layer，后来又推出了它的后续版本，改名叫TLS）。也就是说，把HTTP协议经过一层SSL协议进行加密包装，就变成了HTTPS。当然，SSL/TLS还用在很多协议中，例如VPN、加密的电子邮件协议等。

OPENSSL

那么OpenSSL又是啥？

在SSL协议中，我们使用了很多密码学手段来保护数据，其中包括对称密码、公钥密码、数字签名、证书、完整性校验、伪随机数生成等。由于这些算法和操作都非常复杂，于是开源社区就开发了一套库，这个库里面提供了很多现成的标准方法，其他开发者只要用正确调用这些方法，就可以实现SSL协议中的各种加密/解密操作了。因此，OpenSSL是一套开源的密码学工具包（open source cryptography toolkit）

OpenSSL 是一个强大的安全套接字层密码库，囊括主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能及 SSL 协议，并提供丰富的应用程序供测试或其他的目的使用。

SSL层

OpenSSL由三部分组成：

Libencrpt：加解密库
Libssl：实现ssl安全通信机制的库
Openssl：多用途命令行工具

这4个概念了解清楚后，大头戏才刚刚开始。

在前面的文章中，我们介绍了数据通信原理，现在在应用层和传输中中间夹了一层SSL，那整个通信方式有了哪些变化呢？

TLS/SSL 协议通信原理

SSL会话四个阶段

ssl会话握手

"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 。

(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。

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。

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。

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。

（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。

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。
索要客户端证书（非必须），银行金融系统会需要，其它很少有网点会索取

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。

（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。

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，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"。

至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥" ，看如下解释：

"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-key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。