SSL 原理说明

最近更新时间:2018-05-28 18:06:05

SSL/TLS是一个介于应用层(HTTP 协议)与传输层(TCP 协议)之间的一个可选协议,其协议架构可参照下图:

当HTTP通信不使用 SSL/TLS 时,所有信息均以明文形式传播,会有以下风险:

  • 窃听风险(eavesdropping):第三方可以获得通信内容
  • 篡改风险(tampering):第三方可以修改通信内容
  • 冒充风险(pretending):第三方可以冒充他人身份参与通信

为了解决这些通信风险,SSL/TLS 协议应运而生。协议设计的目标为:

  • 所有信息都是加密传播,第三方无法窃听。
  • 具有校验机制,一旦被篡改,通信双方可以立即发现。
  • 配备身份证书,防止身份被冒充。

目前,主流浏览器都已经支持了 SSL/TLS 的支持。

SSL/TLS 协议基本运行过程

SSL/TLS 协议的基本思路是采用公钥加密的方法。即客户端先向服务器端索要公钥,然后使用公钥加密信息并发送至服务器端;服务器收到密文后,用自己的私钥解密。

这里需要解决两个问题:

  • 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。
  • 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。

SSL/TLS协议的基本过程是这样的:

  • 客户端向服务器端索要并验证公钥
  • 双方协商生成"对话密钥"
  • 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)。

握手阶段的详细过程


"握手阶段"涉及四次通信且所有通信都是明文传输的。

客户端发出请求(ClientHello)

客户端(通常是浏览器)先向服务器发出加密通信的请求,通常被称为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
  • 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。

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。

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,通常被称为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,服务器将关闭加密通信
  • 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

除了以上信息,若服务器需要确认客户端的身份,则会再包含一项请求,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。

客户端回应

客户端收到服务器回应以后会首先验证服务器证书。如果证书不是由可信机构颁布、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并向服务器发送以下信息:

  • 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"。

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的存在原因是SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数。客户端和服务器加上pre-master三个随机数一同生成的密钥不容易被猜出了。因为一个伪随机可能完全不随机,可是三个伪随机则十分接近随机。

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。

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,向客户端最后发送如下信息:

  • 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密钥发送。
  • 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,完全是使用HTTP协议,只不过用"会话密钥"加密内容。

使用一个简单的例子来说明上面的内容: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。双方处理动作的说明用圆括号()括起。

  • A:
“我想和您安全的通话,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,您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,并用您的公钥加密了,给您。”把ClientKeyExchange发给B。“注意,下面我就要用加密的办法给您发消息了!”

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您发消息了!”
[我说完了]
  • A:
[我的秘密是...]
  • B:
 [其它人不会听到的...]