前言

目前,在互联网的安全系统中,SSL/TLS是一位十分重要的角色。可以说,我们日常的游览器的访问的安全性就是依靠它来实现的。
本文主要浅谈我对SSL/TLS协议的设计思想和运行过程的认识,并不涉及实现方式。其具体的实现细节可以参阅官方的RFC文档
在2018年,谷歌宣布从7月起,Chrome浏览器的地址栏将把所有HTTP标示为不安全网站,并且对所有的HTTP网站降低SEO权重。这一重大举措无疑是为了加快普及HTTPS,以及代表谷歌正式抛弃了HTTP。除了GOOGLE,国内的百度、360等均公开宣布,对HTTPS网站给予优先收录;而在移动端,微信小程序也要求同步小程序的网站,必须使用HTTPS协议。可见国内外对于互联网安全性是非常重视的,而国内仍然还是有大部分的网站还是在使用HTTP。那么HTTPS是如何帮助我们实现安全传输的呢?


1、普通的HTTP缺陷

不适用TLS/SSL的HTTP通信,就是以信息明文传播的不加密的通信,它具有三大风险:
1、窃听风险:第三方可以获知通信内容
2、篡改风险:第三方可以修改通信内容
3、冒充风险:第三方可以冒充他人身份参与通信
而HTTPS正是为了解决这三大风险产生的,他的期望为:
1、所有信息都加密传播,第三方无法窃听
2、具有校验机制,一旦被篡改,通信双方都会立即发现
3、配备身份证书,从而防止身份被冒充
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。


2、SSL/TLS的历史

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。


3、SSL/TLS基本运行过程

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。

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。这就是以前我们家庭访问网上银行的时候需要在电脑上插上类似于U盘的装置的原因了。当然现在已经没有了。

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"。
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。
全部流程
本文部分参考阮一峰作者

Last modification:October 15th, 2020 at 06:18 pm
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