SSL/TLS協(xié)議運(yùn)行機(jī)制的概述

互聯(lián)網(wǎng)的通信安全，建立在SSL/TLS協(xié)議之上。

本文簡要介紹SSL/TLS協(xié)議的運(yùn)行機(jī)制。文章的重點(diǎn)是設(shè)計思想和運(yùn)行過程，不涉及具體的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。如果想了解這方面的內(nèi)容，請參閱RFC文檔。

一、作用

不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明文傳播，帶來了三大風(fēng)險。

（1） 竊聽風(fēng)險（eavesdropping）：第三方可以獲知通信內(nèi)容。

（2） 篡改風(fēng)險（tampering）：第三方可以修改通信內(nèi)容。

（3） 冒充風(fēng)險（pretending）：第三方可以冒充他人身份參與通信。

SSL/TLS協(xié)議是為了解決這三大風(fēng)險而設(shè)計的，希望達(dá)到：

（1） 所有信息都是加密傳播，第三方無法竊聽。

（2） 具有校驗機(jī)制，一旦被篡改，通信雙方會立刻發(fā)現(xiàn)。

（3） 配備身份證書，防止身份被冒充。

互聯(lián)網(wǎng)是開放環(huán)境，通信雙方都是未知身份，這為協(xié)議的設(shè)計帶來了很大的難度。而且，協(xié)議還必須能夠經(jīng)受所有匪夷所思的攻擊，這使得SSL/TLS協(xié)議變得異常復(fù)雜。

二、歷史

互聯(lián)網(wǎng)加密通信協(xié)議的歷史，幾乎與互聯(lián)網(wǎng)一樣長。

1994年，NetScape公司設(shè)計了SSL協(xié)議（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未發(fā)布。

1995年，NetScape公司發(fā)布SSL 2.0版，很快發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重漏洞。

1996年，SSL 3.0版問世，得到大規(guī)模應(yīng)用。

1999年，互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOC接替NetScape公司，發(fā)布了SSL的升級版TLS 1.0版。

2006年和2008年，TLS進(jìn)行了兩次升級，分別為TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的變動是2011年TLS 1.2的修訂版。

目前，應(yīng)用最廣泛的是TLS 1.0，接下來是SSL 3.0。但是，主流瀏覽器都已經(jīng)實現(xiàn)了TLS 1.2的支持。

TLS 1.0通常被標(biāo)示為SSL 3.1，TLS 1.1為SSL 3.2，TLS 1.2為SSL 3.3。

三、基本的運(yùn)行過程

SSL/TLS協(xié)議的基本思路是采用公鑰加密法，也就是說，客戶端先向服務(wù)器端索要公鑰，然后用公鑰加密信息，服務(wù)器收到密文后，用自己的私鑰解密。

但是，這里有兩個問題。

（1）如何保證公鑰不被篡改？

解決方法：將公鑰放在數(shù)字證書中。只要證書是可信的，公鑰就是可信的。

（2）公鑰加密計算量太大，如何減少耗用的時間？

解決方法：每一次對話（session），客戶端和服務(wù)器端都生成一個"對話密鑰"（session key），用它來加密信息。由于"對話密鑰"是對稱加密，所以運(yùn)算速度非常快，而服務(wù)器公鑰只用于加密"對話密鑰"本身，這樣就減少了加密運(yùn)算的消耗時間。

因此，SSL/TLS協(xié)議的基本過程是這樣的：

（1） 客戶端向服務(wù)器端索要并驗證公鑰。

（2） 雙方協(xié)商生成"對話密鑰"。

（3） 雙方采用"對話密鑰"進(jìn)行加密通信。

上面過程的前兩步，又稱為"握手階段"（handshake）。

四、握手階段的詳細(xì)過程

"握手階段"涉及四次通信，我們一個個來看。需要注意的是，"握手階段"的所有通信都是明文的。

4.1 客戶端發(fā)出請求（ClientHello）

首先，客戶端（通常是瀏覽器）先向服務(wù)器發(fā)出加密通信的請求，這被叫做ClientHello請求。

在這一步，客戶端主要向服務(wù)器提供以下信息。

（1） 支持的協(xié)議版本，比如TLS 1.0版。

（2） 一個客戶端生成的隨機(jī)數(shù)，稍后用于生成"對話密鑰"。

（3） 支持的加密方法，比如RSA公鑰加密。

（4） 支持的壓縮方法。

這里需要注意的是，客戶端發(fā)送的信息之中不包括服務(wù)器的域名。也就是說，理論上服務(wù)器只能包含一個網(wǎng)站，否則會分不清應(yīng)該向客戶端提供哪一個網(wǎng)站的數(shù)字證書。這就是為什么通常一臺服務(wù)器只能有一張數(shù)字證書的原因。

對于虛擬主機(jī)的用戶來說，這當(dāng)然很不方便。2006年，TLS協(xié)議加入了一個Server Name Indication擴(kuò)展，允許客戶端向服務(wù)器提供它所請求的域名。

4.2 服務(wù)器回應(yīng)（SeverHello）

服務(wù)器收到客戶端請求后，向客戶端發(fā)出回應(yīng)，這叫做SeverHello。服務(wù)器的回應(yīng)包含以下內(nèi)容。

（1） 確認(rèn)使用的加密通信協(xié)議版本，比如TLS 1.0版本。如果瀏覽器與服務(wù)器支持的版本不一致，服務(wù)器關(guān)閉加密通信。

（2） 一個服務(wù)器生成的隨機(jī)數(shù)，稍后用于生成"對話密鑰"。

（3） 確認(rèn)使用的加密方法，比如RSA公鑰加密。

（4） 服務(wù)器證書。

除了上面這些信息，如果服務(wù)器需要確認(rèn)客戶端的身份，就會再包含一項請求，要求客戶端提供"客戶端證書"。比如，金融機(jī)構(gòu)往往只允許認(rèn)證客戶連入自己的網(wǎng)絡(luò)，就會向正式客戶提供USB密鑰，里面就包含了一張客戶端證書。

4.3 客戶端回應(yīng)

客戶端收到服務(wù)器回應(yīng)以后，首先驗證服務(wù)器證書。如果證書不是可信機(jī)構(gòu)頒布、或者證書中的域名與實際域名不一致、或者證書已經(jīng)過期，就會向訪問者顯示一個警告，由其選擇是否還要繼續(xù)通信。

如果證書沒有問題，客戶端就會從證書中取出服務(wù)器的公鑰。然后，向服務(wù)器發(fā)送下面三項信息。

（1） 一個隨機(jī)數(shù)。該隨機(jī)數(shù)用服務(wù)器公鑰加密，防止被竊聽。

（2） 編碼改變通知，表示隨后的信息都將用雙方商定的加密方法和密鑰發(fā)送。

（3） 客戶端握手結(jié)束通知，表示客戶端的握手階段已經(jīng)結(jié)束。這一項同時也是前面發(fā)送的所有內(nèi)容的hash值，用來供服務(wù)器校驗。

上面第一項的隨機(jī)數(shù)，是整個握手階段出現(xiàn)的第三個隨機(jī)數(shù)，又稱"pre-master key"。有了它以后，客戶端和服務(wù)器就同時有了三個隨機(jī)數(shù)，接著雙方就用事先商定的加密方法，各自生成本次會話所用的同一把"會話密鑰"。

至于為什么一定要用三個隨機(jī)數(shù)，來生成"會話密鑰"，dog250解釋得很好：

"不管是客戶端還是服務(wù)器，都需要隨機(jī)數(shù)，這樣生成的密鑰才不會每次都一樣。由于SSL協(xié)議中證書是靜態(tài)的，因此十分有必要引入一種隨機(jī)因素來保證協(xié)商出來的密鑰的隨機(jī)性。

對于RSA密鑰交換算法來說，pre-master-key本身就是一個隨機(jī)數(shù)，再加上hello消息中的隨機(jī)，三個隨機(jī)數(shù)通過一個密鑰導(dǎo)出器最終導(dǎo)出一個對稱密鑰。

pre master的存在在于SSL協(xié)議不信任每個主機(jī)都能產(chǎn)生完全隨機(jī)的隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)不隨機(jī)，那么pre master secret就有可能被猜出來，那么僅適用pre master secret作為密鑰就不合適了，因此必須引入新的隨機(jī)因素，那么客戶端和服務(wù)器加上pre master secret三個隨機(jī)數(shù)一同生成的密鑰就不容易被猜出了，一個偽隨機(jī)可能完全不隨機(jī)，可是是三個偽隨機(jī)就十分接近隨機(jī)了，每增加一個自由度，隨機(jī)性增加的可不是一。"

此外，如果前一步，服務(wù)器要求客戶端證書，客戶端會在這一步發(fā)送證書及相關(guān)信息。

4.4 服務(wù)器的最后回應(yīng)

服務(wù)器收到客戶端的第三個隨機(jī)數(shù)pre-master key之后，計算生成本次會話所用的"會話密鑰"。然后，向客戶端最后發(fā)送下面信息。

（1）編碼改變通知，表示隨后的信息都將用雙方商定的加密方法和密鑰發(fā)送。

（2）服務(wù)器握手結(jié)束通知，表示服務(wù)器的握手階段已經(jīng)結(jié)束。這一項同時也是前面發(fā)送的所有內(nèi)容的hash值，用來供客戶端校驗。

至此，整個握手階段全部結(jié)束。接下來，客戶端與服務(wù)器進(jìn)入加密通信，就完全是使用普通的HTTP協(xié)議，只不過用"會話密鑰"加密內(nèi)容。

五、參考鏈接

• MicroSoft TechNet, SSL/TLS in Detail

• Jeff Moser, The First Few Milliseconds of an HTTPS Connection

• Wikipedia, Transport Layer Security

• StackExchange, How does SSL work?

（完）

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