HTTPS安全通讯 2. SSL/TLS加密协议
HTTPS安全通讯 2. SSL/TLS加密协议
- 一、 概述
- 1. SSL
- 2. `OpenSSL`
- 3. `https`
- 4. 密钥协商算法
- 1.4.1 RSA算法
- 1.4.2 DH算法
- 5. 前向安全性
- 1. RSA算法
- 2. 静态DH算法
- 6. PKI
- 二 、通信模式演化
- 三、SSL/TLS 基本运行过程
- 1. 整体通讯流程
- 2. 握手阶段详细过程
- 4.1 客户端发出请求(Client Hello)
- 4.2 服务器回应(Server Hello)
- 4.3 客户端回应
- 4.4 服务器回应
一、 概述
1. SSL
- SSL（Secure Socket Layer 安全套接层），由网景在90年代开发的安全协议；
- 1995年Netscape发布
SSL v2.0 - 1996年Netscape发布
SSL v3.0 - 1999年 IETF(Internet工程任务组)发布
TLS v1.0，用于替代SSL v3.0 - 2006年 发布
TLS v1.1 - 2008年 发布
TLS v1.2 - 2018年 发布
TLS v1.3
至2020年3月，微软、苹果、谷歌等多家企业已弃用TLS v1.0和TLS v1.1。
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。
TLS 、SSL 协议一般构建在TCP上，也可以构建在UDP上，称为DTLS，在WEB里应用的较少。
2. OpenSSL
TLS/SSL 的设计规范有一系列的RFC文档，实现的库有:
- OpenSSL：OpenSSL开发组；
- LibreSSL：OpenBSD开发组；
- BoringSSL：谷歌基于OpenSSL的分支，用在安卓和Chrome上；
- JSSE：Oracle使用Java实现的TLS/SSL协议；
- Network Security Service(NSS)：Mozilla开发；
- GnuTLS：GNU TLS工程组，满足GPL许可证；
- Scheannel：微软用于Windows；
- Secure Transport：苹果用于iOS和OSX；
- mbed TLS：ARM用于嵌入式设备。
OpenSSL 是比较通用的TLS/SSL实现。
2014年，OpenSSL爆出“心脏出血”漏洞，影响了很多产品和服务。
OpenSSL包含两种类型的库：
- crypto 库函数：具体密码学算法使用库，如Md5,RSA,DES算法的实现；
- EVP接口：高层次库，基于crypto库函数做了进一步抽象。
OpenSSL已集成到大部分的Linux操作系统中。
3. https
将HTTP与TLS/SSL结合实现的协议，用于加密应用层。
一般浏览器将HTTPS默认在443端口。
证书链检测工具： myssl.com
4. 密钥协商算法
由于公钥算法运行速度较慢，所以一般用于通讯握手期间，在正常数据通讯时使用对称密钥算法。
协商目的就是生成对称密钥算法的密钥。
1.4.1 RSA算法
- 客户端向服务端发连接请求；
- 服务器端发RSA密钥对的公钥给客户端；
- 客户端生成随机数作为预备主密钥，用服务器公钥加密，再发给服务器；
- 服务器解密成功，即认为双方协商出预备主密钥。
1.4.2 DH算法
- 客户端向服务器端发连接请求；
- 服务器生成RSA密钥对，把公钥发给客户端；
- 服务器端生成DH参数和服务器DH密钥对，用RSA私钥签名DH参数和服务器DH公钥，最后将签名值、DH参数、服务器DH公钥发给客户端；
- 客户端通过服务器RSA的公钥验证签名，获取到DH参数和服务器DH公钥；
- 客户端通过DH参数生成客户端的DH密钥对，把客户端DH公钥发给服务器端；
- 客户端通过客户端DH私钥和服务器端DH公钥计算出预备主密钥；
- 服务器端接收到客户端的DH公钥，结合服务器的DH私钥计算出预备主密钥；
- 最终客户端与服务器端计算的预备主密钥保持一致。
服务器每次发送的DH参数和DH公钥如果是固定的，称为静态DH算法；
否则每次连接时临时生成，称为临时DH算法（EDH算法）。
5. 前向安全性
1. RSA算法
上面RSA算法中，攻击者无法获得服务器RSA密钥对，无法解密截获的数据。
但是攻击者如果把数据先保存下来，后来由于某种原因服务器密钥泄露了，即使服务器立刻改变密钥，但攻击者就可以解密历史数据，历史通信数据将都被解密。
2. 静态DH算法
静态DH算法也无法保持前向安全性，一旦服务器的DH参数和DH密钥泄露，攻击者能破解出预备主密钥，历史通信数据就会被破解。
6. PKI
PKI用于解决中间人攻击，由多个不同的组织构成，主要有：
- 服务器实体
- 客户端
- CA机构
二 、通信模式演化
正常通讯，无加密
通信过程很不安全，黑客可以监听双方的通信、拦截通信、伪造数据进行攻击。使用密钥加密
为了应对攻击，对通信数据使用对称加密算法进行加密。通信双方需要共享密钥。
1981年，出现对称加密算法DES。DES使用56bit的密钥。但由于双方需要共享密钥，这个密钥在传输过程中有可能被拦截。更高强度的密钥
DES可能被暴力破解。为了更高的安全性，出现了triple-DES(最长168bit密钥)、AES (最高 256bit密钥 )。
这仍没解决双方传递共享密钥的问题。非对称加密
最著名的非对称加密算法RSA算法，其加密与解密使用不同密钥，加密的密钥可以公开。这样可以有效解决双方共享密钥的问题。在使用中，通讯双方都有一个公钥和私钥。
A要给B发网络数据流程：
A使用私钥加密数据的hash值
A再用B的公钥加密数据。
A将加密的hash值和加密的数据加上一些其它信息（如时间戳）发给B
B 先用私钥解密数据
B本地运行一个hash值
B用A的公钥解密hash值，与自己运行的比较，检验数据完整性。
但最初通讯交换公钥的过程，仍存在被中间人攻击的可能。
使用可信任机构颁布数字证书
三、SSL/TLS 基本运行过程
1. 整体通讯流程
- 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。
SSL/TLS 使用非对称加密 。
- 保证公钥不被篡改：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。
- 每一次对话，双方生成一个对称密钥，用来加密信息，采用对称加密。 非对称加密只用来加密对称加密的密钥。
流程示意图：
通讯抓包示意图：
2. 握手阶段详细过程
握手阶段涉及4次通信。
4.1 客户端发出请求(Client Hello)
客户端数据主要包含：
- 支持的协议版本，如TLS 1.2版
- 一个客户端生成的随机数，稍后用于生成公钥
- 支持的加密方法 ，如RSA
- 支持的压缩方法。
客户端发送的信息中不包括服务器的域名。2006年，TLS协议加入了一个Service Name Indication扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。
支持的加密算法示例：
4.2 服务器回应(Server Hello)
服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，包含：
- 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.2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。
如果是双向认证，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。即金融机构服务器端只允许认证客户连入自己的网络，会向正式客户提供USB密钥，里面就包含了一张客户端证书。
下面是单向认证抓包示意，Server Hello分成两个包发送。
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。如果有以下问题：
- 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
- 或证书已经过期
这时就会向访问者显示一个警告，由用户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，向服务器发送以下信息：
- 一个随机数，用服务器公钥加密，称为pre-master key。
- 编码改变通知，表示随后的信息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，用来供服务器检验。
客户端与服务器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“。
使用三次随机数，防止有的主机生成的只是伪随机数。
4.4 服务器回应
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“，然后给客户端发送下面信息：
- 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，用来供客户端检验。
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