TSL初步了解

tsl初步了解

1.概述

tsl(transport layer security)安全传输层协议

安全传输层协议(tls)用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。

tsl由两层组成：tls 记录协议(tls record)和 tls 握手协议(tls handshake)。

由于在tcp、udp等方式传输数据时，数据包有可能被其他人截获，并解析出信息，这就给信息安全带来了很大的挑战。

最初的ssl协议被网景公司提出，它不会影响上层协议(如http、电子邮件等)，但可以保证上层协议的通信安全。如果正确的使用ssl，第三方只能推断连接的两端地址、类型，以及数据频率和发送的大概数据量，但无法读取或修改任何实际数据。ietf后来在标准化ssl协议时，将其改为了tls。很多人会混用ssl与tls，但严格来说它们指代的协议版本不同(ssl3.0的升级版才是tls1.0)。本文重在讲述tls的概念和原理及其网络优化。

2.加密、身份验证与完整性

tls协议的目标是为信息传输提供三个基本的保证：加密、身份验证和数据完整性。这三种服务并不是必须的，可以根据具体的应用场景进行选择。

加密：混淆数据的机制。

身份验证：验证身份标识有效性的机制。

完整性：检测消息是否被篡改或伪造的机制。

3.tsl基本的运行过程

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。

(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)。

4.tsl握手

在这里插入图片描述

"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)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。

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。

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。

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"。

至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥"，dog250解释得很好：

“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*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。

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。

在这里插入图片描述

客户端与服务器在通过tls交换数据之前，必须协商建立加密信道。协商内容包括：tls版本、加密套件，必要时还要验证证书。其每次协商，都需要在客户端和服务端往返，大致过程如下：

在这里插入图片描述

0 ms：tls运行在tcp基础之上，这意味着我们必须首先完成tcp 三次握手“ ，这需要一个完整的来回交互(rtt)。

56 ms：tcp连接建立后，客户端发送一些协商信息，如tls协议版本，支持的密码套件的列表，和其他tls选项。

84 ms：服务器挑选tls协议版本，在加密套件列表中挑选一个密码套件，附带自己的证书，并将响应返回给客户端。可选的，服务器也可以发送对客户端的证书认证请求和其他tls扩展参数。

112 ms：假设双方协商好一个共同的tls版本和加密算法，客户端使用服务器提供的证书，生成新的对称密钥，并用服务器的公钥进行加密，并告诉服务器切换到加密通信流程。到现在为止，所有被交换的数据都是以明文方式传输，除了对称密钥外，它采用的是服务器端的公钥加密。

140 ms：服务器用自己的私钥解密客户端发过来的对称密钥，并通过验证mac检查消息的完整性，并返回给客户端一个加密的“finished”的消息。

168 ms：客户端采用对称密钥解密消息，并验证mac，如果一切ok，加密隧道就建立好了。应用程序数据就可以发送了。