SSL简介SSL和TLS:SSL (Secure Sockets Layer)安全套接层。是由Netscape公司于1990年开发,用于保障Word Wide Web(WWW)通讯的安全。主要任务是提供私密性,信息完整性和身份认证。1994年改版为SSLv2,1995年改版为SSLv3. TLS(Transport Layer Security)安全传输层协议,)用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。该标准协议是由IETF于1999年颁布,整体来说TLS非常类似SSLv3,只是对SSLv3做了些增加和修改。 SSL协议介绍:SSL是一个不依赖于平台和运用程序的协议,位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间,为数据通信提高安全支持。 SSL加密知名协议:HTTP over SSL: 简写https,加密网页浏览是设计SSL的初衷,HTTP也是第一个使用SSL保障安全的应用层协议。 当Netscape在它的Navigator里面运用HTTP over SSL的时候,使用https://来标识HTTP over SSL,因此我常见的https的全称就是HTTP over SSL。后来HTTPS在RFC2818被标准化。HTTPS工作在443端口,而HTTP默认工作在80端口。 Email over SSL: 类似于HTTP over SSL,邮件协议例如:
SSL原理详解SSL协议结构:SSL的体系结构中包含两个协议子层,其中底层是SSL记录协议层(SSL Record Protocol Layer);高层是SSL握手协议层(SSL HandShake Protocol Layer)。 SSL协议主要分为两层:
其中最重要的是记录协议和握手协议:
SSL建立阶段与IPSec 类比的话:可以分为两个大阶段: (1)SSL建立的第一阶段:Handshake phase(握手阶段):
(2)SSL建立第二阶段:Secure data transfer phase(安全的数据传输阶段):
SSL原理(SSL建立)握手协议总过程:在用SSL进行通信之前,首先要使用SSL的Handshake协议在通信两端握手,协商数据传输中要用到的相关安全参数(如加密算法、共享密钥、产生密钥所要的材料等),并对对端的身份进行验证。 SSL的建立过程总共有13个包,第一次建立至少需要9个包。 SSL建立第一阶段:客户端首先发送ClientHello消息到服务端,服务端收到ClientHello消息后,再发送ServerHello消息回应客户端。 ClientHello握手第一步是客户端向服务端发送 Client Hello 消息,这个消息里包含了一个客户端生成的随机数 Random1、客户端支持的加密套件(Support Ciphers)和 SSL Version 等信息。 ClientHello中涉及到的消息具体如下:
ServerHello收到客户端问候之后服务器必须发送服务器问候信息,服务器会检查指定诸如TLS版本和算法的客户端问候的条件,如果服务器接受并支持所有条件,它将发送其证书以及其他详细信息,否则,服务器将发送握手失败消息。 如果接受,第二步是服务端向客户端发送 Server Hello 消息,这个消息会从 Client Hello 传过来的 Support Ciphers 里确定一份加密套件,这个套件决定了后续加密和生成摘要时具体使用哪些算法,另外还会生成一份随机数 Random2。注意,至此客户端和服务端都拥有了两个随机数(Random1+ Random2),这两个随机数会在后续生成对称秘钥时用到。 ServerHello中涉及到的具体参数:
这个阶段之后,客户端服务端知道了下列内容:
SSL建立第二阶段:服务器向客户端发送消息。 服务器启动SSL握手第2阶段,是本阶段所有消息的唯一发送方,客户机是所有消息的唯一接收方。该阶段分为4步:
Certificate消息(可选)—第一次建立必须要有证书一般情况下,除了会话恢复时不需要发送该消息,在SSL握手的全流程中,都需要包含该消息。消息包含一个X.509证书,证书中包含公钥,发给客户端用来验证签名或在密钥交换的时候给消息加密。 这一步是服务端将自己的证书下发给客户端,让客户端验证自己的身份,客户端验证通过后取出证书中的公钥。 Server Key Exchange(可选)根据之前在ClientHello消息中包含的CipherSuite信息,决定了密钥交换方式(例如RSA或者DH),因此在Server Key Exchange消息中便会包含完成密钥交换所需的一系列参数。 因为这里是DH算法,所以需要发送服务器使用的DH参数。RSA算法不需要这一步。
Certificate Request(可选)------可以是单向的身份认证,也可以双向认证这一步是可选的,如果在对安全性要求高的常见可能用到。服务器用来验证客户端。服务器端发出Certificate Request消息,要求客户端发他自己的证书过来进行验证。该消息中包含服务器端支持的证书类型(RSA、DSA、ECDSA等)和服务器端所信任的所有证书发行机构的CA列表,客户端会用这些信息来筛选证书。 Server Hello Done该消息表示服务器已经将所有信息发送完毕,接下来等待客户端的消息。 SSL建立第三阶段:客户端收到服务器发送的一系列消息并解析后,将本端相应的消息发送给服务器。 客户机启动SSL握手第3阶段,是本阶段所有消息的唯一发送方,服务器是所有消息的唯一接收方。该阶段分为3步:
Certificate(可选)如果在第二阶段服务器端要求发送客户端证书,客户端便会在该阶段将自己的证书发送过去。服务器端在之前发送的Certificate Request消息中包含了服务器端所支持的证书类型和CA列表,因此客户端会在自己的证书中选择满足这两个条件的第一个证书发送过去。若客户端没有证书,则发送一个no_certificate警告。 Client Key exchange根据之前从服务器端收到的随机数,按照不同的密钥交换算法,算出一个pre-master,发送给服务器,服务器端收到pre-master算出main master。而客户端当然也能自己通过pre-master算出main master。如此以来双方就算出了对称密钥。 如果是RSA算法,会生成一个48字节的随机数,然后用server的公钥加密后再放入报文中。如果是DH算法,这是发送的就是客户端的DH参数,之后服务器和客户端根据DH算法,各自计算出相同的pre-master secret. 本消息在给服务器发送的过程中,使用了服务器的公钥加密。服务器用自己的私钥解密后才能得到pre-master key.(向服务器证明自己的确持有客户端证书私钥。) Certificate verify(可选)只有在客户端发送了自己证书到服务器端,这个消息才需要发送。其中包含一个签名,对从第一条消息以来的所有握手消息的HMAC值(用master_secret)进行签名。 SSL建立第四阶段:完成握手协议,建立SSL连接。 客户机启动SSL握手第4阶段,使服务器结束。该阶段分为4步,前2个消息来自客户机,后2个消息来自服务器。 建立起一个安全的连接,客户端发送一个Change Cipher Spec消息,并且把协商得到的CipherSuite拷贝到当前连接的状态之中。然后,客户端用新的算法、密钥参数发送一个Finished消息,这条消息可以检查密钥交换和认证过程是否已经成功。其中包括一个校验值,对客户端整个握手过程的消息进行校验。服务器同样发送Change Cipher Spec消息和Finished消息。握手过程完成,客户端和服务器可以交换应用层数据进行通信。 ChangeCipherSpec :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(ChangeCipherSpec是一个独立的协议,体现在数据包中就是一个字节的数据,用于告知服务端,客户端已经切换到之前协商好的加密套件(Cipher Suite)的状态,准备使用之前协商好的加密套件加密数据并传输了)。
Clinet Finished: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(使用HMAC算法计算收到和发送的所有握手消息的摘要,然后通过RFC5246中定义的一个伪函数PRF计算出结果,加密后发送。此数据是为了在正式传输应用数据之前对刚刚握手建立起来的加解密通道进行验证。) Server Finished:服务端握手结束通知。
根据之前的握手信息,如果客户端和服务端都能对Finish信息进行正常加解密且消息正确的被验证,则说明握手通道已经建立成功,接下来,双方可以使用上面产生的Session Secret对数据进行加密传输了。 消息验证代码(HMAC)和TLS数据完整性:当服务器或客户端使用主密钥加密数据时,它还会计算明文数据的校验和(哈希值),这个校验和称为消息验证代码(MAC)。然后在发送之前将MAC包含在加密数据中。密钥用于从数据中生成MAC,以确保传输过程中攻击者无法从数据中生成相同的MAC,故而MAC被称为HMAC(哈希消息认证码)。另一方面,在接收到消息时,解密器将MAC与明文分开,然后用它的密钥计算明文的校验和,并将其与接收到的MAC进行比较,如果匹配,那我们就可以得出结论:数据在传输过程中没有被篡改。 几个重要的secret key:PreMaster secretPreMaster Secret是在客户端使用RSA或者Diffie-Hellman等加密算法生成的。它将用来跟服务端和客户端在Hello阶段产生的随机数结合在一起生成 Master Secret。PreMaster secret前两个字节是TLS的版本号,这是一个比较重要的用来核对握手数据的版本号。服务端需要对密文中解密出来对的PreMaster版本号跟之前Client Hello阶段的版本号进行对比,如果版本号变低,则说明被串改,则立即停止发送任何消息。 Master secret由于最后通过交换,客户端和服务端都会有Pre-master和随机数,这个随机数将作为后面产生Master secret的种子,结合PreMaster secret,客户端和服务端将计算出同样的Master secret。 为了保证信息的完整性和机密性,SSL需要有六个加密密钥:四个密钥和两个IV。为了信息的可信性,客户端需要一个密钥(HMAC),为了加密要有一个密钥,为了分组加密要一个IV,服务器也是如此。SSL需要的密钥是单向的,不同于那些在其他方向的密钥。如果在一个方向上有攻击,这种攻击在其他方向是没影响的。生成过程如下:
根据要求,有4个密钥用于加密和验证每个消息的完整性,他们是:
SSL会话恢复:会话恢复是指只要客户端和服务器已经通信过一次,它们就可以通过会话恢复的方式来跳过整个握手阶段二直接进行数据传输。 SSL采用会话恢复的方式来减少SSL握手过程中造成的巨大开销。 为了加快建立握手的速度,减少协议带来的性能降低和资源消耗(具体分析在后文),TLS 协议有两类会话缓存机制:
会话恢复具体过程(Session ID机制):
会话恢复具体过程( session ticket):
SSL记录协议:SSL记录协议主要用来实现对数据块的分块、加密解密、压缩与解压缩、完整性检查及封装各种高层协议。 每个SSL记录主要包含以下信息:
应用数据传输:在所有的握手阶段都完成之后,就可以开始传送应用数据了。应用数据在传输之前,首先要附加上MAC secret,然后再对这个数据包使用write encryption key进行加密。在服务端收到密文之后,使用Client write encryption key进行解密,客户端收到服务端的数据之后使用Server write encryption key进行解密,然后使用各自的write MAC key对数据的完整性包括是否被串改进行验证。 HTTPS通信的过程:
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