TLS/SSL概述

目录

• TLS/SSL协议
  • 设计目的
  • 握手协议
  • TLS安全密码套件解读
  • 对称加密和非对称加密
    • 对称加密
      • AES加密算法详解
      • 对称加密分组模式
    • 非对称加密
  • 混合加密
  • 摘要算法
  • 数字签名
  • 数字证书和CA

TLS/SSL协议

TLS/SSL位于TCP层和应用层之间，具体如下图所示

设计目的

• 身份验证
• 保密性
• 完整性

握手协议

• 验证通讯双方的身份
• 交换加解密的安全套件
• 协商加密参数

TLS安全密码套件解读

SSL/TLS协议在协商时，会选择一组恰当的加密算法来实现安全通信，这些算法的组合被称为“密码套件”

密码套件的命名如上所示，格式很固定，基本的形式是：“密钥交换算法+签名算法+对称加密算法+摘要算法”
以上密码套件的意思如下：“握手时使用ECDHE算法进行密钥交换，用RSA签名和身份认证，握手后的通信使用AES对称算法，密钥长度128位，分组模式是GCM，摘要算法SHA256用于消息认证和产生随机数。”

对称加密和非对称加密

对称加密

使用同一把密钥对数据进行加解密

TLS 里有非常多的对称加密算法可供选择，比如 RC4、DES、3DES、AES、ChaCha20 等，但前三种算法都被认为是不安全的，通常都禁止使用，目前常用的只有 AES 和 ChaCha20。

ChaCha20 是 Google 设计的另一种加密算法，密钥长度固定为 256 位

AES加密算法详解

AES：高级加密标准，密钥长度可以是128、192 或 256。它是 DES 算法的替代者，安全强度很高，性能也很好，
常用填充算法：PKCS7
常用分组模式：GCM

AES的加密步骤：

1. 把明文按照 128bit(16 字节)拆分成若干个明文块，每个明文块是 4*4 矩阵
2. 按照选择的填充方式来填充最后一个明文块
3. 每一个明文块利用 AES 加密器和密钥，加密成密文块
4. 拼接所有的密文块，成为最终的密文结果

对称加密分组模式

对称算法还有一个“分组模式”的概念，它可以让算法用固定长度的密钥加密任意长度的明文，把小秘密（即密钥）转化为大秘密（即密文）。
最新的分组模式被称为 AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data），在加密的同时增加了认证的功能，常用的是 GCM、CCM 和 Poly1305。
比如，AES128-GCM，意思是密钥长度为 128 位的 AES 算法，使用的分组模式是 GCM

非对称加密

对称加密看上去好像完美地实现了机密性，但其中有一个很大的问题：如何把密钥安全地传递给对方，术语叫“密钥交换”。
非对称加密有两个密钥，一个叫“公钥”（public key），一个叫“私钥”（private key）。两个密钥是不同的，“不对称”，公钥可以公开给任何人使用，而私钥必须严格保密。

非对称加密算法的设计要比对称算法难得多，在 TLS 里只有很少的几种，比如 DH、DSA、RSA、ECC 等。

• RSA：它的安全性基于“整数分解”的数学难题，使用两个超大素数的乘积作为生成密钥的材料，想要从公钥推算出私钥是非常困难的。
• ECC：它基于“椭圆曲线离散对数”的数学难题，使用特定的曲线方程和基点生成公钥和私钥，子算法 ECDHE 用于密钥交换，ECDSA 用于数字签名。

混合加密

非对称加密算法因为基于复杂的数学难题，运算速度很慢，所以需要使用混合加密。

• 在通信刚开始的时候使用非对称算法，比如 RSA、ECDHE，首先解决密钥交换的问题。
• 然后用随机数产生对称算法使用的“会话密钥”（session key），再用公钥加密。因为会话密钥很短，通常只有 16 字节或 32 字节，所以慢一点也无所谓。
• 对方拿到密文后用私钥解密，取出会话密钥。这样，双方就实现了对称密钥的安全交换，后续就不再使用非对称加密，全都使用对称加密。

摘要算法

实现完整性的手段主要是摘要算法（Digest Algorithm），也就是常说的散列函数、哈希函数（Hash Function）。
摘要算法是对数据进行的唯一标识，对数据做任何一点修改都会造成摘要完全不同。
日常中常用的有MD5、SHA-1，目前TLS中推荐使用的是SHA-1的后继者：SHA-2
SHA-2实际上是一系列摘要算法的统称，总共有6种，常用的有SHA224、SHA256、SHA384，分别能够生成28字节、32字节、48字节的摘要。

通常摘要也可能被黑客修改，所以需要对数据和摘要都加密传输，在混合加密系统里用会话密钥加密消息和摘要，这有个术语，叫哈希消息认证码（HMAC）。

数字签名

当双方通信时无法确定对方身份，此时需要使用数字签名进行验证。操作步骤如下：

1. 使用自己的私钥加密原文的摘要，得到数字签名
2. 对方获得数字签名后，使用发布的公钥进行解密，如果能正常解密且数据正确，则验明对方身份

以上过程分别叫做“签名”和“验签”

数字证书和CA

上边可以通过使用公钥解密数据确定对方身份，但是对方如果发布的公钥是假的，是黑客发布的，怎么验证公钥的正确性呢，此时用到第三方的证书认证机构CA，由它来给各个公钥签名，用自身的信誉来保证公钥无法伪造，是可信的。
CA对公钥的签名认证也是有格式的，不是简单地把公钥绑定在持有者身份上就完事了，还要包含序列号、用途、颁发者、有效时间等等，把这些打成一个包再签名，完整地证明公钥关联的各种信息，形成“数字证书”（Certificate）。
签发的证书分类DV、OV、EV三种，区别在于可信程度，DV是最低的，只是域名级别的可信，背后是谁不知道。EV是最高的，经过了法律和审计的严格核查，可以证明网站拥有者的身份（在浏览器地址栏会显示出公司的名字，例如Apple、GitHub的网站）。

不过CA怎么证明自己呢？
有一条如下的信任链条，但最后由Root CA终结此链条，Root CA只能自己证明自己，这个就叫“自签名证书”（Self-Signed Certificate）或者“根证书”（Root Certificate）。你必须相信，否则整个证书信任链就走不下去了。

有了这个证书体系，操作系统和浏览器都内置了各大CA的根证书，上网的时候只要服务器发过来它的证书，就可以验证证书里的签名，顺着证书链（Certificate Chain）一层层地验证，直到找到根证书，就能够确定证书是可信的，从而里面的公钥也是可信的。