SSL工作原理
关键词：SSL，PKI，MAC
摘 要：SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，为基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。本文介绍了SSL的产生背景、安全机制、工作过程及典型组网应用。
缩略语：
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缩略语 |
英文全名 |
中文解释 |
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AES |
Advanced Encryption Standard |
高级加密标准 |
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CA |
Certificate Authority |
证书机构 |
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DES |
Data Encryption Standard |
数据加密标准 |
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HTTPS |
Hypertext Transfer Protocol Secure |
安全超文本传输协议 |
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MAC |
Message Authentication Code |
消息验证码 |
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MD5 |
Message Digest 5 |
消息摘要算法5 |
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PKI |
Public Key Infrastructure |
公钥基础设施 |
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RSA |
Rivest Shamir and Adleman |
非对称密钥算法的一种 |
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SHA |
Secure Hash Algorithm |
安全散列算法 |
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SSL |
Secure Sockets Layer |
安全套接层 |
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VPN |
Virtual Private Network |
虚拟专有网络 |
1 概述
1.1 产生背景
基于万维网的电子商务和网上银行等新兴应用，极大地方便了人们的日常生活，受到人们的青睐。由于这些应用都需要在网络上进行在线交易，它们对网络通 信的安全性提出了更高的要求。传统的万维网协议HTTP不具备安全机制——采用明文的形式传输数据、不能验证通信双方的身份、无法防止传输的数据被篡改 等，导致HTTP无法满足电子商务和网上银行等应用的安全性要求。
Netscape公司提出的安全协议SSL，利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，为网络上数据的传输提供安全性保证。SSL可以为HTTP提供安全连接，从而很大程度上改善了万维网的安全性问题。
1.2 技术优点
SSL具有如下优点：
l 提供较高的安全性保证。SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，保证网络上数据传输的安全性。
l 支持各种应用层协议。虽然SSL设计的初衷是为了解决万维网安全性问题，但是由于SSL位于应用层和传输层之间，它可以为任何基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。
l 部署简单。目前SSL已经成为网络中用来鉴别网站和网页浏览者身份，在浏览器使用者及Web服务器之间进行加密通信的全球化标准。SSL协议已被集成到大 部分的浏览器中，如IE、Netscape、Firefox等。这就意味着几乎任意一台装有浏览器的计算机都支持SSL连接，不需要安装额外的客户端软 件。
2 协议安全机制
SSL协议实现的安全机制包括：
l 数据传输的机密性：利用对称密钥算法对传输的数据进行加密。
l 身份验证机制：基于证书利用数字签名方法对服务器和客户端进行身份验证，其中客户端的身份验证是可选的。
l 消息完整性验证：消息传输过程中使用MAC算法来检验消息的完整性。
2.1 数据传输的机密性
网络上传输的数据很容易被非法用户窃取，SSL采用在通信双方之间建立加密通道的方法保证数据传输的机密性。
所谓加密通道，是指发送方在发送数据前，使用加密算法和加密密钥对数据进行加密，然后将数据发送给对方；接收方接收到数据后，利用解密算法和解密密钥从密文中获取明文。没有解密密钥的第三方，无法将密文恢复为明文，从而保证数据传输的机密性。
加解密算法分为两类：
l 对称密钥算法：数据加密和解密时使用相同的密钥。
l 非对称密钥算法：数据加密和解密时使用不同的密钥，一个是公开的公钥，一个是由用户秘密保存的私钥。利用公钥（或私钥）加密的数据只能用相应的私钥（或公钥）才能解密。
与非对称密钥算法相比，对称密钥算法具有计算速度快的优点，通常用于对大量信息进行加密（如对所有报文加密）；而非对称密钥算法，一般用于数字签名和对较少的信息进行加密。
SSL加密通道上的数据加解密使用对称密钥算法，目前主要支持的算法有DES、3DES、AES等，这些算法都可以有效地防止交互数据被窃听。
对称密钥算法要求解密密钥和加密密钥完全一致。因此，利用对称密钥算法加密传输数据之前，需要在通信两端部署相同的密钥。对称密钥的部署方法请参见“2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全”。
2.2 身份验证机制
电子商务和网上银行等应用中必须保证要登录的Web服务器是真实的，以免重要信息被非法窃取。SSL利用数字签名来验证通信对端的身份。
非对称密钥算法可以用来实现数字签名。由于通过私钥加密后的数据只能利用对应的公钥进行解密，因此根据解密是否成功，就可以判断发送者的身份，如同 发送者对数据进行了“签名”。例如，Alice使用自己的私钥对一段固定的信息加密后发给Bob，Bob利用Alice的公钥解密，如果解密结果与固定信 息相同，那么就能够确认信息的发送者为Alice，这个过程就称为数字签名。
SSL客户端必须验证SSL服务器的身份，SSL服务器是否验证SSL客户端的身份，则由SSL服务器决定。SSL客户端和SSL服务器的身份验证过程，请参见“3.2 SSL握手过程”。
使用数字签名验证身份时，需要确保被验证者的公钥是真实的，否则，非法用户可能会冒充被验证者与验证者通信。如图1所示，Cindy冒充Bob，将 自己的公钥发给Alice，并利用自己的私钥计算出签名发送给Alice，Alice利用“Bob”的公钥（实际上为Cindy的公钥）成功验证该签名， 则Alice认为Bob的身份验证成功，而实际上与Alice通信的是冒充Bob的Cindy。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性，详细介绍请 参见“2.5 利用PKI保证公钥的真实性”。
图1 伪造公钥
2.3 消息完整性验证
为了避免网络中传输的数据被非法篡改，SSL利用基于MD5或SHA的MAC算法来保证消息的完整性。
MAC算法是在密钥参与下的数据摘要算法，能将密钥和任意长度的数据转换为固定长度的数据。利用MAC算法验证消息完整性的过程如图2所示。发送者 在密钥的参与下，利用MAC算法计算出消息的MAC值，并将其加在消息之后发送给接收者。接收者利用同样的密钥和MAC算法计算出消息的MAC值，并与接 收到的MAC值比较。如果二者相同，则报文没有改变；否则，报文在传输过程中被修改，接收者将丢弃该报文。
MAC算法具有如下特征，使其能够用来验证消息的完整性：
l 消息的任何改变，都会引起输出的固定长度数据产生变化。通过比较MAC值，可以保证接收者能够发现消息的改变。
l MAC算法需要密钥的参与，因此没有密钥的非法用户在改变消息的内容后，无法添加正确的MAC值，从而保证非法用户无法随意修改消息内容。
MAC算法要求通信双方具有相同的密钥，否则MAC值验证将会失败。因此，利用MAC算法验证消息完整性之前，需要在通信两端部署相同的密钥。MAC密钥的部署方法请参见“2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全”。
2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全
对称密钥算法和MAC算法要求通信双方具有相同的密钥，否则解密或MAC值验证将失败。因此，要建立加密通道或验证消息完整性，必须先在通信双方部署一致的密钥。
SSL利用非对称密钥算法加密密钥的方法实现密钥交换，保证第三方无法获取该密钥。如图3所示，SSL客户端（如Web浏览器）利用SSL服务器 （如Web服务器）的公钥加密密钥，将加密后的密钥发送给SSL服务器，只有拥有对应私钥的SSL服务器才能从密文中获取原始的密钥。SSL通常采用 RSA算法加密传输密钥。
l 实际上，SSL客户端发送给SSL服务器的密钥不能直接用来加密数据或计算MAC值，该密钥是用来计算对称密钥和MAC密钥的信息，称为 premaster secret。SSL客户端和SSL服务器利用premaster secret计算出相同的主密钥（master secret），再利用master secret生成用于对称密钥算法、MAC算法等的密钥。premaster secret是计算对称密钥、MAC算法密钥的关键。
l 用来实现密钥交换的算法称为密钥交换算法。非对称密钥算法RSA用于密钥交换时，也可以称之为密钥交换算法。
利用非对称密钥算法加密密钥之前，发送者需要获取接收者的公钥，并保证该公钥确实属于接收者，否则，密钥可能会被非法用户窃取。如图1所 示，Cindy冒充Bob，将自己的公钥发给Alice，Alice利用Cindy的公钥加密发送给Bob的数据，Bob由于没有对应的私钥无法解密该数 据，而Cindy截取数据后，可以利用自己的私钥解密该数据。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性，详细介绍请参见“2.5 利用PKI保证公钥的真实性”。
2.5 利用PKI保证公钥的真实性
PKI通过数字证书来发布用户的公钥，并提供了验证公钥真实性的机制。数字证书（简称证书）是一个包含用户的公钥及其身份信息的文件，证明了用户与公钥的关联。数字证书由权威机构——CA签发，并由CA保证数字证书的真实性。
SSL客户端把密钥加密传递给SSL服务器之前，SSL服务器需要将从CA获取的证书发送给SSL客户端，SSL客户端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器，则利用该证书中的公钥加密密钥，发送给SSL服务器。
验证SSL服务器/SSL客户端的身份之前，SSL服务器/SSL客户端需要将从CA获取的证书发送给对端，对端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器/SSL客户端，则对端利用该证书中的公钥验证SSL服务器/SSL客户端的身份。
3 协议工作过程
3.1 SSL的分层结构
如图4所示，SSL位于应用层和传输层之间，它可以为任何基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。SSL协议本身分为两层：
l 上层为SSL握手协议（SSL handshake protocol）、SSL密码变化协议（SSL change cipher spec protocol）和SSL警告协议（SSL alert protocol）；
l 底层为SSL记录协议（SSL record protocol）。
其中：
l SSL握手协议：是SSL协议非常重要的组成部分，用来协商通信过程中使用的加密套件（加密算法、密钥交换算法和MAC算法等）、在服务器和客户端之间安全地交换密钥、实现服务器和客户端的身份验证。
l SSL密码变化协议：客户端和服务器端通过密码变化协议通知对端，随后的报文都将使用新协商的加密套件和密钥进行保护和传输。
l SSL警告协议：用来向通信对端报告告警信息，消息中包含告警的严重级别和描述。
l SSL记录协议：主要负责对上层的数据（SSL握手协议、SSL密码变化协议、SSL警告协议和应用层协议报文）进行分块、计算并添加MAC值、加密，并把处理后的记录块传输给对端。
3.2 SSL握手过程
SSL通过握手过程在客户端和服务器之间协商会话参数，并建立会话。会话包含的主要参数有会话ID、对方的证书、加密套件（密钥交换算法、数据加密 算法和MAC算法等）以及主密钥（master secret）。通过SSL会话传输的数据，都将采用该会话的主密钥和加密套件进行加密、计算MAC等处理。
不同情况下，SSL握手过程存在差异。下面将分别描述以下三种情况下的握手过程：
l 只验证服务器的SSL握手过程
l 验证服务器和客户端的SSL握手过程
l 恢复原有会话的SSL握手过程
3.2.1 只验证服务器的SSL握手过程
如图5所示，只需要验证SSL服务器身份，不需要验证SSL客户端身份时，SSL的握手过程为：
(1) SSL客户端通过Client Hello消息将它支持的SSL版本、加密算法、密钥交换算法、MAC算法等信息发送给SSL服务器。
(2) SSL服务器确定本次通信采用的SSL版本和加密套件，并通过Server Hello消息通知给SSL客户端。如果SSL服务器允许SSL客户端在以后的通信中重用本次会话，则SSL服务器会为本次会话分配会话ID，并通过 Server Hello消息发送给SSL客户端。
(3) SSL服务器将携带自己公钥信息的数字证书通过Certificate消息发送给SSL客户端。
(4) SSL服务器发送Server Hello Done消息，通知SSL客户端版本和加密套件协商结束，开始进行密钥交换。
(5) SSL客户端验证SSL服务器的证书合法后，利用证书中的公钥加密SSL客户端随机生成的premaster secret，并通过Client Key Exchange消息发送给SSL服务器。
(6) SSL客户端发送Change Cipher Spec消息，通知SSL服务器后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(7) SSL客户端计算已交互的握手消息（除Change Cipher Spec消息外所有已交互的消息）的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息 发送给SSL服务器。SSL服务器利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值 验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。
(8) 同样地，SSL服务器发送Change Cipher Spec消息，通知SSL客户端后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(9) SSL服务器计算已交互的握手消息的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息 发送给SSL客户端。SSL客户端利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值 验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。
SSL客户端接收到SSL服务器发送的Finished消息后，如果解密成功，则可以判断SSL服务器是数字证书的拥有者，即SSL服务器身份验证 成功，因为只有拥有私钥的SSL服务器才能从Client Key Exchange消息中解密得到premaster secret，从而间接地实现了SSL客户端对SSL服务器的身份验证。
& 说明：
l Change Cipher Spec消息属于SSL密码变化协议，其他握手过程交互的消息均属于SSL握手协议，统称为SSL握手消息。
l 计算Hash值，指的是利用Hash算法（MD5或SHA）将任意长度的数据转换为固定长度的数据。
3.2.2 验证服务器和客户端的SSL握手过程
SSL客户端的身份验证是可选的，由SSL服务器决定是否验证SSL客户端的身份。如图6中蓝色部分标识的内容所示，如果SSL服务器验证SSL客 户端身份，则SSL服务器和SSL客户端除了交互“3.2.1 只验证服务器的SSL握手过程”中的消息协商密钥和加密套件外，还需要进行以下操作：
(1) SSL服务器发送Certificate Request消息，请求SSL客户端将其证书发送给SSL服务器。
(2) SSL客户端通过Certificate消息将携带自己公钥的证书发送给SSL服务器。SSL服务器验证该证书的合法性。
(3) SSL客户端计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值，利用自己的私钥对其进行加密，并通过Certificate Verify消息发送给SSL服务器。
(4) SSL服务器计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值，利用SSL客户端证书中的公钥解密Certificate Verify消息，并将解密结果与计算出的Hash值比较。如果二者相同，则SSL客户端身份验证成功。
3.2.3 恢复原有会话的SSL握手过程
图7 恢复原有会话的SSL握手过程
协商会话参数、建立会话的过程中，需要使用非对称密钥算法来加密密钥、验证通信对端的身份，计算量较大，占用了大量的系统资源。为了简化SSL握手过程，SSL允许重用已经协商过的会话，具体过程为：
(1) SSL客户端发送Client Hello消息，消息中的会话ID设置为计划重用的会话的ID。
(2) SSL服务器如果允许重用该会话，则通过在Server Hello消息中设置相同的会话ID来应答。这样，SSL客户端和SSL服务器就可以利用原有会话的密钥和加密套件，不必重新协商。
(3) SSL客户端发送Change Cipher Spec消息，通知SSL服务器后续报文将采用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(4) SSL客户端计算已交互的握手消息的Hash值，利用原有会话的密钥和加密套件处理Hash值，并通过Finished消息发送给SSL服务器，以便SSL服务器判断密钥和加密套件是否正确。
(5) 同样地，SSL服务器发送Change Cipher Spec消息，通知SSL客户端后续报文将采用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(6) SSL服务器计算已交互的握手消息的Hash值，利用原有会话的密钥和加密套件处理Hash值，并通过Finished消息发送给SSL客户端，以便SSL客户端判断密钥和加密套件是否正确。
4 典型组网应用
4.1 HTTPS
HTTPS是基于SSL安全连接的HTTP协议。HTTPS通过SSL提供的数据加密、身份验证和消息完整性验证等安全机制，为Web访问提供了安全性保证，广泛应用于网上银行、电子商务等领域。
图8为HTTPS在网上银行中的应用。某银行为了方便客户，提供了网上银行业务，客户可以通过访问银行的Web服务器进行帐户查询、转帐等。通过在客户和银行的Web服务器之间建立SSL连接，可以保证客户的信息不被非法窃取。
4.2 SSL VPN
SSL VPN是以SSL为基础的VPN技术，利用SSL提供的安全机制，为用户远程访问公司内部网络提供了安全保证。如图9所示，SSL VPN通过在远程接入用户和SSL VPN网关之间建立SSL安全连接，允许用户通过各种Web浏览器，各种网络接入方式，在任何地方远程访问企业网络资源，并能够保证企业网络的安全，保护 企业内部信息不被窃取。
