HTTPS连接建立过程(单向&双向)

HTTPS连接建立过程(单向&双向)

什么是https

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接字协议),及其继任者传输层安全（Transport Layer Security，TLS）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层(如TCP)与应用层（如HTTP）之间对网络连接进行加密。
HTTPS （全称：Hyper Text Transfer Protocol over SecureSocket Layer），是以安全为目标的 HTTP 通道，在HTTP的基础上通过传输加密和身份认证保证了传输过程的安全性 。HTTPS 在HTTP 的基础下加入SSL 层

• https的基础是TLS，tls的基本原理是非对称加密，即加密的密钥和解密的密钥是不用的，称为公钥和私钥，使用公钥加密的内容只能使用私钥解密，反之亦然，使用私钥并不能解密私钥加密的内容
• https连接建立过程分为两部分
  • 身份验证部分(验证通信双方各自的身份)
  • 密钥协商部分(协商出一个双方都认可的对称密钥)
• https的重点如下
  1. 客户端及服务器的有效性及真实性，确保没有第三方监听，通过CA机构及非对称加密保证
  2. tls握手及密钥协商过程使用非对称加密，加强身份验证及防监听
  3. 由于非对称加密的性能极差，所以仅在握手阶段使用非对称加密
  4. 后续消息通过协商的密钥进行加密，防篡改和防监听

TCP连接建立流程

HTTPS单向认证

什么是HTTPS单向认证

• https单向认证至客户端连接到某个域名或IP时，客户端需要验证服务器的身份，
  服务器的身份一般通过证书的方式进行验证，服务器的证书一般都会在权威的CA机构进行签名，客户端收到服务器证书后，
  会获取服务器证书对应的ca机构的证书，并用CA证书进行解密

身份认证过程

• 一般使用非对称加密算法做身份认证
• RSA
• DSA
• ECDSA

密钥协商过程

• 有多种算法
• RSA 通过非对称加密保证安全性
• DH类算法 通过 "求解离散对数问题" 保证安全性 只能防监听，不能防篡改，所以一般会结合非对称加密算法(RSA,DSA,ECDSA)等做加密
• ECDH类算法 通过 "椭圆曲线离散对数问题" 保证安全性 同上
• DHE DH算法增强 E->ephemeral 指“临时密钥”（洋文是“ephemeral key”）即每个会话都选择新的密钥
• ECDHE ECDH算法增强 同上
• PSK 预共享密钥(一般用于内部部署,预置密钥在系统内部)
• SRP Secure Remote Password,与psk类似，密钥换成了密码，还会有一些类似于加盐，随机数之类的机制

连接流程

• ECDHE-RSA的连接及认证过程

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身份认证

1. Client Hello 发送客户端支持的加密协议 及TLS版本 客户端随机数
   

   • sessionId和sessionTicket均可用于https会话恢复，区别在与sessionId对应的协商信息保存在服务器中，sessionTicket对应的协商信息保存在客户端中
   • 客户端extension中携带session ticket信息表示客户端支持session ticket
   • 关于扩展字段 pre_shared_key 和psk_key_exchange_modes，可以参考http://ddrv.cn/a/17072
   • 本例中客户端不传递pre_shared_key指明客户端不使用PSK(预共享密钥模式，一般用在个人网络里面)

2. Sever Hello 发送服务器选择的加密协议及选择的TLS版本，服务器随机数

   • 本例中使用的是ECDHE-RSA算法
     

3. Certificate 服务器发送自己的证书
   

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密钥协商

4. Server Key Exchange 服务器发送协商对称密钥过程中的必要参数

   • DH类算法因为没有使用私钥进行计算，所以在末尾会使用私钥对报文本身进行签名，证明自己拥有私钥
     

5. Server Hello Done

   • 指示 Server Hello完成

6. Client Key Exchange 客户端发送协商密钥过程中的必要参数(使用服务端证书中的公钥加密)

   • 客户端收到服务器发送的必要参数，并使用自己的必要参数，计算出一个对称密钥
   • 客户端必要参数发送给服务端后，服务端也能通过这些参数以及第5部中的参数计算出一样的对称密钥
     

7. Client change Cipher Spec

   • 更改数据传输密钥通知，表示后续的请求都会使用协商好的对称密钥进行加密

8. Encrypted Handshake Message

   • 使用对称密钥加密过后的握手消息，用来验证对称密钥是否工作

9. New Session Ticket

   • 由于之前Client Hello及Server Hello都指明了可以使用Session Ticket，所以服务器下发了一个新的Session Ticket，下次客户端需要恢复回话时，可以省去协商密钥的过程

10. Server change Cipher Spec

    • 更改数据传输密钥通知，表示后续的请求都会使用协商好的对称密钥进行加密

11. Encrypted Handshake Message

    • 使用对称密钥加密过后的握手消息，用来验证对称密钥是否工作

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HTTPS双向认证

https双向认证指除了客户端需要验证服务器之外，服务器也需要验证客户端

连接流程

• 步骤详解
  • 双向认证过程中的大部分步骤是相同的，只是多了服务器请求客户端证书以及客户端发送证书及签名的过程
  • 这里仅解释不同的部分

1. Server Certificate Request
   • 服务器请求客户端证书用于验证客户端身份

2. Client Certificate
   • 客户端发送自己的证书或证书链

3. Client Certificate Verify
   • 与server key exchange一样，为了证明自己的身份，客户端需要使用私钥对之前的握手信息加密
   • 服务器使用客户端证书公钥解密，如果一致的话才会通过验证

nginx中的配置

ssl_certificate      /etc/nginx/cert2/server.crt; #服务器证书位置
ssl_certificate_key  /etc/nginx/cert2/server.private;#服务器证书私钥文件位置
ssl_client_certificate /etc/nginx/cert2/ca.crt;#用于客户端证书校验的证书文件位置，意为客户端证书必须由此证书对应的ca机构签发
ssl_verify_client on;#是否开启客户端校验
ssl_verify_depth 2;#客户端校验深度，如果为1的话，代表客户端证书必须由顶级ca签发

附录

算法组合	密钥交换	身份认证	是否会遭遇中间人攻击	是否具备前向保密	SSL 2.0	SSL 3.0	TLS 1.0	TLS 1.1	TLS 1.2	TLS 1.3（草案）
RSA	RSA	RSA	否	否	是	是	是	是	是	否
DH-RSA	DH	RSA	否	否	否	是	是	是	是	否
DH-DSA	DH	DSA	否	否	否	是	是	是	是	否
DHE-RSA	DHE	RSA	否	是	否	是	是	是	是	是
DHE-DSA	DHE	DSA	否	是	否	是	是	是	是	是
ECDH-RSA	ECDH	RSA	否	否	否	否	是	是	是	否
ECDH-ECDSA	ECDH	ECDSA	否	否	否	否	是	是	是	否
ECDHE-RSA	DHE	RSA	否	是	否	否	是	是	是	是
ECDHE-ECDSA	DHE	ECDSA	否	是	否	否	是	是	是	是
PSK	PSK	PSK	否	否	否	否	是	是	是	？
PSK-RSA	PSK	RSA	否	否	否	否	是	是	是	？
DHE-PSK	DHE	PSK	否	是	否	否	是	是	是	？
ECDHE-PSK	DHE	PSK	否	是	否	否	是	是	是	？
SRP	SRP	SRP	否	否	否	否	是	是	是	？
SRP-RSA	SRP	RSA	否	否	否	否	是	是	是	？
SRP-DSA	SRP	DSA	否	否	否	否	是	是	是	？
DH-ANON	DH	无	是	否	否	是	是	是	是	否
ECDH-ANON	ECDH	无	是	否	否	否	是	是	是	否

参考资料

• https://www.cnblogs.com/814467783sweet/p/9647197.html