32.密码学知识-SSL/TLS-9——2019年12月19日

9. SSL/TLS

"SSL/TLS --- 为了更安全的通信"

本章中我们将学习SSL/TLS的相关知识。

SSL/TLS是世界上应用最广泛的密码通信方法。比如说，当在网上商城中输人信用卡号时，我们的Web浏览器就会使用SSL/TLS进行密码通信。使用SSL/TLS可以对通信对象进行认证，还可以确保通信内容的机密性。

SSL/TLS中综合运用了之前所学习的对称密码、消息认证码、公钥密码、数字签名、伪随机数生成器等密码技术，大家可以在阅读本章内容的同时对这些技术进行复习。严格来说，SSL（Secure Socket Layer)与TLS（Transport Layer Security）是不同的，TLS相当于是SSL的后续版本。不过，本章中所介绍的内容，大多是SSL和TLS两者兼备的，因此除具体介绍通信协议的部分以外，都统一写作SSL/TLS。

9.1 客户端与服务器

Bob书店是Alice经常光顾的一家网店，因为在Bob书店她可以搜索到新出版的图书，还可以通过信用卡快速完成支付，购买的书还能快递到家，真的很方便。

有一天，Alice 读了一本关于网络信息安全的书，书上说“互联网上传输的数据都是可以被窃听的"。Alice感到非常担心，自己在购买新书的时候输人的信用卡号会不会被窃听呢？

Alice看到Bob书店的网站下面写着一行字：“在以https://开头的网页中输人的信息将通过SSL/TLS发送以确保安全"。

的确，输人信用卡号的网页的URL是以 https:// 开头的，而不是一般的 http://。此外．在浏览这个网页时，Alice的web浏览器上还会显示一个小锁头的图标，看上去好像挺安全的。

但Alice心想，就算写着“通过SSL/TLS发送”我也不放心啊，到底在我的Web浏览器和Bob书店的网站之间都发生了哪些事呢？

本章将要介绍的技术一一SSL/TLS就可以解答Alice的疑问。当进行SSL/TLS通信时，Web浏览器上就会显示一个小锁头的图标。

**Alice的Web浏览器（客户端）和Bob书店的网站（服务器）进行HTTP通信**

Alice和Bob书店之间的通信，实际上是Alice所使用的Web浏览器和Bob书店的Web服务器之间的通信。Web浏览器是Alice的计算机上运行的一个程序，而web服务器则是在Bob书店的计算机上运行的一个程序，它们都遵循一种叫作HTTP（Hyper Text Transfer Protocol, 超文本传输协议）的协议（protocol)来进行通信。其中，Web浏览器称为HTTP客户端，Web服务器称为HTTP服务器。

当Alice点击网页上的链接或者输人URL时，Web浏览器就会通过网络向Web服务器发送一个 “我要浏览这个网页“，的请求（request）。

Web服务器则将请求的网页内容发送给Web浏览器，以便对请求作出响应（response）。服务器和客户端之间所进行的处理就是请求和响应的往复。HTTP可以认为是在HTTP客户端与HTTP服务器之间进行请求和响应的规范。

Alice向Bob书店发送信用卡号也是使用HTTP来完成的（下图）。Alice输人信用卡号之后按下提交按钮，这时客户端（Web浏览器）就会将信用卡号作为HTTP请求发送给服务器。服务器则会将“生成订单"的网页作为HTTP响应返回给客户端。

不过，如果直接发送请求的话，信用卡号就很可能被窃听。下一节我们将探讨针对这种风险的对策。

**不使用SSL/TLS发送信用卡号的情形**

9.2 用SSL/TLS承载HTTP

什么是SSL,什么是TLS呢？官话说SSL是安全套接层(secure sockets layer)，TLS是SSL的继任者，叫传输层安全(transport layer security)。说白点，就是在明文的上层和TCP层之间加上一层加密，这样就保证上层信息传输的安全。如HTTP协议是明文传输，加上SSL层之后，就有了雅称HTTPS。它存在的唯一目的就是保证上层通讯安全的一套机制。

当Web浏览器发送信用卡号时，信用卡号的数据会作为客户端请求发送给服务器。如果通信内容被窃听者Eve所窃取，Eve就会得到信用卡号。

于是，我们可以用SSL（Secure Socket Layer）或者TLS（Transport Layer Security）作为对通信进行加密的协议，然后在此之上承載HTTP（下图）。通过将两种协议进行叠加，我们就可以对HTTP的通信（请求和响应）进行加密，从而防止窃听。通过SSL/TLS进行通信时，URL不是以http://开头，而是以https://开头。

以上就是SSL/TLS的简单介绍。

在大致了解了SSL/TLS之后，我们来整理一下SSL/TLS到底负责哪些工作。我们想要实现的是，通过本地的浏览器访问网络上的web服务器，并进行安全的通信。用上边的例子来说就是，Alice希望通过web浏览器向Bob书店发送信用卡号。在这里，我们有几个必须要解决的问题。

1. Alice的信用卡号和地址在发送到Bob书店的过程中不能被窃听。
2. Alice的信用卡号和地址在发送到Bob书店的过程中不能被篡改。
3. 确认通信对方的Web服务器是真正的Bob书店。

在这里，（1）是机密性的问题；（2）是完整性的问题；而（3）则是认证的问题。

要确保机密性，可以使用对称加密。由于对称加密算法的密钥不能被攻击者预测，因此我们使用伪随机数生成器来生成密钥。若要将对称加密的密钥发送给通信对象，可以使用非对称加密算法完成密钥交换。要识别篡改，对数据进行认证，可以使用消息认证码。消息认证码是使用单向散列函数来实现的。

要对通信对象进行认证，可以使用对公钥加上数字签名所生成的证书。

好，工具已经找齐了，下面只要用一个“框架”（framework）将这些工具组合起来就可以了。SSL/TIS协议其实就扮演了这样一种框架的角色。

SSL/TLS也可以保护其他的协议

刚才我们提到用SSL/TLS承载HTTP通信，这是因为HTTP是一种很常用的协议。其实SSL/TLS上面不仅可以承载HTTP，还可以承载其他很多协议。例如，发送邮件时使用的SMTP（Simple Mail Transfer Protocol, 简单邮件传输协议）和接收邮件时使用的POP3（Post Office Protocol，邮局协议）都可以用SSL/TLS进行承载。在这样的情况下，SSL/TLS就可以对收发的邮件进行保护。

用SSL/TLS承载HTTP、SMTP和POP3的结构如下图所示。一般的电子邮件软件都可以完成发送和接收邮件这两种操作，其实是同时扮演了SMTP客户端和POP3客户端这两种角色。

9.3 https

9.3.1 http和https

HTTP协议：是互联网上应用最为广泛的一种网络协议，是一个客户端和服务器端请求和应答的标准（TCP），用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议，它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。

HTTPS：是以安全为目标的HTTP通道，简单讲是HTTP的安全版，即HTTP下加入SSL/TLS层，HTTPS的安全基础是SSL/TLS，因此加密的详细内容就需要SSL/TLS。

HTTPS协议的主要作用可以分为两种：

• 建立一个信息安全通道，来保证数据传输的安全；
• 确认网站的真实性。

HTTPS和HTTP的区别主要如下：

　　1、https协议需要到ca申请证书，一般免费证书较少，因而需要一定费用。

　　2、http是超文本传输协议，信息是明文传输，https则是具有安全性的ssl/tls加密传输协议。

　　3、http和https使用的是完全不同的连接方式，用的端口也不一样，前者是80，后者是443。

　　4、http的连接很简单，是无状态的；HTTPS协议是由SSL/TLS+HTTP协议构建的可进行加密传输、

身份认证的网络协议，比http协议安全。

9.3.2 https优缺点

• https的优点

  尽管HTTPS并非绝对安全，掌握根证书的机构、掌握加密算法的组织同样可以进行中间人形式的攻击，但HTTPS仍是现行架构下最安全的解决方案，主要有以下几个好处：

  1. 使用HTTPS协议可认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户机和服务器；
  2. HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，要比http协议安全，可防止数据在传输过程中不被窃取、改变，确保数据的完整性。
  3. HTTPS是现行架构下最安全的解决方案，虽然不是绝对安全，但它大幅增加了中间人攻击的成本。
  4. 谷歌曾在2014年8月份调整搜索引擎算法，并称 “比起同等HTTP网站，采用HTTPS加密的网站在搜索结果中的排名将会更高”。

• https的缺点

  虽然说HTTPS有很大的优势，但其相对来说，还是存在不足之处的：

  1. HTTPS协议握手阶段比较费时，会使页面的加载时间延长近50%，增加10%到20%的耗电；
  2. HTTPS连接缓存不如HTTP高效，会增加数据开销和功耗，甚至已有的安全措施也会因此而受到影响；
  3. SSL/TLS证书需要钱，功能越强大的证书费用越高，个人网站、小网站没有必要一般不会用。
  4. SSL/TLS证书通常需要绑定IP，不能在同一IP上绑定多个域名，IPv4资源不可能支撑这个消耗。
  5. HTTPS协议的加密范围也比较有限，在黑客攻击、拒绝服务攻击、服务器劫持等方面几乎起不到什么作用。最关键的，SSL证书的信用链体系并不安全，特别是在某些国家可以控制CA根证书的情况下，中间人攻击一样可行。

参考资料

PKCS15个标准

PKCS 全称是 Public-Key Cryptography Standards ，是由 RSA 实验室与其它安全系统开发商为促进公钥密码的发展而制订的一系列标准。

可以到官网上看看 What is PKCS

http://www.rsa.com/rsalabs/node.asp?id=2308

PKCS 目前共发布过 15 个标准：

1. PKCS#1：RSA加密标准。PKCS#1定义了RSA公钥函数的基本格式标准，特别是数字签名。它定义了数字签名如何计算，包括待签名数据和签名本身的格式；它也定义了PSA公/私钥的语法。
2. PKCS#2：涉及了RSA的消息摘要加密，这已被并入PKCS#1中。
3. PKCS#3：Diffie-Hellman密钥协议标准。PKCS#3描述了一种实现Diffie- Hellman密钥协议的方法。
4. PKCS#4：最初是规定RSA密钥语法的，现已经被包含进PKCS#1中。
5. PKCS#5：基于口令的加密标准。PKCS#5描述了使用由口令生成的密钥来加密8位位组串并产生一个加密的8位位组串的方法。PKCS#5可以用于加密私钥，以便于密钥的安全传输（这在PKCS#8中描述）。
6. PKCS#6：扩展证书语法标准。PKCS#6定义了提供附加实体信息的X.509证书属性扩展的语法（当PKCS#6第一次发布时，X.509还不支持扩展。这些扩展因此被包括在X.509中）。
7. PKCS#7：密码消息语法标准。PKCS#7为使用密码算法的数据规定了通用语法，比如数字签名和数字信封。PKCS#7提供了许多格式选项，包括未加密或签名的格式化消息、已封装（加密）消息、已签名消息和既经过签名又经过加密的消息。
8. PKCS#8：私钥信息语法标准。PKCS#8定义了私钥信息语法和加密私钥语法，其中私钥加密使用了PKCS#5标准。
9. PKCS#9：可选属性类型。PKCS#9定义了PKCS#6扩展证书、PKCS#7数字签名消息、PKCS#8私钥信息和PKCS#10证书签名请求中要用到的可选属性类型。已定义的证书属性包括E-mail地址、无格式姓名、内容类型、消息摘要、签名时间、签名副本（counter signature）、质询口令字和扩展证书属性。
10. PKCS#10：证书请求语法标准。PKCS#10定义了证书请求的语法。证书请求包含了一个唯一识别名、公钥和可选的一组属性，它们一起被请求证书的实体签名（证书管理协议中的PKIX证书请求消息就是一个PKCS#10）。
11. PKCS#11：密码令牌接口标准。PKCS#11或“Cryptoki”为拥有密码信息（如加密密钥和证书）和执行密码学函数的单用户设备定义了一个应用程序接口（API）。智能卡就是实现Cryptoki的典型设备。注意：Cryptoki定义了密码函数接口，但并未指明设备具体如何实现这些函数。而且Cryptoki只说明了密码接口，并未定义对设备来说可能有用的其他接口，如访问设备的文件系统接口。
12. PKCS#12：个人信息交换语法标准。PKCS#12定义了个人身份信息（包括私钥、证书、各种秘密和扩展字段）的格式。PKCS#12有助于传输证书及对应的私钥，于是用户可以在不同设备间移动他们的个人身份信息。
13. PDCS#13：椭圆曲线密码标准。PKCS#13标准当前正在完善之中。它包括椭圆曲线参数的生成和验证、密钥生成和验证、数字签名和公钥加密，还有密钥协定，以及参数、密钥和方案标识的ASN.1语法。
14. PKCS#14：伪随机数产生标准。PKCS#14标准当前正在完善之中。为什么随机数生成也需要建立自己的标准呢？PKI中用到的许多基本的密码学函数，如密钥生成和Diffie-Hellman共享密钥协商，都需要使用随机数。然而，如果“随机数”不是随机的，而是取自一个可预测的取值集合，那么密码学函数就不再是绝对安全了，因为它的取值被限于一个缩小了的值域中。因此，安全伪随机数的生成对于PKI的安全极为关键。
15. PKCS#15：密码令牌信息语法标准。PKCS#15通过定义令牌上存储的密码对象的通用格式来增进密码令牌的互操作性。在实现PKCS#15的设备上存储的数据对于使用该设备的所有应用程序来说都是一样的，尽管实际上在内部实现时可能所用的格式不同。PKCS#15的实现扮演了翻译家的角色，它在卡的内部格式与应用程序支持的数据格式间进行转换。