网络2️⃣HTTPS-密钥交换算法

SSL/TLS

HTTPS 是在 TCP 和 HTTP 之间添加 SSL/TLS 安全协议，

解决 HTTP 的安全性问题。

• 在 HTTP 中，通信之前需要进行 TLS 握手。
• 密钥交换算法：不同密钥交换算法的 TLS 握手流程不同。
  • TLS/1.2：采用 RSA 和 DH。
  • TLS/1.3：采用 ECDHE。

RSA 握手

四次握手

• Wireshark 抓包：

  

• 示意图：

  

第一次握手

Client Hello

Client Hello：客户端向服务器发起加密通信请求。

1. 客户端随机数（用于生成会话密钥）

2. 客户端支持的 TLS 版本（e.g. TLS/1.2）

3. 客户端支持的密码套件列表（e.g. RSA）

   

第二次握手

Server Hello

Sever Hello：服务器收到客户端请求后，发出响应。

1. 服务器随机数（用于生成会话密钥）

2. 服务端确认 TLS 版本

3. 服务端确认密码套件列表

   

密码套件格式：

TLS_密钥交换算法_签名算法_WITH_对称加密算法_摘要算法。

示例：TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256

• TLS
• RSA：本来 WITH 前有 2 个单词，此处代表密钥交换算法和签名算法都是 RSA。
• WITH
• AES_128_GCM：握手后通信采用 AES 作为对称加密算法，密钥长度 128 位，分组模式是 GCM。
• SHA256：摘要算法，用于消息认证和产生随机数。

Certificate

Server Certificate：服务器的数字证书。

Server Hello Done

Server Hello Done：代表 Server 第一次响应结束。

客户端校验证书

客户端拿到了服务端的数字证书后，需要校验数字证书的真实性。

数字证书和 CA

数字证书：用于认证公钥持有者的身份，防止第三方冒充。

i.e. 告诉客户端，该服务端身份是否可信。

数字证书的本质是文件，包含以下信息。

• 公钥
• 持有者信息
• CA 信息
• CA 数字签名及使用的算法
• 证书有效期
• 其它信息

数字证书认证机构（Certificate Authority）

• 网络中具有极高可信度的公证中心。
• CA 拥有一对公钥和私钥。
  • CA 私钥保密，用于对服务器公钥加密生成数字签名。
  • CA 公钥已预先内置到浏览器或操作系统中，用于验证签名真实性。

数字证书签发和验证

CA 签发证书

• 将服务器公钥、用途、颁发者、有效时间等信息打包，进行哈希计算得到一个 Hash 值。
• 使用 CA 私钥对 Hash 值加密，生成 CA 数字签名。
• 将 CA 数字签名 添加在文件证书上，形成数字证书。

客户端

1. 使用相同的哈希算法，计算服务器数字证书信息的 Hash 值（H1）。

2. 使用 CA 公钥对服务器数字证书中的数字签名解密（得到 H2）。

3. 对比 H1 和 H2，相同说明证书是由 CA 真实提供的，否则说明是伪造的。

4. 从数字证书中获取服务器公钥，使用它对报文进行加密发送。

   

第三次握手

客户端验证证书可信后，准备第三次握手。

Client Key Exchange

Client Key Exchange：发送预主密钥（pre-master）

1. 生成随机数（预主密钥，用于生成会话密钥）。

2. 使用服务器公钥加密后发出。

   

生成会话密钥（Master Secret）：

用于后续 HTTP 通信的对称加密。

• 客户端：根据双方协商的算法，结合三个随机数生成本次通信的会话密钥。
• 服务器：收到客户端发送的预主密钥后（使用服务器私钥解密），同理得到一个相同的会话密钥。

Change Cipher Spec

Change Cipher Spec：通知服务器，之后使用会话密钥进行加密通信。

Finished

Finished（Encrypted Handshake Message）：客户端握手结束

• 将之前所有内容发生的数据生成一个摘要，使用会话密钥加密后发出。

• 用于服务端校验，验证加密通信是否可用、握手信息是否有被中途篡改过。

  

第四次握手

Change Cipher Spec

Change Cipher Spec：之后使用会话密钥进行加密通信。

Finished

Finished（Encrypted Handshake Message）：服务端握手结束

• 将之前所有内容发生的数据生成一个摘要，使用会话密钥加密后发出。
• 用于客户端校验。

客户端校验通过后，握手正式完成。

之后采用会话密钥进行对称加密通信。

RSA 缺陷 - 前向保密

RSA 不支持前向保密（aka. 前向安全）

• 客户端传递的预主密钥（pre-master）是用服务器公钥加密的。
• 如果服务器私钥泄漏，过去被第三方截获的 TLS 通信密文都会被破解。

ECDHE 握手

算法说明

ECDHE 由 DH 演进而来。

DH 是非对称加密算法，可用于密钥交换。

离散对数

DH 算法的核心数学思想是离散对数（对数运算 + 模运算）

• 参数：根据以下参数，可以计算出真数 b。

  • 公共参数：底数 a，模数 p

  • 私有参数：离散对数 i

    

• 反之，很难通过公共参数和真数来反推离散对数（尤其是 p 很大时）。

DH 算法

假设主机 A 和主机 B 通信，约定使用 DH 来交换密钥。

1. 确定公共参数：双方确定底数 G 和模数 P。
2. 随机生成私钥：双方各自生成一个随机整数作为私钥，分别用 a 和 b 代称。
3. 计算公钥：根据公共参数和私钥生成，各自生成公钥。
   • 主机 A 公钥 = G^a % P
   • 主机 B 公钥 = G^b % P
4. 交换公钥：此时双方都有公共参数（P, G）、双方公钥（A, B）和各自的私钥（a/b）
5. 计算会话密钥：用对方的公钥作为底数，各自的私钥作为离散对数，对相同的模数计算得到相同密钥值。
   • 主机 A：B^a % P = G^ab % P = K
   • 主机 B：A^b % P = G^ba % P = K

DHE 算法

根据私钥生成的方式，DH 算法分为两种实现。

• static DH（已废弃）：不具备前向安全性。
  • 每次密钥交换时有一方的私钥是静态的。通常是服务器私钥固定，客户端私钥随机生成。
  • 随着时间延长，黑客截获海量的密钥协商过程的数据，暴力破解出服务器私钥，从而计算出会话密钥，破解过去的通信密文。
• DHE（常用）：Ephemeral 临时性的。
  • 每次密钥交换时双方的密钥都是随机生成的。
  • 每次通信过程的私钥不同，保证了前向安全
  • 缺点：需要做大量乘法运算，性能差。

ECDHE 算法 🔥

ECDHE：DHE 算法 + ECC 椭圆曲线特性。

使用更少的计算量来计算公钥和会话密钥。

交互流程：

1. 确定公共参数：双方事先确定椭圆曲线和曲线上的基点 G。
2. 随机生成私钥，计算公钥：双方各自生成一个随机数作为私钥（记 d），计算公钥（记 Q = dG）
   • 主机 A 的公私钥：Q1, d1
   • 主机 B 的公私钥：Q2, d2
3. 交换公钥：此时双方都有公共参数（椭圆曲线，G）、双方公钥（Q1, Q2）和各自的私钥（d1/d2）
4. 计算共享密钥：用对方的公钥 + 各自的私钥，得到相同的 x 坐标。
   • 主机 A：计算点 (x1, y1) = d1Q2 = d1d2G
   • 主机 B：计算点 (x2，y2) = d2Q1 = d2d1G

关于椭圆曲线的运算 👉 技术蛋老师：ECC椭圆曲线加密算法原理

ECDHE 握手过程

四次握手

• ECDHE 第三次握手时就发送了加密数据，而不需要等到四次握手结束（RSA 需要）。
• 因此，ECDHE 比 RSA 握手过程节省了一个 RTT（aka. TLS False Start）。

第一次握手

Client Hello

同 RSA

• 客户端随机数

• 客户端支持的 TLS 版本

• 客户端支持的密码套件列表

  

第二次握手 🔥

Server Hello

与 RSA 区别在于，密码套件不同。

• 服务器随机数

• 服务端确认 TLS 版本

• 服务端确认密码套件列表

  

密码套件：相比 RSA，密钥交换算法改成了 ECDHE

示例：TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384

• TLS
• ECDHE：密钥交换算法
• RSA：签名算法
• WITH
• AES_256_GCM：握手后通信采用 AES 作为对称加密算法，密钥长度 256 位，分组模式是 GCM。
• SHA384：摘要算法，用于消息认证和产生随机数。

Certificate

发送服务器的数字证书

Server Key Exchange 🔥

RSA 中没有这一步

1. 确认椭圆曲线和基点 G（对客户端公开）

2. 生成私钥：生成随机数作为服务端椭圆曲线的私钥。

3. 计算公钥：

   • 根据基点 G 和私钥，计算服务端的椭圆曲线公钥（对客户端公开）。
   • 为了防止公钥被篡改，会用 RSA 算法做个签名。

4. 发送上述的公开信息。

   

Server Hello Done

代表 Server 第一次响应结束。

第三次握手

客户端收到服务端的证书后，需要进行校验。

验证其可信性后，准备第三次握手。

Client Key Exchange 🔥

• 生成私钥：生成随机数作为客户端椭圆曲线的私钥。
• 计算公钥：根据基点 G 和私钥，计算客户端的椭圆曲线公钥。
• 发送公钥

至此：客户端和服务端都有双方公钥、各自私钥、椭圆曲线和基点 G。

根据 ECDHE 原理计算点 (x, y)，其中 x 坐标值相同（共享密钥）。

计算会话密钥：客户端随机数 + 服务端随机数 + 共享密钥 x，三个材料而成。

Change Cipher Spec

通知服务端，之后使用会话密钥进行对称加密通信。

Finishied

客户端握手结束

将之前发送的数据做一个摘要，使用会话对称密钥加密后发出（用于服务端校验）。

第四次握手

Change Cipher Spec

之后使用会话密钥进行对称加密通信。

Finishied

服务端握手结束

将之前所有内容发生的数据生成一个摘要，使用会话密钥加密后发出（用于客户端校验）

客户端校验通过后，握手正式完成。之后采用会话密钥进行对称加密通信。