27丨更好更快的握手：TLS1.3特性解析

说明《透视HTTP协议》是 罗剑锋 （奇虎360技术专家）在极客时间开的一门专栏课，笔者记录一下学习笔记，仅供参考。

上一讲中我讲了 TLS1.2 的握手过程，你是不是已经完全掌握了呢？

不过 TLS1.2 已经是 10 年前（2008 年）的“老”协议了，虽然历经考验，但毕竟“岁月不饶人”，在安全、性能等方面已经跟不上如今的互联网了。

       于是经过四年、近 30 个草案的反复打磨，TLS1.3 终于在去年（2018 年）“粉墨登场”，再次确立了信息安全领域的新标准。

       在抓包分析握手之前，我们先来快速浏览一下 TLS1.3 的三个主要改进目标：兼容、安全与性能。

最大化兼容性

       由于 1.1、1.2 等协议已经出现了很多年，很多应用软件、中间代理（官方称为“MiddleBox”）只认老的记录协议格式，更新改造很困难，甚至是不可行（设备僵化）。

       在早期的试验中发现，一旦变更了记录头字段里的版本号，也就是由 0x303（TLS1.2）改为 0x304（TLS1.3）的话，大量的代理服务器、网关都无法正确处理，最终导致 TLS 握手失败。

       为了保证这些被广泛部署的“老设备”能够继续使用，避免新协议带来的“冲击”，TLS1.3 不得不做出妥协，保持现有的记录格式不变，通过“伪装”来实现兼容，使得 TLS1.3 看上去“像是”TLS1.2。

       那么，该怎么区分 1.2 和 1.3 呢？

       这要用到一个新的扩展协议（Extension Protocol），它有点“补充条款”的意思，通过在记录末尾添加一系列的“扩展字段”来增加新的功能，老版本的 TLS 不认识它可以直接忽略，这就实现了“后向兼容”。

       在记录头的 Version 字段被兼容性“固定”的情况下，只要是 TLS1.3 协议，握手的“Hello”消息后面就必须有“supported_versions”扩展，它标记了 TLS 的版本号，使用它就能区分新旧协议。

       其实上一讲 Chrome 在握手时发的就是 TLS1.3 协议，你可以看一下“Client Hello”消息后面的扩展，只是因为服务器不支持 1.3，所以就“后向兼容”降级成了 1.2。

	Handshake Protocol: Client Hello
	Version: TLS 1.2 (0x0303)
	Extension: supported_versions (len=11)
	Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
	Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)

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       TLS1.3 利用扩展实现了许多重要的功能，比如“supported_groups”“key_share”“signature_algorithms”“server_name”等，这些等后面用到的时候再说。

强化安全

       TLS1.2 在十来年的应用中获得了许多宝贵的经验，陆续发现了很多的漏洞和加密算法的弱点，所以 TLS1.3 就在协议里修补了这些不安全因素。

比如：

伪随机数函数由 PRF 升级为 HKDF（HMAC-based Extract-and-Expand Key Derivation Function）；

明确禁止在记录协议里使用压缩；

废除了 RC4、DES 对称加密算法；

废除了 ECB、CBC 等传统分组模式；

废除了 MD5、SHA1、SHA-224 摘要算法；

废除了 RSA、DH 密钥交换算法和许多命名曲线。

       经过这一番“减肥瘦身”之后，TLS1.3 里只保留了 AES、ChaCha20 对称加密算法，分组模式只能用 AEAD 的 GCM、CCM 和 Poly1305，摘要算法只能用 SHA256、SHA384，密钥交换算法只有 ECDHE 和 DHE，椭圆曲线也被“砍”到只剩 P-256 和 x25519 等 5 种。

       减肥可以让人变得更轻巧灵活，TLS 也是这样。

       算法精简后带来了一个意料之中的好处：原来众多的算法、参数组合导致密码套件非常复杂，难以选择，而现在的 TLS1.3 里只有 5 个套件，无论是客户端还是服务器都不会再犯“选择困难症”了。

 

       这里还要特别说一下废除 RSA 和 DH 密钥交换算法的原因。

       上一讲用 Wireshark 抓包时你一定看到了，浏览器默认会使用 ECDHE 而不是 RSA 做密钥交换，这是因为它不具有“前向安全”（Forward Secrecy）。

       假设有这么一个很有耐心的黑客，一直在长期收集混合加密系统收发的所有报文。如果加密系统使用服务器证书里的 RSA 做密钥交换，一旦私钥泄露或被破解（使用社会工程学或者巨型计算机），那么黑客就能够使用私钥解密出之前所有报文的“Pre-Master”，再算出会话密钥，破解所有密文。

       这就是所谓的“今日截获，明日破解”。

       而 ECDHE 算法在每次握手时都会生成一对临时的公钥和私钥，每次通信的密钥对都是不同的，也就是“一次一密”，即使黑客花大力气破解了这一次的会话密钥，也只是这次通信被攻击，之前的历史消息不会受到影响，仍然是安全的。

       所以现在主流的服务器和浏览器在握手阶段都已经不再使用 RSA，改用 ECDHE，而 TLS1.3 在协议里明确废除 RSA 和 DH 则在标准层面保证了“前向安全”。

提升性能

       HTTPS 建立连接时除了要做 TCP 握手，还要做 TLS 握手，在 1.2 中会多花两个消息往返（2-RTT），可能导致几十毫秒甚至上百毫秒的延迟，在移动网络中延迟还会更严重。

       现在因为密码套件大幅度简化，也就没有必要再像以前那样走复杂的协商流程了。TLS1.3 压缩了以前的“Hello”协商过程，删除了“Key Exchange”消息，把握手时间减少到了“1-RTT”，效率提高了一倍。

       那么它是怎么做的呢？

       其实具体的做法还是利用了扩展。客户端在“Client Hello”消息里直接用“supported_groups”带上支持的曲线，比如 P-256、x25519，用“key_share”带上曲线对应的客户端公钥参数，用“signature_algorithms”带上签名算法。

       服务器收到后在这些扩展里选定一个曲线和参数，再用“key_share”扩展返回服务器这边的公钥参数，就实现了双方的密钥交换，后面的流程就和 1.2 基本一样了。

我为 1.3 的握手过程画了一张图，你可以对比 1.2 看看区别在哪里。

 

       除了标准的“1-RTT”握手，TLS1.3 还引入了“0-RTT”握手，用“pre_shared_key”和“early_data”扩展，在 TCP 连接后立即就建立安全连接发送加密消息，不过这需要有一些前提条件，今天暂且不说。

握手分析

       目前 Nginx 等 Web 服务器都能够很好地支持 TLS1.3，但要求底层的 OpenSSL 必须是 1.1.1，而我们实验环境里用的 OpenSSL 是 1.1.0，所以暂时无法直接测试 TLS1.3。

不过我在 Linux 上用 OpenSSL1.1.1 编译了一个支持 TLS1.3 的 Nginx，用 Wireshark 抓包存到了 GitHub 上，用它就可以分析 TLS1.3 的握手过程。

 

       在 TCP 建立连接之后，浏览器首先还是发一个“Client Hello”。

因为 1.3 的消息兼容 1.2，所以开头的版本号、支持的密码套件和随机数（Client Random）结构都是一样的（不过这时的随机数是 32 个字节）。

	Handshake Protocol: Client Hello
	Version: TLS 1.2 (0x0303)
	Random: cebeb6c05403654d66c2329…
	Cipher Suites (18 suites)
	Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
	Cipher Suite: TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0x1303)
	Cipher Suite: TLS_AES_256_GCM_SHA384 (0x1302)
	Extension: supported_versions (len=9)
	Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
	Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)
	Extension: supported_groups (len=14)
	Supported Groups (6 groups)
	Supported Group: x25519 (0x001d)
	Supported Group: secp256r1 (0x0017)
	Extension: key_share (len=107)
	Key Share extension
	Client Key Share Length: 105
	Key Share Entry: Group: x25519
	Key Share Entry: Group: secp256r1

复制代码

       注意“Client Hello”里的扩展，“supported_versions”表示这是 TLS1.3，“supported_groups”是支持的曲线，“key_share”是曲线对应的参数。

这就好像是说：

       “还是照老规矩打招呼，这边有这些这些信息。但我猜你可能会升级，所以再多给你一些东西，也许后面用的上，咱们有话尽量一口气说完。”

服务器收到“Client Hello”同样返回“Server Hello”消息，还是要给出一个随机数（Server Random）和选定密码套件。

	Handshake Protocol: Server Hello
	Version: TLS 1.2 (0x0303)
	Random: 12d2bce6568b063d3dee2…
	Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
	Extension: supported_versions (len=2)
	Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
	Extension: key_share (len=36)
	Key Share extension
	Key Share Entry: Group: x25519, Key Exchange length: 32

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       表面上看和 TLS1.2 是一样的，重点是后面的扩展。“supported_versions”里确认使用的是 TLS1.3，然后在“key_share”扩展带上曲线和对应的公钥参数。

服务器的“Hello”消息大概是这个意思：

       “还真让你给猜对了，虽然还是按老规矩打招呼，但咱们来个‘旧瓶装新酒’。刚才你给的我都用上了，我再给几个你缺的参数，这次加密就这么定了。”

       这时只交换了两条消息，客户端和服务器就拿到了四个共享信息：Client Random和Server Random、Client Params和Server Params，两边就可以各自用 ECDHE 算出“Pre-Master”，再用 HKDF 生成主密钥“Master Secret”，效率比 TLS1.2 提高了一大截。

       在算出主密钥后，服务器立刻发出“Change Cipher Spec”消息，比 TLS1.2 提早进入加密通信，后面的证书等就都是加密的了，减少了握手时的明文信息泄露。

       这里 TLS1.3 还有一个安全强化措施，多了个“Certificate Verify”消息，用服务器的私钥把前面的曲线、套件、参数等握手数据加了签名，作用和“Finished”消息差不多。但由于是私钥签名，所以强化了身份认证和和防窜改。

       这两个“Hello”消息之后，客户端验证服务器证书，再发“Finished”消息，就正式完成了握手，开始收发 HTTP 报文。

       虽然我们的实验环境暂时不能抓包测试 TLS1.3，但互联网上很多网站都已经支持了 TLS1.3，比如Nginx、GitHub，你可以课后自己用 Wireshark 试试。

       在 Chrome 的开发者工具里，可以看到这些网站的 TLS1.3 应用情况。

 

小结

今天我们一起学习了 TLS1.3 的新特性，用抓包研究了它的握手过程，不过 TLS1.3 里的内容很多，还有一些特性没有谈到，后面会继续讲。

为了兼容 1.1、1.2 等“老”协议，TLS1.3 会“伪装”成 TLS1.2，新特性在“扩展”里实现；

1.1、1.2 在实践中发现了很多安全隐患，所以 TLS1.3 大幅度删减了加密算法，只保留了 ECDHE、AES、ChaCha20、SHA-2 等极少数算法，强化了安全；

TLS1.3 也简化了握手过程，完全握手只需要一个消息往返，提升了性能。

课下作业

TLS1.3 里的密码套件没有指定密钥交换算法和签名算法，那么在握手的时候会不会有问题呢？

结合上一讲的 RSA 握手过程，解释一下为什么 RSA 密钥交换不具有“前向安全”。

TLS1.3 的握手过程与 TLS1.2 的“False Start”有什么异同？