真正“搞”懂HTTPS协议17之TLS握手

　　经过前两章的学习，我们知道了通信安全的定义以及TLS对其的实现~有了这些知识作为基础，我们现在可以正式的开始研究HTTPS和TLS协议了。嗯……现在才真正开始。

　　我记得之前大概聊过，当你在浏览器的地址栏输入一个URL地址会发生什么，大致是浏览器从URI中获取协议名和域名，获取默认端口号，再用DNS解析出IP地址，然后就可以三次握手与网站建立TCP连接了，然后就会立即进行报文的传递。

　　但是在HTTPS中，三次握手后，还不能立即发送报文，它还需要再用另外一个握手过程，在TCP上建立安全连接，之后才是收发HTTP报文。

　　这个握手过程与TCP类似，是HTTPS和TLS协议里最重要、最核心的部分，搞懂了TLS握手，你就掌握了HTTPS。

一、TLS协议的组成

　　在讲TLS握手之前，我们先来了解下TLS协议的组成。

　　TLS 包含几个子协议，你也可以理解为它是由几个不同职责的模块组成，比较常用的有记录协议、警报协议、握手协议、变更密码规范协议等。

　　记录协议（Record Protocol）规定了 TLS 收发数据的基本单位：记录（record）。它有点像是 TCP 里的 segment，所有的其他子协议都需要通过记录协议发出。但多个记录数据可以在一个 TCP 包里一次性发出，也并不需要像 TCP 那样返回 ACK。

　　警报协议（Alert Protocol）的职责是向对方发出警报信息，有点像是 HTTP 协议里的状态码。比如，protocol_version 就是不支持旧版本，bad_certificate 就是证书有问题，收到警报后另一方可以选择继续，也可以立即终止连接。

　　握手协议（Handshake Protocol）是 TLS 里最复杂的子协议，要比 TCP 的 SYN/ACK 复杂的多，浏览器和服务器会在握手过程中协商 TLS 版本号、随机数、密码套件等信息，然后交换证书和密钥参数，最终双方协商得到会话密钥，用于后续的混合加密系统。

　　最后一个是变更密码规范协议（Change Cipher Spec Protocol），它非常简单，就是一个“通知”，告诉对方，后续的数据都将使用加密保护。那么反过来，在它之前，数据都是明文的。

　　其中握手协议是最最重要的，也是本章的重点。我们先来看张简要图：

 　　我们来分析下上图，我们可以粗略的看到三种颜色，嗯……没错，我们还可以看到两次数据的往返。嗯……也没错。

　　首先，图中的每一个圆角框，就是一个record，就是一个记录。多个记录可以组合成一个TCP包发送。所以最多两次往返，4个消息，就可以完成握手，然后底下的紫色部分，就是加密后的信息了。

　　其次，在TLS握手完成之前，也就是出现ChangeCipherSpec之前，所有的消息都是明文传输的。欸？明文传输，那不会泄露交换的数据么？这个问题我就不回答了，回忆一下我们前两章讲的东西。

　　最后，我们简要的看词说话一下，首先客户端会发起一个消息，携带了TLS的版本号，客户端随机数，还有一个Cipher Suites，Cipher Suites是啥呢？就是密码套件。还记得我们之前说过，客户端会把它支持的密码套件发送给服务器，让服务器来选择一个。然后呢，服务器会把一大堆东西传给客户端，其中包括TLS版本、服务器的随机数、和Cipher Suite、然后还有其它的消息，比如服务器证书Certificate，比如PubKey，就是服务器的公钥，再有就是传一个Server完事的数据。下一波呢，客户端会传一个PubKey给服务器，还有ChangeCipherSpec以及结束标记发送给服务器。服务器也返回结束。接下来就开始加密传输了。

　　当然，这是简单的过程，大家先消化一下，接下来我们再看看详细的流程：

　　嗯……这张图确实有点大。不用怕啦，我们一点一点来分析，其实这张图就是我们本章要讲的重点了，都在这张图里了。

　　第一部分，很好理解，我相信大家都很熟悉了，就是TCP的三次握手嘛~不说了。

　　TCP握手完成之后，就是第二部分，也就是第一个来回。我就不截图了，大家看上面的就好了。浏览器会首先发一个“Client Hello”消息，也就是跟服务器“打招呼”。里面有客户端的版本号、支持的密码套件，还有一个随机数（Client Random），用于后续生成会话密钥。

Handshake Protocol: Client Hello
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: 1cbf803321fd2623408dfe…
    Cipher Suites (17 suites)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 (0xc030)

　　服务器在收到”Client Hello“后，会返回一个”Server Hello“消息。把版本号对一下，也给出一个随机数（Server Random），然后从客户端的列表里选一个作为本次通信使用的密码套件，比如下面的代码选择了“TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384”。

Handshake Protocol: Server Hello
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: 0e6320f21bae50842e96…
    Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 (0xc030)

　　然后，服务器为了证明自己的身份，就把证书也发给了客户端（Server Certificate）。

　　接下来是一个关键的操作，因为服务器选择了 ECDHE 算法，所以它会在证书后发送“Server Key Exchange”消息，里面是椭圆曲线的公钥（Server Params），用来实现密钥交换算法，再加上自己的私钥签名认证。

Handshake Protocol: Server Key Exchange
    EC Diffie-Hellman Server Params
        Curve Type: named_curve (0x03)
        Named Curve: x25519 (0x001d)
        Pubkey: 3b39deaf00217894e...
        Signature Algorithm: rsa_pkcs1_sha512 (0x0601)
        Signature: 37141adac38ea4...

　　然后就是”Server Hello Done“消息，服务器的信息就传递完了。

　　这样，第一部分消息往返就结束了，消耗了两个TCP包，结果是客户端和服务器通过明文共享了三个信息：Client Random、Server Random、Server Params。

　　此刻，客户端拿到了服务器给的证书证明服务器它是它，但是客户端怎么知道这个证书是真的呢？嗯，就是我们之前讲的信任链的追溯了，确认证书的真实性后，再用证书公钥验证签名，就确认了服务器的身份。

　　然后，我们看第三部分，客户端按照密码套件的要求，也生产一个椭圆曲线的公钥（Client Params），用“Client Key Exchange”消息发给服务器。

Handshake Protocol: Client Key Exchange
    EC Diffie-Hellman Client Params
        Pubkey: 8c674d0e08dc27b5eaa…

　　现在客户端和服务器手里都拿到了密钥交换算法的两个参数（Client Params、Server Params），就用 ECDHE 算法一阵算，算出了一个新的东西，叫“Pre-Master”，其实也是一个随机数。计算过程很复杂~~特别复杂，略。

　　现在客户端和服务器手里有了三个随机数：Client Random、Server Random 和 Pre-Master。用这三个作为原始材料，就可以生成用于加密会话的主密钥，叫“Master Secret”。而黑客因为拿不到“Pre-Master”，所以也就得不到主密钥。那，为啥要三个随机数来生成Master Secret呢？其实就是为了提高破解的复杂度。

　　那~~再多说两句，Master-Secret怎么计算出来的呢？

master_secret = PRF(pre_master_secret, "master secret",
                    ClientHello.random + ServerHello.random)

　　这是RFC中的计算公式。

　　这里的“PRF”就是伪随机数函数，它基于密码套件里的最后一个参数，比如这次的 SHA384，通过摘要算法来再一次强化“Master Secret”的随机性。主密钥有 48 字节，但它也不是最终用于通信的会话密钥，还会再用 PRF 扩展出更多的密钥，比如客户端发送用的会话密钥（client_write_key）、服务器发送用的会话密钥（server_write_key）等等，避免只用一个密钥带来的安全隐患。

　　有了主密钥和派生的会话密钥，握手就快结束了。客户端发一个“Change Cipher Spec”，然后再发一个“Finished”消息，把之前所有发送的数据做个摘要，再加密一下，让服务器做个验证。

　　服务器也是同样的操作，发“Change Cipher Spec”和“Finished”消息，双方都验证加密解密 OK，握手正式结束，后面就收发被加密的 HTTP 请求和响应了。

　　最后，我们来看最后一部分，怎么有点奇怪呢？客户端怎么在服务器返回握手结束的消息之前就发送HTTP加密数据了呢？

　　首先，我们上图中的握手过程，其实是TLS主流握手过程，这与传统的握手过程有两点不同。

　　第一，是使用ECDHE实现密钥交换，而不是RSA，所以会在服务器端发送”Server Key Exchange“消息。

　　第二，因为使用了 ECDHE，客户端可以不用等到服务器发回“Finished”确认握手完毕，立即就发出 HTTP 报文，省去了一个消息往返的时间浪费。这个叫“TLS False Start”，意思就是“抢跑”，和“TCP Fast Open”有点像，都是不等连接完全建立就提前发应用数据，提高传输的效率。

　　所以你看，关键就在于用了ECDHE来作为核心参数生成Master Secret。

二、双向认证

　　其实到这里TLS握手的核心就基本完事了。只不过大家发现一个问题没有，上图中，只有服务器传了Certificate，让客户端验证服务器的身份。而服务器并没有验证客户端的身份。这是因为通常单向认证通过后已经建立了安全通信，用账号、密码等简单的手段就能够确认用户的真实身份。

　　但为了防止账号、密码被盗，有的时候（比如网上银行）还会使用 U 盾给用户颁发客户端证书，实现“双向认证”，这样会更加安全。

　　熟悉不？现在知道为啥你之前去银行的时候，银行会给你个U盾，在网站上操作转账啥的时候，都必须插上U盾才行，现在知道这个U盾是用来干啥的了吧？就是给你本地的电脑安装证书。当然，现在好像基本上不用U盾了，直接从可信的网站上下载证书就可以了。

　　双向认证的流程也没有太多变化，只是在“Server Hello Done”之后，“Client Key Exchange”之前，客户端要发送“Client Certificate”消息，服务器收到后也把证书链走一遍，验证客户端的身份。大家可以参照本章的图，自己理解一下噢~

三、小结

　　本篇，很重要，还有点复杂。大家要熟悉一下本章的两张握手图，理解TLS的握手过程。这个总结好像有点糊弄~~哈哈哈

　　哦对，大家还可以在Chrome浏览器里的Security中查看HTTPS的相关信息。