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  • HTTPS详细解析、TLS四次握手

    千次阅读 2020-07-07 14:26:34
    至此TLS四次握手也就完成了,双方已经协商好使用的加密套件和对称密钥,接下来的交互数据都将经过加密后再使用TCP进行传输。 可以看出,TLS四次握手的过程是相对复杂的,要消耗一定的资源,若每次建立HTTPS连接都要...

    前言

    在互联网刚诞生的时候,Honeywell Information System公司便提出了OSI网络模型,并最终推广使用。
    HTTP协议作为OSI模型的应用层中不可或缺的一个协议,凭其优秀的性能得到了广泛的应用,但是随后人们发现了一个重大漏洞,HTTP协议使用了明文传输数据,这使得任何人只要拦截下数据包就可以直接查看交互信息甚至可以随意修改交互信息,这是非常危险的。
    这份危险刺激着密码学的发展,随着对称加密算法、公私钥加密算法和消息摘要算法相继提出和发展完善,信息的保密性、完整性和可用性得到了极大的保障,于是人们在密码学的基础上设计了SSL协议,与HTTP协议配合使用,并统称为HTTPS。HTTPS弥补HTTP明文传输的缺点,为通讯信息进行加密等操作,以保证网络通讯的安全。在对SSL协议完善的过程中,由于历史原因,SSL协议从SSL3.0之后改名为TLS,但是SSL依旧有些服务器在用,因此习惯上称之为SSL/TLS协议。

    一、SSL/TLS协议

    图1 SSL/TLS协议在OSI五层模型中的位置
    SSL(Secure Socket Layer,安全套接字层)协议是位于OSI七层模型中的表示层(在五层模型中属于应用层)的可靠的面向连接的协议,SSL通过互相认证、使用摘要算法确保完整性和使用加密算法确保私密性,使客户端和服务器之间实现了安全的通讯。该协议主要由SSL记录协议和SSL握手协议组成。目前SSL的最新版本是1996年发布的SSL3.0,虽然该协议在2015年被RFC 7568列为不安全协议而不建议使用,但是有部分服务器仍在使用。

    TLS(Transport Layer Security,传输层安全)协议是在SSL3.0的基础上改进的协议,是SSL3.0的后续版本,并在1999年发布了第一个版本TLS1.0。作为SSL的升级版,TLS协议与SSL协议具有相同的目的:解决浏览器与服务器通讯中的认证、保密性和完整性的安全问题。TLS协议也可以分为两个部分:记录协议(Record Protocol)和握手协议(Handshake Protocol)。目前TLS的最新版本是2018年发布的TLS1.3,但是目前使用最广泛的还是2008年发布的TLS1.2
    图2 HTTPS加密通讯过程
    一次完整的HTTPS加密通讯的过程如下:

    发送端:
    ① 利用商定的随机数和摘要算法计算明文的MAC(Message Authentication Code,消息认证码),常见的消息摘要算法有MD5、SHA1、SHA256等。

    ② 将明文用商定的加密算法进行加密,得出密文。目前主流的加密方法有两种:一种是利用商定的对称密钥进行对称加密,对称加密算法在安全性上不如非对称加密算法,但是对称加密算法的计算效率高,因此一般用于传输机密性等级不高且量大的内容,常见的对称加密算法有RC4、DES、3DES、AES等;另一种是使用对方的公钥进行非对称加密,与对称机密算法相反,该算法安全性高但是计算效率低,因此一般用于加密机密性等级高的内容,常见的非对称加密算法有RSA、Elgamal、椭圆曲线加密算法等。

    ③ 用私钥将MAC码进行加密,得到了一个数字签名,使得消息不可否认。

    ④ 将密文和数字签名进行拼接,然后发送给接收端。

    接收端:
    ⑤ 拆分消息得到密文和数字签名,利用商定的加密算法及其对应的密钥进行解密,得到明文。

    ⑥ 用发送端的公钥对数字签名进行解密,得到MAC码。

    ⑦ 利用商定的随机数和摘要算法计算明文的MAC码,并与收到的MAC进行比较,若相等则说明得到了正确的明文,若两个MAC值不等,则重新请求数据。

    二、TLS握手协议和记录协议

    2.1 握手协议

    以TLS1.2为例,以下为TLS1.2四次握手的详细流程(括号内为可选内容):
    图3 TLS1.2握手过程
    第一次握手:

    四次握手的第一次握手是客户端向服务器发送Client Hello消息,消息以明文的形式传输,里面包括客户端支持的协议版本、加密套件、压缩算法、客户端生成的一个随机数R1、扩展字段等。其中加密套件是四个功能的组合,即:认证算法(Au)、密钥交换算法(KeyExchange)、对称加密算法(Enc)和信息摘要算法,随机数R1则会在后面的密钥生成中使用到。

    第二次握手:

    ① 应对客户端发来的Client Hello,服务器将发送Server Hello消息进行响应,该消息以明文的形式传输,相应消息包括确认使用的协议版本、由服务器生成的随机数R2,确认使用的加密套件、确认使用的压缩方法。

    ② 在发完Server Hello消息后,服务器会马上将自己的Certificate(公钥证书)发送给客户端。

    ③ Server Key Exchange并非必需选项,只有在选用了DH算法的情况下,服务器需要将DH参数发送给客户端,若选择了RSA算法则不需要发送Server Key Exchange。

    ④ Certificate Request也并非必须选项,在对于安全性要求较高的场景中,服务器可要对客户端的身份进行认证,因此发起了对客户端公钥证书的请求,一般情况下浏览器都会内置一对独一无二的公私钥。

    ⑤ 由于第二次握手中包含一些可选选项,因此需要服务器发送一个Server Hello Done的消息,用来通知客户端Server Hello过程结束。

    在客户端收到Server Hello Done之后并没有马上进行第三次握手,而是先对服务器传来的证书进行验证,一般会验证证书是否在有效期内,随后根据CRL或者OCSP查询证书是否有效,最后根据证书链从根CA开始验证直到网站证书,以确保证书的真实性。在这个过程中若出现了验证不通过的结果,则抛出相应的错误;若验证通过,就再生成一个随机数Pre-master,并用服务器公钥进行加密,生成PreMaster Key。

    第三次握手:

    ① Client Key Exchange就是客户端将PreMaster Key发送给服务器,服务器则会用自己的私钥解密得出Pre-master。到这里客户端和服务器都拥有了三个随机数R1、R2和Pre-master,两边再用相同的算法和这三个随机数生成一个密钥,用于握手结束后传输数据的对称加密。

    ② Change Cipher Spec是客户端向服务器通知,后面发送的消息都会使用协商出来的密钥进行加密。

    ③ Encrypted Handshake Message是客户端向服务发送握手数据加密信息,该信息是客户端将前面的握手消息利用协商好的摘要算法生成摘要,再用协商好的密钥对摘要进行加密而的出来的,最后将加密信息发送给服务器,这是客户端发出的第一条加密信息。而服务器也会用协商好的密钥进行解密,若能成功解密则说明协商出来的密钥是一致的。

    ④ Certificate是在第二次握手的第4步有进行的情况下,即服务器有向客户端请求证书的情况才会有的,这一步是客户端向服务器发送客户端的证书,而服务器收到证书后也会对证书进行相同的验证。

    第四次握手:

    ① Change Cipher Spec是服务器向客户端通知,后面发送的消息都会使用协商出来的密钥进行加密。

    ② Encrypted Handshake Message与第三次握手类似,是服务器发给客户端的用来确定协商的密钥是一致的,也是一条Server Finish消息。

    至此TLS四次握手也就完成了,双方已经协商好使用的加密套件和对称密钥,接下来的交互数据都将经过加密后再使用TCP进行传输。

    可以看出,TLS四次握手的过程是相对复杂的,要消耗一定的资源,若每次建立HTTPS连接都要进行TLS四次握手的话将会消耗较多的资源,导致效率较低。为了提高建立HTTPS连接的速度,TLS协议设置了两种绘画缓存机制:session ID和session ticket。其中session ID是协议中标准字段,所以基本所有服务器都支持,session ID和协商的通讯信息会保存在服务器端;而session ticket是一个扩展字段,需要服务器和客户端都支持,服务器会将协商的通讯信息加密后发送给客户端保存,密钥只有服务器直到,这就占用了较少的服务器资源。
    图4 包含Session ID的握手过程
    这里的Client Hello多了Session ID(或Session Ticket)参数。且客户端在发送完最后一个握手数据包后就直接开始向服务器发送应用数据。

    2.2 记录协议

    图5 TLS记录协议
    TLS记录协议是在客户端和服务器发送交互消息的时候使用的一个协议。根据RFC5246的规定,TLS记录协议是一个分层协议,主要负责消息压缩、加密和数据的认证。

    对于一条交互消息,首先会将消息分割成若干个片段,每个片段不多于2^14字节(即16kb),然后对每一个片段分别使用协商好的压缩算法进行压缩,得到对应的压缩片段。接下来计算每个压缩片段的MAC值,并MAC值中加入序号后连接在压缩片段后面。连接完成后则用协商好的对称加密算法和密钥进行加密得到密文。最后在密文前面加上由数据类型、协议版本号和压缩后长度组成的报头,组成最终的报文数据,并将报文数据传送给TCP层进行打包发送。

    三、SSL/TLS的安全威胁

    看似强大的SSL/TLS协议其实也并非绝对的安全,自从SSL1.0开始,关于SSL协议的安全性研究也随之开始并持续到现在。在最近7年的四大国际会议中,关于TLS协议安全问题的研究论文就有差不多50篇,这些论文介绍了诸多可以被利用的漏洞,这些漏洞大致包含以下三类:

    (1)SSL/TLS协议设计不足:这类漏洞源自于协议本身就存在的问题。例如在对消息进行分块加密阶段,往往在最后一个块是一个不完整的块而需要进行填充,使其成为一个完整的块才能进行加密,但是协议并未对填充内容进行检验,由此产生了Lucky Thirteen攻击、POODLE攻击、Bleichenbacher攻击、DROWN攻击等。并且协议至今仍然支持一些已经被证实不安全的算法,诸如RC4、3DES和MD5等。

    (2)SSL/TLS协议实现漏洞:这类漏洞并非源自于协议,而是由人为的错误产生的,具体来讲就是人们在配置SSL/TLS的时候未能严格按照协议的要求来配置,由此便产生了漏洞。常见的这类漏洞有三次握手攻击、SLOTH攻击、降级攻击、Heartbleed、Freak攻击等

    (3)证书相关问题:这类漏洞一般来自于SSL/TLS所依赖的PKI体系。最常见的攻击方式就是伪造证书进而实现中间人攻击,再者,X509证书基于其解释过程复杂在实际应用中也出现过一些问题。

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  • SSL/TLS 四次握手过程

    2019-07-21 19:22:49
    SSL/TLS 背景介绍 SSL(Secure Socket Layer 安全套接层)是基于 HTTPS 下的一个协议加密层,最初是由网景公司(Netscape)研发,后被 IETF(The Internet Engineering Task Force - 互联网工程任务组)标准化后写入...

    SSL/TLS 背景介绍

    SSL(Secure Socket Layer 安全套接层)是基于 HTTPS 下的一个协议加密层,最初是由网景公司(Netscape)研发,后被 IETF(The Internet Engineering Task Force - 互联网工程任务组)标准化后写入(RFC:Request For Comments 请求注释),RFC 里包含了很多互联网技术的规范。

    起初是因为 HTTP 在传输数据时使用的是明文(虽然说 POST 提交的数据时放在报体里看不到的,但是还是可以通过抓包工具窃取到)是不安全的,为了解决这一隐患,网景公司推出了 SSL 安全套接字协议层,SSL 是基于 HTTP 之下,TCP 之上的一个协议层,是基于 HTTP 标准并对 TCP 传输数据时进行加密,所以 HTTPS 可以想成是 HTTP+SSL 的简称。。。

    由于 HTTPS 的推出受到了很多人的欢迎,在 SSL 更新到 3.0 时,IETF 对 SSL3.0 进行了标准化,并添加了少数机制(但是几乎和 SSL3.0 无差异),标准化后的 SSL 更名为 TLS1.0(Transport Layer Security 安全传输层协议),可以说 TLS 就是 SSL 的新版本3.1,并同时发布 “RFC2246-TLS 加密协议详解”。

    应该注意到,HTTPS 并不是新协议,而是让 HTTP 先和 SSL(Secure Sockets Layer)通信,再由 SSL 和 TCP 通信,也就是说 HTTPS 使用了隧道进行通信。

    通过使用 SSL,HTTPS 具有了加密、认证和完整性保护的特点。

     

    SSL/TLS 四次握手过程

    一、 客户端发出请求(ClientHello)

    首先,客户端(通常是浏览器)先向服务器发出加密通信的请求,这被叫做 ClientHello 请求。

    在这一步,客户端主要向服务器提供以下信息:

    • 支持的协议版本,比如 TLS 1.0 版
    • 一个客户端生成的随机数(Client random),稍后用于生成 “对话密钥”(Session Key)
    • 支持的加密方法,比如 RSA 公钥加密
    • 支持的压缩方法

    二、服务器回应

    服务器收到客户端请求后,向客户端发出回应,这叫做 SeverHello

    这一步服务器主要干三件事:

    • 确认使用的加密通信协议版本,比如 TLS 1.0 版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致,服务器关闭加密通信
    • 确认使用的加密方法(客户端所支持的),比如 RSA 公钥加密
    • 将服务器证书、加密公钥、以及一个随机数(Server random)发送给客户端浏览器

    三、客户端回应

    客户端收到服务器回应以后,首先验证服务器证书,验证手段就是执行如下三种检查:

    • 检查证书是否已经过期
    • 检查证书中的域名与实际域名是否一致
    • 检查证书是否是可信机构颁布的

    如果,上述过程中有任何一个环节发现问题,那么浏览器就会向访问者显示一个警告,由其选择是否还要继续通信。如果证书受信任,或者是用户接受了不受信的证书,浏览器会生成一串新的随机数(Premaster secret ),并用证书中提供的公钥加密。

    此时,浏览器会根据前三次握手中的三个随机数:

    • Client random
    • Server random
    • Premaster secret

    通过一定的算法来生成 “会话密钥” (Session Key),这个会话密钥就是接下来双方进行对称加密解密使用的密钥!

    四、服务器的最后回应

    服务器收到客户端的第三个随机数( Premaster secret) 之后,使用同样的算法计算出 “会话密钥” (Session Key)。

    至此,整个握手阶段全部结束。接下来,客户端与服务器进入加密通信,就完全是使用普通的 HTTP 协议,只不过用 “会话密钥” 加密内容。(非对称加密解密将不再使用,接下来完全由对称加密接手了,因为密钥已经安全的传送给了通信的双方

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  • 为了解决这些问题,https出现了,https在http的应用层和传输层之间增加了一个SSL/TLS层,建立连接时增加了TLS层的四次握手,实现了信息加密、报文校验和身份证书等功能。 今天,我们就来探讨一下,TLS层的信息加密...

    我们都知道HTTP是明文传输,所以存在窃听、篡改和伪装等风险。为了解决这些问题,https出现了,https在http的应用层和传输层之间增加了一个SSL/TLS层,建立连接时增加了TLS层的四次握手,实现了信息加密、报文校验和身份证书等功能。

    今天,我们就来探讨一下,TLS层的信息加密是如何实现的。

    https的信息加密是混合加密,也就是对称加密非对称加密。双方通通信开始前要协商密钥,密钥协商时采用的是非对称加密,进行通信时使用的对称加密。

    在密钥协商阶段主要用到以下几种算法:

    • RSA算法
    • DH算法
    • ECDHE算法

    RSA算法

    TLS第一次握手

    clientHello阶段,客户端向服务器发送请求,发送SSL/TLS版本,发送客户端支持的密码套件列表,然后会产生一个随机数(Client Random),发送给服务器,这是生成对称密钥的材料。

    第一次握手客户端做的事:

    客户端clientHello,客户端发送请求

    • 确定SSL/TLS版本

    • 客户端生成的随机数,用于生成会话密钥(Client Random

    • 客户端支持的密码套件列表,如RSA算法

    TLS第二次握手

    服务器会确定自己所支持的SSL/TLS版本,如果不支持,则直接关闭此次连接。在客户端发送来的密码套件中选择一套。生成一个随机数(Server Random)

    serverHello阶段,服务器响应客户端的请求,发送SSL/TLS版本,发送服务器选择的密码套件,发送随机数

    密码套件:密钥交换算法 + 签名算法 + 对称加密算法 + 摘要算法

    WITH单词前面只有一个单词RSA

    • 密钥交换算法和签名算法都是RSA

    • 加密对称算法采用的是AES算法,密钥长度为128位,分组模式为GCM

    • 摘要算法为SHA256,用于消息认证和产生随机数

    发送数字证书

    最后会发一个Server Hello Done的信息

    第二次握手服务器做的事:

    服务器接收到客户端请求,进行响应

    • 确定SSL/TLS版本,如果不支持,直接关闭

    • 服务器生成的随机数,后面用于生成会话密钥(Server Random

    • 确定服务器支持的密码套件列表,如RSA加密算法

    • 发送数字证书

    客户端拿到服务器的响应后,会去验证证书的证实有效性

    数字证书包含

    • 公钥

    • 持有者信息

    • 有效时间

    • 证书认证机构(CA)的信息

    • 其他信息

    数字证书的签发流程

    • CA会把一些基本信息例如持有者、用途、有效信息等打包,然后运用Hash算法得到一个Hash值

    • CA会使用自己的私钥将这个Hash值加密,生成一个Certificate Signature(证书签名),CA对证书进行了签名

    • 最后将签名加到证书文件,形成数字证书

    客户端验证证书的流程

    • 客户端使用同样的Hash算法,得到该证书的Hash值H1

    • 浏览器使用CA的公钥,解密Certificate Signature中的内容,得到Hash值H2

    • 如果H1等于H2,则证明可信

    TLS的第三次握手

    证书有效,客户端生成一个随机数(pre-master),用服务器的RSA公钥加密,然后通过Change Cipher Key Exchange消息发给服务器

    服务器收到后,用私钥解密收到pre-master

    到此阶段,客户端和服务器共享了三个数,Client Random、Server Random、pre-master,双方根据这三个数生成密钥

    生成密钥后客户端再发一个Change Cipher Spec告诉服务器开始使用加密通话

    最后在发送一个Encrypted HandShare Message消息,向服务器发送握手摘要,再加密一下,让服务器验证

    第三次握手客户端做的事:

    向服务器进行响应

    • 发送一个随机数(密钥),该随机数会被公钥加密(pre-master

    • 加密算法改变的通知,表示之后的会话都将用会话密钥进行加密(Change Cipher Key Exchange

    • 客户端响应结束通知,握手数据的摘要(Encrypted HandShare Message

    TLS的第四次握手

    服务器也是相同操作,发送Change Ciper SpecEncrypted HandShare Message

    服务器进行响应

    • 加密算法改变通知,表示之后的信息会用加密的密钥进行加密(Change Ciper Spec

    • 服务器响应结束通知,握手数据的摘要(Encrypted HandShare Message

    RSA算法的缺陷

    RSA算法最大的问题就是不支持前向保密,服务器的私钥一旦泄露,被第三方截获的TLS密文都会被破解

    所以才有了DH算法

    DH算法

    客户端和服务器都各自产生一个随机数,生成一个私钥,然后根据公开的DH算法,算出自己的公钥,再把这个公钥通过TLS互换,这要有了自己的私钥和对方的公钥,就可以解密报文。

    即时公钥被截取了,在不知道私钥的情况下也无法计算出密钥。

    但是DH算法存在计算效率的问题,所以出现了ECDHE密钥协商算法

    ECDHE算法

    根据私钥的生成算法,有两种模式

    DH算法(服务器的私钥是不变的)缺点是时间长了服务器的私钥有被破解的可能

    DHE算法(目前常用)E(ephemeral)的意思就是临时性的

    双方的私钥在每次密钥交换通信时都是临时生成的。但是这种算法的性能不佳,所以出现了ECDHE算法

    ECDHE算法

    在DHE算法的基础上,利用了ECC椭圆曲线的特性,可以优化计算公钥和最终会话密钥的计算量

    ECDHE算法流程(实质就是通过椭圆曲线特性计算公钥)

    • 双方事先确定好使用什么椭圆曲线,和曲线上的基点G,两个参数都是公开的

    • 双方各自随机生成私钥d,将G乘以私钥d得到公钥Q(Q=Gd),客户端的公私钥为d1和Q1,服务器的公私钥为d2和Q2

    • 双方交换公钥,客户端计算d1Q2,服务器计算d2Q1,由乘法交换律和结合律得d2Q1 = d2d1G = d1d2G = d1Q2,双方的坐标都是一样的,实现了共享密钥

    此过程双方的私钥都是随机、临时生成的,不公开的。

    ECDHE握手

    TLS第一次握手

    与RSA的握手流程大致相同

    TLS第二次握手

    服务器生成自己的随机数,在客户端的密码套件列表中选择一个密码套件

    密码套件的信息有所改变(密钥协商算法+签名算法+对称算法+摘要算法)

    • 密码套件的密钥协商算法变为ECHDE

    • 签名算法为RSA

    • 对称算法为AES,密钥长度为256位

    • 摘要算法采用SHA384

    接着服务器会发送数字证书

    然后就会发送Server Key Exchange的消息(RSA算法是在TLS第四次握手才发动)

    这个过程服务器做了三件事

    • 选择椭圆曲线,确定椭圆曲线的G点,公开给客户端

    • 生成的随机数作为椭圆曲线的私钥,保留在本地

    • 根据G点和私钥计算出服务端的椭圆曲线公钥Q2,公开给客户端

    为保证公钥不被篡改,服务器会使用RSA算法加密公钥

    最后发送Server Hello Done信息

    TLS第三次握手

    过程大致相同

    此阶段多了客户端会生成随机数作为自己的私钥,然后根据服务器给的信息生成椭圆曲线公钥,然后发送Client Key Exchange消息给服务器。

    至此对方的公钥自己的私钥椭圆曲线的G点都已经得到

    最终密钥是通过客户端随机数+服务器随机数 * 共享密钥确定的

    TLS第四次握手

    与RSA握手流程基本一致

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  • 1.客户端请求建立SSL链接,并向服务端发送一个随机数–Client random和客户端支持的加密方法,比如RSA公钥加密,此时是明文传输。 2.服务端回复一种客户端支持的加密方法、一个随机数–Server random、授信的服务器...

    在这里插入图片描述

    1.客户端请求建立SSL链接,并向服务端发送一个随机数–Client random和客户端支持的加密方法,比如RSA公钥加密,此时是明文传输。

    2.服务端回复一种客户端支持的加密方法、一个随机数–Server random、授信的服务器证书和非对称加密的公钥。

    3.客户端收到服务端的回复后利用服务端的公钥,加上新的随机数–Premaster secret 通过服务端下发的公钥及加密方法进行加密,发送给服务器。

    4.服务端收到客户端的回复,利用已知的加解密方式进行解密,同时利用Client random、Server random和Premaster secret通过一定的算法生成HTTP链接数据传输的对称加密key – session key。

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  • SSL/TLS协议四次握手

    千次阅读 多人点赞 2018-05-09 17:28:27
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