背景介紹

最近在看《密碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全》相關(guān)的書籍，這篇文章主要詳細(xì)介紹一下著名的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議SSL。

在開始SSl介紹之前，先給大家介紹幾個(gè)密碼學(xué)的概念和相關(guān)的知識。

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1、密碼學(xué)的相關(guān)概念

• 密碼學(xué)(cryptography)：目的是通過將信息編碼使其不可讀，從而達(dá)到安全性。
• 明文(plain text)：發(fā)送人、接受人和任何訪問消息的人都能理解的消息。
• 密文(cipher text)：明文消息經(jīng)過某種編碼后，得到密文消息。
• 加密(encryption)：將明文消息變成密文消息。
• 解密(decryption)：將密文消息變成明文消息。
• 算法：取一個(gè)輸入文本，產(chǎn)生一個(gè)輸出文本。
• 加密算法：發(fā)送方進(jìn)行加密的算法。
• 解密算法：接收方進(jìn)行解密的算法。
• 密鑰(key)：只有發(fā)送方和接收方理解的消息
• 對稱密鑰加密(Symmetric Key Cryptography)：加密與解密使用相同密鑰。
• 非對稱密鑰加密(Asymmetric Key Cryptography)：加密與解密使用不同密鑰。

2、相關(guān)的加密算法介紹

DES算法即數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，也稱為數(shù)據(jù)加密算法。加密過程如下：

在SSL中會用到分組DES、三重DES算法等加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。當(dāng)然可以選用其他非DES加密算法，視情況而定，后面會詳細(xì)介紹。

3、密鑰交換算法

使用對稱加密算法時(shí)，密鑰交換是個(gè)大難題，所以Diffie和Hellman提出了著名的Diffie-Hellman密鑰交換算法。

Diffie-Hellman密鑰交換算法原理：

(1)Alice與Bob確定兩個(gè)大素?cái)?shù)n和g，這兩個(gè)數(shù)不用保密

(2)Alice選擇另一個(gè)大隨機(jī)數(shù)x，并計(jì)算A如下：A=gx mod n

(3)Alice將A發(fā)給Bob

(4)Bob選擇另一個(gè)大隨機(jī)數(shù)y，并計(jì)算B如下：B=gy mod n

(5)Bob將B發(fā)給Alice

(6)計(jì)算秘密密鑰K1如下：K1=Bx mod n

(7)計(jì)算秘密密鑰K2如下：K2=Ay mod nK1=K2，因此Alice和Bob可以用其進(jìn)行加解密

RSA加密算法是基于這樣的數(shù)學(xué)事實(shí)：兩個(gè)大素?cái)?shù)相乘容易，而對得到的乘積求因子則很難。加密過程如下：

(1)選擇兩個(gè)大素?cái)?shù)P、Q

(2)計(jì)算N=P*Q

(3)選擇一個(gè)公鑰(加密密鑰)E，使其不是(P-1)與(Q-1)的因子

(4)選擇私鑰(解密密鑰)D，滿足如下條件： (D*E) mod (P-1)(Q-1)=1

(5)加密時(shí)，明文PT計(jì)算密文CT如下： CT=PTE mod N

(6)解密時(shí)，從密文CT計(jì)算明文PT如下： PT=CTDmodN 這也是SSL中會用一種密鑰交換算法。

3、散列算法：

主要用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，即保證時(shí)消息在發(fā)送之后和接收之前沒有被篡改對于SSL中使用到的散列算法有MD5、SHA-1。

4、數(shù)字證書：

數(shù)字證書其實(shí)就是一個(gè)小的計(jì)算機(jī)文件，其作用類似于我們的身份證、護(hù)照，用于證明身份，在SSL中，使用數(shù)字證書來證明自己的身份，而不是偽造的。

5、簡單的總結(jié)：

在SSL中會使用密鑰交換算法交換密鑰;使用密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密;使用散列算法對數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行驗(yàn)證，使用數(shù)字證書證明自己的身份。好了，下面開始介紹SSL協(xié)議。

SSL介紹：

安全套接字(Secure Socket Layer，SSL)協(xié)議是Web瀏覽器與Web服務(wù)器之間安全交換信息的協(xié)議，提供兩個(gè)基本的安全服務(wù)：鑒別與保密。

SSL是Netscape于1994年開發(fā)的，后來成為了世界上最著名的web安全機(jī)制，所有主要的瀏覽器都支持SSL協(xié)議。

目前有三個(gè)版本：2、3、3.1，最常用的是第3版，是1995年發(fā)布的。

SSL協(xié)議的三個(gè)特性

① 保密：在握手協(xié)議中定義了會話密鑰后，所有的消息都被加密。

② 鑒別：可選的客戶端認(rèn)證，和強(qiáng)制的服務(wù)器端認(rèn)證。

③ 完整性：傳送的消息包括消息完整性檢查(使用MAC)。

SSL的位置

SSL介于應(yīng)用層和TCP層之間。應(yīng)用層數(shù)據(jù)不再直接傳遞給傳輸層，而是傳遞給SSL層，SSL層對從應(yīng)用層收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并增加自己的SSL頭。

SSL的工作原理

握手協(xié)議(Handshake protocol)

記錄協(xié)議(Record protocol)

警報(bào)協(xié)議(Alert protocol)

1、握手協(xié)議

握手協(xié)議是客戶機(jī)和服務(wù)器用SSL連接通信時(shí)使用的第一個(gè)子協(xié)議，握手協(xié)議包括客戶機(jī)與服務(wù)器之間的一系列消息。SSL中最復(fù)雜的協(xié)議就是握手協(xié)議。該協(xié)議允許服務(wù)器和客戶機(jī)相互驗(yàn)證，協(xié)商加密和MAC算法以及保密密鑰，用來保護(hù)在SSL記錄中發(fā)送的數(shù)據(jù)。握手協(xié)議是在應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸之前使用的。

每個(gè)握手協(xié)議包含以下3個(gè)字段

(1)Type：表示10種消息類型之一

(2)Length：表示消息長度字節(jié)數(shù)

(3)Content：與消息相關(guān)的參數(shù)

握手協(xié)議的4個(gè)階段

1.1 建立安全能力

SSL握手的第一階段啟動邏輯連接，建立這個(gè)連接的安全能力。首先客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)出client hello消息并等待服務(wù)器響應(yīng)，隨后服務(wù)器向客戶機(jī)返回server hello消息，對client hello消息中的信息進(jìn)行確認(rèn)。

Client hello消息包括Version，Random，Session id，Cipher suite，Compression method等信息。

ClientHello 客戶發(fā)送CilentHello信息，包含如下內(nèi)容：

(1)客戶端可以支持的SSL最高版本號

(2)一個(gè)用于生成主秘密的32字節(jié)的隨機(jī)數(shù)。(等會介紹主秘密是什么)

(3)一個(gè)確定會話的會話ID。

(4)一個(gè)客戶端可以支持的密碼套件列表。

密碼套件格式：每個(gè)套件都以“SSL”開頭，緊跟著的是密鑰交換算法。用“With”這個(gè)詞把密鑰交換算法、加密算法、散列算法分開，例如：SSL_DHE_RSA_WITH_DES_CBC_SHA, 表示把DHE_RSA(帶有RSA數(shù)字簽名的暫時(shí)Diffie-HellMan)定義為密鑰交換算法;把DES_CBC定義為加密算法;把SHA定義為散列算法。

(5)一個(gè)客戶端可以支持的壓縮算法列表。

ServerHello服務(wù)器用ServerHello信息應(yīng)答客戶，包括下列內(nèi)容

(1)一個(gè)SSL版本號。取客戶端支持的最高版本號和服務(wù)端支持的最高版本號中的較低者。

(2)一個(gè)用于生成主秘密的32字節(jié)的隨機(jī)數(shù)。(客戶端一個(gè)、服務(wù)端一個(gè))

(3)會話ID

(4)從客戶端的密碼套件列表中選擇的一個(gè)密碼套件

(5)從客戶端的壓縮方法的列表中選擇的壓縮方法

這個(gè)階段之后，客戶端服務(wù)端知道了下列內(nèi)容：

(1)SSL版本

(2)密鑰交換、信息驗(yàn)證和加密算法

(3)壓縮方法

(4)有關(guān)密鑰生成的兩個(gè)隨機(jī)數(shù)。

1.2 服務(wù)器鑒別與密鑰交換

服務(wù)器啟動SSL握手第2階段，是本階段所有消息的唯一發(fā)送方，客戶機(jī)是所有消息的唯一接收方。該階段分為4步：

(a)證書：服務(wù)器將數(shù)字證書和到根CA整個(gè)鏈發(fā)給客戶端，使客戶端能用服務(wù)器證書中的服務(wù)器公鑰認(rèn)證服務(wù)器。

(b)服務(wù)器密鑰交換(可選)：這里視密鑰交換算法而定

(c)證書請求：服務(wù)端可能會要求客戶自身進(jìn)行驗(yàn)證。

(d)服務(wù)器握手完成：第二階段的結(jié)束，第三階段開始的信號

這里重點(diǎn)介紹一下服務(wù)端的驗(yàn)證和密鑰交換。這個(gè)階段的前面的(a)證書 和(b)服務(wù)器密鑰交換是基于密鑰交換方法的。而在SSL中密鑰交換算法有6種：無效(沒有密鑰交換)、RSA、匿名Diffie-Hellman、暫時(shí)Diffie-Hellman、固定Diffie-Hellman、Fortezza。

在階段1過程客戶端與服務(wù)端協(xié)商的過程中已經(jīng)確定使哪種密鑰交換算法。

如果協(xié)商過程中確定使用RSA交換密鑰，那么過程如下圖：

這個(gè)方法中，服務(wù)器在它的第一個(gè)信息中，發(fā)送了RSA加密/解密公鑰證書。不過，因?yàn)轭A(yù)備主秘密是由客戶端在下一個(gè)階段生成并發(fā)送的，所以第二個(gè)信息是空的。注意，公鑰證書會進(jìn)行從服務(wù)器到客戶端的驗(yàn)證。當(dāng)服務(wù)器收到預(yù)備主秘密時(shí)，它使用私鑰進(jìn)行解密。服務(wù)端擁有私鑰是一個(gè)證據(jù)，可以證明服務(wù)器是一個(gè)它在第一個(gè)信息發(fā)送的公鑰證書中要求的實(shí)體。

其他的幾種密鑰交換算法這里就不介紹了。可以參考Behrouz A.Forouzan著的《密碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全》。

1.3 客戶機(jī)鑒別與密鑰交換：

客戶機(jī)啟動SSL握手第3階段，是本階段所有消息的唯一發(fā)送方，服務(wù)器是所有消息的唯一接收方。該階段分為3步：

(a)證書(可選)：為了對服務(wù)器證明自身，客戶要發(fā)送一個(gè)證書信息，這是可選的，在IIS中可以配置強(qiáng)制客戶端證書認(rèn)證。

(b)客戶機(jī)密鑰交換(Pre-master-secret)：這里客戶端將預(yù)備主密鑰發(fā)送給服務(wù)端，注意這里會使用服務(wù)端的公鑰進(jìn)行加密。

(c)證書驗(yàn)證(可選)，對預(yù)備秘密和隨機(jī)數(shù)進(jìn)行簽名，證明擁有(a)證書的公鑰。

下面也重點(diǎn)介紹一下RSA方式的客戶端驗(yàn)證和密鑰交換。

這種情況，除非服務(wù)器在階段II明確請求，否則沒有證書信息。客戶端密鑰交換方法包括階段II收到的由RSA公鑰加密的預(yù)備主密鑰。

階段III之后，客戶要有服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證，客戶和服務(wù)器都知道預(yù)備主密鑰。

1.4 完成

客戶機(jī)啟動SSL握手第4階段，使服務(wù)器結(jié)束。該階段分為4步，前2個(gè)消息來自客戶機(jī)，后2個(gè)消息來自服務(wù)器。

1.5 密鑰生成的過程

這樣握手協(xié)議完成，下面看下什么是預(yù)備主密鑰，主密鑰是怎么生成的。為了保證信息的完整性和機(jī)密性，SSL需要有六個(gè)加密秘密：四個(gè)密鑰和兩個(gè)IV。為了信息的可信性，客戶端需要一個(gè)密鑰(HMAC)，為了加密要有一個(gè)密鑰，為了分組加密要一個(gè)IV，服務(wù)也是如此。SSL需要的密鑰是單向的，不同于那些在其他方向的密鑰。如果在一個(gè)方向上有攻擊，這種攻擊在其他方向是沒影響的。生成過程如下：

2、記錄協(xié)議

記錄協(xié)議在客戶機(jī)和服務(wù)器握手成功后使用，即客戶機(jī)和服務(wù)器鑒別對方和確定安全信息交換使用的算法后，進(jìn)入SSL記錄協(xié)議，記錄協(xié)議向SSL連接提供兩個(gè)服務(wù)：

(1)保密性：使用握手協(xié)議定義的秘密密鑰實(shí)現(xiàn)

(2)完整性：握手協(xié)議定義了MAC，用于保證消息完整性

記錄協(xié)議的過程：

3、警報(bào)協(xié)議

客戶機(jī)和服務(wù)器發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，向?qū)Ψ桨l(fā)送一個(gè)警報(bào)消息。如果是致命錯(cuò)誤，則算法立即關(guān)閉SSL連接，雙方還會先刪除相關(guān)的會話號，秘密和密鑰。每個(gè)警報(bào)消息共2個(gè)字節(jié)，第1個(gè)字節(jié)表示錯(cuò)誤類型，如果是警報(bào)，則值為1，如果是致命錯(cuò)誤，則值為2;第2個(gè)字節(jié)制定實(shí)際錯(cuò)誤類型。

總結(jié)

SSL中，使用握手協(xié)議協(xié)商加密和MAC算法以及保密密鑰 ，使用握手協(xié)議對交換的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和簽名，使用警報(bào)協(xié)議定義數(shù)據(jù)傳輸過程中，出現(xiàn)問題如何去解決。

整個(gè)過程比較復(fù)雜，如果大家有不理解和我敘述不周的地方，歡迎大家指正出來!