⽹络协议（11）SSLTLS协议运⾏机制详解
互联⽹的通信安全，建⽴在SSL/TLS协议之上。
本⽂简要介绍SSL/TLS协议的运⾏机制。⽂章的重点是设计思想和运⾏过程，不涉及具体的实现细节。如果想了解这⽅⾯的内容，请参阅RFC⽂档。
⼀、作⽤
不使⽤SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明⽂传播，带来了三⼤风险。
（1） 窃听风险（eavesdropping）：第三⽅可以获知通信内容。
（2） 篡改风险（tampering）：第三⽅可以修改通信内容。
（3） 冒充风险（pretending）：第三⽅可以冒充他⼈⾝份参与通信。
SSL/TLS协议是为了解决这三⼤风险⽽设计的，希望达到：
（1） 所有信息都是加密传播，第三⽅⽆法窃听。
（2） 具有校验机制，⼀旦被篡改，通信双⽅会⽴刻发现。
（3） 配备⾝份证书，防⽌⾝份被冒充。
互联⽹是开放环境，通信双⽅都是未知⾝份，这为协议的设计带来了很⼤的难度。⽽且，协议还必须能够经受所有匪夷所思的攻击，这使得SSL/TLS协议变得异常复杂。
互联⽹加密通信协议的历史，⼏乎与互联⽹⼀样长。
1994年，NetScape公司设计了SSL协议（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未发布。
1995年，NetScape公司发布SSL 2.0版，很快发现有严重漏洞。
1996年，SSL 3.0版问世，得到⼤规模应⽤。
1999年，互联⽹标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版。
2006年和2008年，TLS进⾏了两次升级，分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。
⽬前，应⽤最⼴泛的是TLS 1.0，接下来是SSL 3.0。但是，主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的⽀持。
TLS 1.0通常被标⽰为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。
SSL/TLS协议的基本思路是采⽤公钥加密法，也就是说，客户端先向服务器端索要公钥，然后⽤公钥加密信息，服务器收到密⽂后，⽤⾃⼰的私钥解密。
ssl协议全称但是，这⾥有两个问题。
（1）如何保证公钥不被篡改？
解决⽅法：将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的，公钥就是可信的。
（2）公钥加密计算量太⼤，如何减少耗⽤的时间？
解决⽅法：每⼀次对话（session），客户端和服务器端都⽣成⼀个”对话密钥”（session key），⽤它来加密信息。由于”对话密钥”是对称加密，所以运算速度⾮常快，⽽服务器公钥只⽤于加密”对话密钥”本⾝，这样就减少了加密运算的消耗时间。
因此，SSL/TLS协议的基本过程是这样的：
（1） 客户端向服务器端索要并验证公钥。
（2） 双⽅协商⽣成”对话密钥”。
（3） 双⽅采⽤”对话密钥”进⾏加密通信。
上⾯过程的前两步，⼜称为”握⼿阶段”（handshake）。
四、握⼿阶段的详细过程
“握⼿阶段”涉及四次通信，我们⼀个个来看。需要注意的是，”握⼿阶段”的所有通信都是明⽂的。
4.1 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。
（1） ⽀持的协议版本，⽐如TLS 1.0版。
（2） ⼀个客户端⽣成的随机数，稍后⽤于⽣成”对话密钥”。
（3） ⽀持的加密⽅法，⽐如RSA公钥加密。
（4） ⽀持的压缩⽅法。
这⾥需要注意的是，客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只能包含⼀个⽹站，否则会分不清应该向客户端提供哪⼀个⽹站的数字证书。这就是为什么通常⼀台服务器只能有⼀张数字证书的原因。点击查看https认证原理详解。
对于虚拟主机的⽤户来说，这当然很不⽅便。2006年，TLS协议加⼊了⼀个Server Name Indication扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。
4.2 服务器回应（SeverHello）
服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。
（1） 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。
（2） ⼀个服务器⽣成的随机数，稍后⽤于⽣成”对话密钥”。
（3） 确认使⽤的加密⽅法，⽐如RSA公钥加密。
（4） 服务器证书。
除了上⾯这些信息，如果服务器需要确认客户端的⾝份，就会再包含⼀项请求，要求客户端提供”客户端证书”。⽐如，⾦融机构往往只允许认证客户连⼊⾃⼰的⽹络，就会向正式客户提供USB密钥，⾥⾯就包含了⼀张客户端证书。
4.3 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。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不⼀致、或者证书已经过期，就会向访问者显⽰⼀个警告，由其选择是否还要继续通信。
如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下⾯三项信息。
（1） ⼀个随机数。该随机数⽤服务器公钥加密，防⽌被窃听。
（2） 编码改变通知，表⽰随后的信息都将⽤双⽅商定的加密⽅法和密钥发送。
（3） 客户端握⼿结束通知，表⽰客户端的握⼿阶段已经结束。这⼀项同时也是前⾯发送的所有内容的hash值，⽤来供服务器校验。
上⾯第⼀项的随机数，是整个握⼿阶段出现的第三个随机数，⼜称”pre-master key”。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双⽅就⽤事先商定的加密⽅法，各⾃⽣成本次会话所⽤的同⼀把”会话密钥”。点击查看https认证原理详解。
⾄于为什么⼀定要⽤三个随机数，来⽣成”会话密钥”，dog250解释得很好：
“不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样⽣成的密钥才不会每次都⼀样。由于SSL协议中证书是静态的，因此⼗分有必要引⼊⼀种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。
对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本⾝就是⼀个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过⼀个密钥导出器最终导出⼀个对称密钥。
pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产⽣完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适⽤pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引⼊新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数⼀同⽣成的密钥就不容易被猜
出了，⼀个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就⼗分接近随机了，每增加⼀个⾃由度，随机性增加的可不是⼀。”
此外，如果前⼀步，服务器要求客户端证书，客户端会在这⼀步发送证书及相关信息。
4.4 服务器的最后回应
服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算⽣成本次会话所⽤的”会话密钥”。然后，向客户端最后发送下⾯信息。
（1）编码改变通知，表⽰随后的信息都将⽤双⽅商定的加密⽅法和密钥发送。
（2）服务器握⼿结束通知，表⽰服务器的握⼿阶段已经结束。这⼀项同时也是前⾯发送的所有内容的hash值，⽤来供客户端校验。
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。

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