Swoole 源碼分析——Server模塊之OpenSSL (上)

前言

自從 Let's Encrypt 上線之後，HTTPS 網站數量佔比越來越高，相信不久的未來就可以實現全網 HTTPS，大部分主流瀏覽器也對 HTTP 網頁給出明顯的 不安全 標誌。

SSL 是在 TCP 層之上爲客戶端服務端之間數據傳輸運用複雜的加密算法，swoole 使用 SSL 加密只需要兩個步驟：

$serv = new swoole_server("0.0.0.0", 443, SWOOLE_PROCESS, SWOOLE_SOCK_TCP | SWOOLE_SSL);
$key_dir = dirname(dirname(__DIR__)).'/tests/ssl';

$serv->set(array(
    'worker_num' => 4,
    'ssl_cert_file' => $key_dir.'/ssl.crt',
    'ssl_key_file' => $key_dir.'/ssl.key',
));

SSL/TLS 安全通信

由於 HTTPS 的推出受到了很多人的歡迎，在 SSL 更新到 3.0 時，IETF 對 SSL3.0 進行了標準化，並添加了少數機制(但是幾乎和 SSL3.0 無差異)，標準化後的 IETF 更名爲 TLS1.0 (Transport Layer Security 安全傳輸層協議)，可以說 TLS 就是 SSL 的新版本 3.1，並同時發佈“ RFC2246-TLS 加密協議詳解”。

首先我們先來了解一下 SSL/TLS 的原理。

以下內容來源於參考文獻：TLS和安全通信

加密技術

TLS 依賴兩種加密技術：

1. 對稱加密（symmetric encryption）
2. 非對稱加密（asymmetric encryption）

對稱加密

對稱加密的一方（比如小紅）用祕鑰 K 給文本 M 加密；另一方（比如小明）用
同一個祕鑰解密：

小紅 : C = E(M, K)
小明 : M = D(C, K)

這有一個問題：當一方生成了祕鑰 K 之後得把 K 分享給另一方。但是穿越 `Sin
City 的道路危險中途很可能有人竊聽到 K`，竊聽者就可以假扮雙方中的任何一
方與另一方通信。這叫中間人攻擊。

非對稱加密

非對稱加密利用成對的兩個祕鑰：K1 和 K2。小紅用其中一個加密文本，小明可
以用另一個解密文本。比如，小紅用 K1 加密，小明用 K2 解密：

小紅 : C = E(M, K1)
小明 : M = D(C, K2)

這樣一來，雙方中的一方（比如小紅）可以生成 K1 和 K2，然後把其中一個祕鑰（比如 K1）私藏，稱爲私鑰；另一個（比如K2）公開，稱爲公鑰。另一方（比如小明）得到公鑰之後，雙方就可以通信。

然而，中間人還是可能截獲公鑰 K2，然後自己弄一對祕鑰（κ1, κ2），然後告訴小明說 κ2 是小紅的公鑰。這樣中間人每次可以用截獲的 K2 解密小紅髮給小明的文本（甚至可能修改文本），再用 κ1 加密了發出去；小明用 κ2 解密接收。

數字簽名和CA

爲了幫小明確定得到的公鑰確實是小紅的 K2，而不是中間人僞造的 κ2，牛人們發明了數字簽名（digital signature）技術。

數字簽名的做法是：

1. 小紅把自己的公鑰和 ID（身份證號碼，或者域名）合爲身份證申請（certificate signing request，CSR），
2. 小紅把 CSR 發給一個德高望重的人（被稱爲 certificate authority，CA），比如小亮，
3. 小亮用自己的私鑰加密小紅的 CSR，得到的密文被稱爲數字簽名（digital signature），
4. 小亮把 signature 和 CSR 的明文合在一起稱爲 CA簽署的身份證（CA signed certificate，CRT），發給小紅，

小紅：CSR = 小紅公鑰+小紅域名
     signature = E(CSR, 小亮的私鑰)
     CRT = CSR + signature

每當其他人（比如小明）找小紅聊天（建立 HTTPS 連接）的時候，小紅出示自己的小亮簽署的身份證。拿到這個身份證的人，只要他是相信小亮的——在自己機器上安裝了小亮的身份證，就可以

1. 從小亮的身份證中的小亮的 CSR 裏提取小亮的公鑰；
2. 然後用小亮的公鑰解密小紅的身份證中小亮的 signature，得到一個小紅的 CSR；
3. 如果這個 CSR 和小紅身份證中的 CSR 明文一致，則說明“這個小紅的身份證是小亮確認過並且簽名的”。

小明：小亮的公鑰 = 小亮的CRT.CSR.小亮的公鑰
     CSR' = D(CRT.signature, 小亮的公鑰)
     if CSR' == CRT.CSR then OK

由此過程可以看出來：隨便誰都可以當 CA ——只要願意公開自己的公鑰，即可用自己的私鑰去加密別人的認證。那我們要是信錯了 CA，被他擺一道怎麼辦？答案是：沒辦法。我們選擇信任社會，要相信如果 CA 說謊，萬一被識破，就沒有人
再相信他了。現實中，很多操作系統（Windows、Mac OS X）和瀏覽器（Chrome、Firefox、IE）會內置一些靠譜的 CA 的身份證。

信任鏈

小亮如果擔心沒有人信任自己是個好 CA（就像沒人信CNNIC一樣），可以找一個大家都信的 CA，比如老王，用老王的私鑰在小亮的身份證上簽名：

小亮：CSR = 小亮的公鑰+小亮域名
     signature = E(CSR, 老王的私鑰)
     CRT = CSR + signature

如果瀏覽器或者操作系統裏安裝了老王的公鑰則可以驗證“小亮的身份證是老王確認並且簽名過的”。

這樣，小亮在簽署小紅的身份證的時候，可以在小紅身份證後面附上自己的身份證。這樣小紅的身份證就有“兩頁”了。

當小明和小紅通信的時候：

1. 小明會先要求小紅出示自己的身份證；
2. 小明雖然不信任小亮，但是信任老王，所以小明可以用老王的身份證裏的老
   王的公鑰來驗證小紅身份證附帶的小亮的身份證，於是就可以信任小亮了；
3. 然後小明用小亮身份證裏的公鑰驗證小紅的身份證。

要是怕小明連自己也也不信任，老王可以再找一個小明信任的人來簽名確認自己的身份證。這個過程可以不斷遞推，從而形成了一條信任鏈（trust of chain)

根身份證和自簽名

信任鏈總會有個頂端，被稱爲根身份證（root CA）。那麼根身份證是誰簽名的呢？答案是：自己簽名。實際上，我們每個人都可以自己簽名認證自己的身份證，得到自簽名的身份證（self-signed certificate）。具體過程是：

1. 生成一對祕鑰：公鑰 K2 和私鑰 K1，
2. 創建自己的 CSR，
3. 用自己的祕鑰加密 CSR 得到 signature，然後把 CSR 明文和 signature 一起發佈。

任何人只要信任我們自簽名的身份證 CRT，也就可以用 CRT.CSR.K2 作爲公鑰加密要傳遞給我們的文本。我們可以用自己的私鑰 K1 來解密文本。

一般來說，自簽名的根身份證用於公司內部使用。

如果老王就是根 CA 了，那麼上述各位的身份證的信任鏈如下：

小紅：CSR = 小紅公鑰+小紅域名
     signature = E(CSR, 小亮的私鑰)
     CRT = CSR + signature

小亮：CSR = 小亮的公鑰+小亮域名
     signature = E(小亮的CSR, 老王的私鑰)
     CRT = 小亮的CSR + signature

老王：CSR = 老王的公鑰+老王的域名
     signature = E(老王的CSR, 老王自己的私鑰)
     CRT = 老王的CSR + signature

雙方TLS認證

上述例子解釋了通信的一方如何驗證另一方的身份。這種情況的一個常見應用是：我們通過瀏覽器訪問銀行的網頁。這裏的關鍵是，我們要能驗證銀行的身份證，然後纔敢於在網頁裏輸入賬號和密碼。瀏覽器驗證銀行的身份證的過程如下：

1. 在瀏覽器和銀行的HTTPS服務建立安全連接的過程中，銀行的HTTPS服務會把
   它的身份證發給瀏覽器
2. 瀏覽器使用內置的CA的身份證來驗證銀行的身份證。

瀏覽器驗證了銀行的 HTTPS 服務的身份之後，就輪到銀行驗證瀏覽器的用戶的身份了：

1. 瀏覽器展示銀行HTTPS服務發來的登陸頁面；
2. 用戶在這個頁面裏輸入賬號和密碼，銀行的HTTPS服務由此驗證用戶的身份。

在這個過程中，銀行 HTTPS 服務器的身份是通過 TLS 身份證來驗證的。而我們（用戶）的身份是通過我們輸入的賬號和密碼來驗證的。

有時通信的雙方都是程序（而不是人）。此時，讓一方輸入賬號和密碼，不如讓雙方都通過 TLS 身份證來互相驗證方便。尤其是在很多分佈式系統裏，有多種類型的程序互相通信，而不只是兩方通信。

比如在 Kubernetes 機羣裏，不光操作機羣的客戶端程序 kubectl 要能驗證 Kubernetes master node（具體的說是 apiserver）的身份，才能放心地把包括敏感信息（比如數據庫密碼）的計算作業提交給 apiserver。類似的，apiserver 也要能驗證 kubectl 的身份，以確認提交作業的是公司的合法僱員，而不是外賊。

爲此，通信各方都需要有各自的身份證。一個公司可以自簽名一個 CA 身份證，並且用它來給每個僱員以及每個程序簽署身份證。這樣，只要每臺電腦上都預先安裝好公司自己的 CA 身份證，就可以用這個身份證驗證每個僱員和程序的身份了。
這是目前很多公司的常用做法。

加密和解密的性能

因爲 TLS 模式下所有傳輸的數據都是加密的，大家會關注加密和解密的性能。客觀的說，非對稱加密技術的加密和解密比較慢，相對來說，對稱加密技術的加密解密過程更快。所以實際的連接和握手過程中，通信雙方會協商一個對稱加密祕鑰，之後的數據通信過程中的加密都是利用對稱加密技術來實現的。

具體的做法是：握手的時候，雙方各自生成一個隨機數，並且以非對稱加密的方式分享給對方。然後每一方都把自己的隨機數和對方的隨機數拼起來，就是接下來通信時候使用的對稱加密方法的祕鑰了。

OpenSSL 操作指南

接下來，我們來看看如何生成 HTTPS 所需要的證書。

以下內容來源於參考文獻：openssl的介紹和使用

openssl 簡介

OpenSSL 是一個開源項目，其組成主要包括一下三個組件：

• openssl：多用途的命令行工具
• libcrypto：加密算法庫
• libssl：加密模塊應用庫，實現了ssl及tls

openssl 可以實現：祕鑰證書管理、對稱加密和非對稱加密更多簡介和官網。

指令

平時我們使用 openssl 最多的莫過於使用指令了，而最爲常見的幾個指令如下：

• genrsa 生成RSA參數
• req
• x509
• rsa
• ca

genrsa 簡介

平時主要用來生成私鑰，選擇使用的算法、對稱加密密碼和私鑰長度來生成私鑰。也就是生成 key 文件。

基本用法：

openssl genrsa [args] [numbits]

其中常見的參數：【更多參數查看：openssl genrsa -help】

args1 對生成的私鑰文件是否要使用加密算法進行對稱加密: 
    -des : CBC模式的DES加密 
    -des3 : CBC模式的3DES加密 
    -aes128 : CBC模式的AES128加密 
    -aes192 : CBC模式的AES192加密 
    -aes256 : CBC模式的AES256加密 
args2 對稱加密密碼
    -passout passwords
    其中passwords爲對稱加密(des、3des、aes)的密碼(使用這個參數就省去了console交互提示輸入密碼的環節) 
args3 輸出文件
    -out file : 輸出證書私鑰文件 
[numbits]: 密鑰長度，理解爲私鑰長度 

生成一個 2048 位的 RSA 私鑰，並用 des3 加密(密碼爲 123456 )，保存爲 server.key 文件

openssl genrsa -des3 -passout pass:123456 -out server.key  2048 
// -des3 是第一個參數args1；  
// -passout pass:123456 是第二個參數寫法 args2
// -out server.key 第三個參數args3；   
// 2048 最後一個[numbits]參數

生成的 key 文件是 PEM 格式的

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
Proc-Type: 4,ENCRYPTED
DEK-Info: DES-EDE3-CBC,DB98A9512DD7CBCF

yKTM+eoxBvptGrkEixhljqHSuE+ucTh3VqYQsgO6+8Wbh1docbFUKzLKHrferJBH
...
-----END RSA PRIVATE KEY-----

雖說文件頭尾都標註着 RSA PRIVATE KEY，但實際上這個文件裏既包括公鑰也包括私鑰。

req 命令

req 的基本功能主要有兩個：生成證書請求和生成自簽名證書，也就是 csr 文件，或者自簽名的 crt 文件。當然這並不是其全部功能，但是這兩個最爲常見；

常見使用方法：

openssl req [args] outfile

主要參數：【更多參數查看：openssl req -help】

args1 是輸入輸入文件格式：
    -inform arg
    -inform DER 使用輸入文件格式爲DER
    -inform PEM 使用輸入文件格式爲PEM
args2 輸出文件格式:
    -outform arg   
    -outform DER 使用輸出文件格式爲DER
    -outform PEM 使用輸出文件格式爲PEM
args3 是待處理文件 
    -in inputfilepath
args4 待輸出文件
    -out outputfilepath
args5 用於簽名待生成的請求證書的私鑰文件的解密密碼
    -passin passwords       
args6 用於簽名待生成的請求證書的私鑰文件
    -key file
args7 指定輸入密鑰的編碼格式 
    -keyform arg  
    -keyform  DER
    -keyform  NET
    -keyform  PEM
args8 生成新的證書請求 
    -new

args9 輸出一個X509格式的證書,簽名證書時使用 
     -x509          
args10 使用 X509 簽名證書的有效時間  
    -days  // -days 3650 有效期10年
 
args11 生成一個bits長度的RSA私鑰文件，用於簽發【生成私鑰、並生成自簽名證書】 
    -newkey rsa:bits 
  
args12設置HASH算法-[digest]【生成私鑰指定的hash摘要算法】
    -md5
    -sha1  // 高版本瀏覽器開始不信任這種算法
    -md2
    -mdc2
    -md4
args13指定openssl配置文件,很多內容不容易通過參數配置，可以指定配置文件
    -config filepath   
args14 顯示格式txt【用於查看證書、私鑰信息】
    -text

使用的案例：利用私鑰生成證書請求 csr

openssl req -new -key server.key -out server.csr

server.csr 文件也是 PEM 格式的，文件頭尾標註爲 CERTIFICATE REQUEST:

-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
MIIC0TCCAbkCAQAwgYsxCzAJBgNVBAYTAlVTMQswCQYDVQQIEwJDQTERMA8GA1UE
...
-----END CERTIFICATE REQUEST-----

使用案例：利用私鑰生成自簽名證書

openssl req -new -x509 -days 3650 -key ca.key -out ca.crt

x509 命令

x509 是一個功能很豐富的證書處理工具。可以用來顯示證書的內容，轉換其格式，給 CSR 簽名等 X.509 證書的管理工作；

用法如下：

openssl x509 [args]

參數如下：【更多參數查看：openssl x509 -help】

args1 是輸入輸入文件格式：
    -inform arg
    -inform DER 使用輸入文件格式爲DER
    -inform PEM 使用輸入文件格式爲PEM
args2 輸出文件格式:
    -outform arg   
    -outform DER 使用輸出文件格式爲DER
    -outform PEM 使用輸出文件格式爲PEM
args3 是待處理X509證書文件 
    -in inputfilepath
args4 待輸出X509證書文件
    -out outputfilepath
args5表明輸入文件是一個"請求籤發證書文件(CSR)"，等待進行簽發
    -req            
args6簽名證書的有效時間  
    -days  // -days 3650 有效期10年      
args7 指定用於簽發請求證書的根CA證書 
    -CA arg 
args8 根CA證書格式(默認是PEM)     
    -CAform arg     
args9 指定用於簽發請求證書的CA私鑰證書文件    
    -CAkey arg      
args10 指定根CA私鑰證書文件格式(默認爲PEM格式)
    -CAkeyform arg  
args11 指定序列號文件(serial number file)    
    -CAserial arg   
args12 如果序列號文件(serial number file)沒有指定，則自動創建它 
    -CAcreateserial 
args13設置HASH算法-[digest]【生成私鑰指定的hash摘要算法】
    -md5
    -sha1  // 高版本瀏覽器開始不信任這種算法
    -md2
    -mdc2
    -md4

使用實例： 使用根 CA 證書[ ca.crt ]和私鑰[ ca.key ]對"請求籤發證書"[ server.csr ]進行簽發，生成 x509 格式證書

openssl x509 -req -days 3650 -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out serverx509.crt

server.crt 也是 PEM 格式的。文件頭尾的標記爲 CERTIFICATE:

-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIDlDCCAnwCCQDQ1UvQyFD7jDANBgkqhkiG9w0BAQsFADCBizELMAkGA1UEBhMC
...
-----END CERTIFICATE-----

DER、CRT、CER、PEM、KEY、PFX/P12 格式

下文參考文獻：DER、CRT、CER、PEM格式的證書及轉換

證書和編碼

X.509 證書,其核心是根據 RFC 5280 編碼或數字簽名的數字文檔。

實際上，術語 X.509 證書通常指的是 IETF 的 PKIX 證書和 X.509 v3 證書標準的 CRL 文件，即如 RFC 5280（通常稱爲PKIX for Public Key Infrastructure（X.509））中規定的。

X509文件擴展

我們首先要了解的是每種類型的文件擴展名。 很多人不清楚DER，PEM，CRT和CER結尾的文件是什麼，更有甚者錯誤地說是可以互換的。 在某些情況下，某些可以互換，最佳做法是識別證書的編碼方式，然後正確標記。 正確標籤的證書將更容易操縱

編碼--決定擴展名方式

.DER 擴展名

.DER = DER 擴展用於二進制 DER 編碼證書。

這些文件也可能承載 CER 或 CRT 擴展。 正確的說法是“我有一個 DER 編碼的證書”不是“我有一個 DER 證書”。

.PEM 擴展名

.PEM = PEM 擴展用於不同類型的 X.509v3 文件，是以“ - BEGIN ...”前綴的 ASCII（Base64） 數據。

常見的擴展

• .CRT 擴展名

.CRT = CRT 擴展用於證書。 證書可以被編碼爲二進制 DER 或 ASCII PEM。 CER 和 CRT 擴展幾乎是同義詞。 最常見的於 Unix 或類 Unix 系統。

• .CER 擴展名

CER = .crt 的替代形式（Microsoft Convention）您可以在微軟系統環境下將 .crt 轉換爲 .cer（ .DER 編碼的 .cer，或 base64 [PEM] 編碼的 .cer）。

• .KEY 擴展名

.KEY = KEY 擴展名用於公鑰和私鑰 PKCS＃8。 鍵可以被編碼爲二進制 DER 或 ASCII PEM。

• PFX/P12 擴展名

predecessor of PKCS#12,對 *nix 服務器來說,一般 CRT 和 KEY 是分開存放在不同文件中的,但 Windows 的 IIS 則將它們存在一個 PFX 文件中,(因此這個文件包含了證書及私鑰)這樣會不會不安全？應該不會,PFX 通常會有一個"提取密碼", 你想把裏面的東西讀取出來的話,它就要求你提供提取密碼,PFX 使用的時 DER 編碼,如何把 PFX 轉換爲 PEM 編碼？

openssl pkcs12 -in for-iis.pfx -out for-iis.pem -nodes

這個時候會提示你輸入提取代碼. for-iis.pem 就是可讀的文本.
生成 pfx 的命令類似這樣:

openssl pkcs12 -export -out certificate.pfx -inkey privateKey.key -in certificate.crt -certfile CACert.crt

其中 CACert.crt 是 CA (權威證書頒發機構)的根證書,有的話也通過 -certfile 參數一起帶進去.這麼看來,PFX 其實是個證書密鑰庫.

常見的 OpenSSL 證書操作

證書操作有四種基本類型。查看，轉換，組合和提取。

查看證書

即使PEM編碼的證書是 ASCII，它們也是不可讀的。這裏有一些命令可以讓你以可讀的形式輸出證書的內容;

• 查看 PEM 編碼證書

openssl x509 -in cert.pem -text –noout

openssl x509 -in cert.cer -text –noout

openssl x509 -in cert.crt -text –noout

如果您遇到這個錯誤，這意味着您正在嘗試查看DER編碼的證書，並需要使用“查看DER編碼證書”中的命令。
unable to load certificate

12626:error:0906D06C:PEMroutines:PEM_read_bio:no start line:pem_lib.c:647:Expecting: TRUSTEDCERTIFICATE

• 查看 DER 編碼證書

openssl x509 -in certificate.der -inform der -text -noout

如果您遇到以下錯誤，則表示您嘗試使用DER編碼證書的命令查看PEM編碼證書。在“查看PEM編碼的證書”中使用命令
unable to load certificate

13978:error:0D0680A8:asn1 encodingroutines:ASN1_CHECK_TLEN:wrong tag:tasn_dec.c:1306:

13978:error:0D07803A:asn1 encodingroutines:ASN1_ITEM_EX_D2I:nested asn1 error:tasn_dec.c:380:Type=X509

轉換證書格式

轉換可以將一種類型的編碼證書存入另一種。（即PEM到DER轉換）

openssl x509 -in cert.crt -outform der-out cert.der

openssl x509 -in cert.crt -inform der -outform pem -out cert.pem

組合證書

在某些情況下，將多個 X.509 基礎設施組合到單個文件中是有利的。一個常見的例子是將私鑰和公鑰兩者結合到相同的證書中。

組合密鑰和鏈的最簡單的方法是將每個文件轉換爲 PEM 編碼的證書，然後將每個文件的內容簡單地複製到一個新文件中。這適用於組合文件以在 Apache 中使用的應用程序

證書提取

一些證書將以組合形式出現。 一個文件可以包含以下任何一個：證書，私鑰，公鑰，簽名證書，證書頒發機構（CA）和/或權限鏈。

SSL/TLS 握手流程

簡潔版流程

• 第一步，愛麗絲給出協議版本號、一個客戶端生成的隨機數（Client random），以及客戶端支持的加密方法。
• 第二步，鮑勃確認雙方使用的加密方法，並給出數字證書、以及一個服務器生成的隨機數（Server random）。
• 第三步，愛麗絲確認數字證書有效，然後生成一個新的隨機數（Premaster secret），並使用數字證書中的公鑰，加密這個隨機數，發給鮑勃。
• 第四步，鮑勃使用自己的私鑰，獲取愛麗絲髮來的隨機數（即 Premaster secret）。
• 第五步，愛麗絲和鮑勃根據約定的加密方法，使用前面的三個隨機數，生成"對話密鑰"（session key），對話密鑰被切片生成兩個對稱密鑰和 MAC 密鑰，用來加密接下來的整個對話過程。

注意這個例子只是傳統的 RSA 模式密鑰交換的 SSL 握手流程。

詳細流程

以下內容參考文獻：

SSL/TLS協議運行機制的概述

SSL/TLS協議詳解

客戶端發出請求（ClientHello）

握手第一步是客戶端向服務端發送 Client Hello 消息，這個消息裏包含了

• 一個客戶端生成的隨機數 Client random、
• 客戶端支持的加密套件（Support Ciphers）
• 支持的協議版本 SSL Version，比如TLS 1.0版。
• 支持的壓縮方法
• Session id 用於會話複用

• Extension 拓展字段的存在，是因爲 SSL 協議起草之初有些功能沒有考慮到，後續這些功能被加進 RFC，而爲了兼容 SSL，把這些功能的描述放到 Extension 中。

  • Server_name(SNI): 客戶端在 client hello 中帶上 server name 拓展（如果使用 ip 地址進行訪問，那麼就不會有 server name 拓展），它會捎帶上域名地址，服務器解析到 server name 後，就會根據 server name 中的域名，選擇合適的證書。
  • Elliptic_curves/ec_point_formats: 使用橢圓曲線密鑰交換算法的時候用到，裏面列舉了自己支持的橢圓曲線算法，供服務器選擇。
  • SessionTicket TLS: 會話複用時使用。
  • status_request: 請求 OCSP，服務器可以發送 cettificate status 到客戶端，裏面帶上 ocsp 的信息。
  • signature_algorithms: 表示自己支持的簽名算法，服務器收到這個拓展，在進行例如 server key exchange 簽名等操作時，需要參考客戶端這個拓展。
  • application_layer_negotiation(ALPN): 用以描述支持的上層協議，h2、http/1.1、spdy等。可以把他想象成IP頭中的protocol，描述了上層是TCP還是UDP還是ICMP。目前主流瀏覽器，若要使用HTTP2，則必須使用這個拓展。
  • Renegotiation info: 如果是重新協商（即加密的 hello），那麼會帶上上次協商的 12 字節的 finished，如果是新 hello 請求，那麼裏面字段爲0。

切記及時服務器端不支持renegotiation，在server hello響應時也需要帶上這個拓展

這裏需要注意的是，客戶端發送的信息之中不包括服務器的域名。也就是說，理論上服務器只能包含一個網站，否則會分不清應該向客戶端提供哪一個網站的數字證書。這就是爲什麼通常一臺服務器只能有一張數字證書的原因。

對於虛擬主機的用戶來說，這當然很不方便。2006年，TLS協議加入了一個 Server Name Indication 擴展，允許客戶端向服務器提供它所請求的域名。

服務器迴應（SeverHello）

服務器收到客戶端請求後，向客戶端發出迴應，這叫做SeverHello。服務器的迴應包含以下內容。

• 確認使用的加密通信協議版本，比如 TLS 1.0 版本。如果瀏覽器與服務器支持的版本不一致，服務器關閉加密通信。
• 一個服務器生成的隨機數，稍後用於生成"對話密鑰"。注意，至此客戶端和服務端都擁有了兩個隨機數
• 從 Client Hello 傳過來的 Support Ciphers 裏確定一份加密套件，這個套件決定了後續加密和生成摘要時具體使用哪些算法，比如 RSA 公鑰加密。
• session id（sessionid 會話複用需要帶上，當然命中 session ticket 時也需要帶上）
• 拓展。一般會帶上空的 renegotiation info（前提是客戶端提供了 EMPTY_SCSV 加密套件或者有renegotiation info 拓展），以表示自己支持 secure renegotiation。

除了上面這些信息，如果服務器需要確認客戶端的身份，就會再包含一項請求，要求客戶端提供"客戶端證書"

服務器證書發送 (Server Certificate)

發送服務器證書，將服務器配置的證書（鏈）發送到客戶端。

注意證書鏈的順序，最下層證書在前（用戶證書在前，上級證書在後）。發送的證書是二進制格式，並非 base64 之後的格式。

服務器端祕鑰交換 （server key exchange）

對於使用DHE/ECDHE非對稱密鑰協商算法的SSL握手，將發送該類型握手。

RSA 算法不會繼續該握手流程（DH、ECDH 也不會發送 server key exchange）。

ECDHE 下主要有幾點重要的信息：

• 指明自己使用的橢圓曲線（一般根據客戶端的拓展中 supported_groups 中的選擇橢圓曲線算法）。
• 公鑰。服務器本地計算一個大數（BIGNUM），乘上曲線的 base point，得到一個新的 point，這個 point 就是公鑰，用 04+x+y 的格式組織起來。04 表示 unconpressed point ，和客戶端的 ec_point_formats 有關。
• 簽名。和 RSA 握手不同，RSA 情況下，只要能值正常協商密鑰，那麼必然服務器端有證書對應的私鑰，也間接表明了服務器擁有該證書。DHE/ECDHE 不同，證書對應的私鑰並不參與密鑰協商，如果要證明服務器擁有證書，則必然有簽名的操作（就像雙向認證的情況下，客戶端需要發送 certificate verify）。被簽名數據從 curve type 起，至 point 的 y 爲止。對於 TLS1.2，簽名前使用 client hello 拓展中提供的哈希算法。TLS1.0 和TLS1.1，如果本地證書是 ECC 證書，即若要使用 ECDSA 簽名，這種哈希算法爲 SHA1，其他的情況摘要算法爲md5+sha1。

• 計算哈希之後就調用 RSA 或者 ECDSA 進行簽名。注意的是，TLS1.2 時要帶上 2 字節的 “Signature Hash Algorithm”。

  • 橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）是使用橢圓曲線密碼（ECC）對數字簽名算法（DSA）的模擬。
  • DSA 算法是 RSA 算法的反向算法，服務端利用私鑰加密，客戶端用公鑰進行驗證，速度更快，但是不能加密，只能用於簽名驗證，因爲公鑰是公開的。

DHE 下主要有幾點重要的信息：

• 指明自己使用的 DH 參數，p 和 q。
• 服務器端計算私鑰 Xb，計算 q^Xb mod p，將結果 Pb 發給客戶端，自己僅且自己保存 Xb。
• 簽名流程與上述類似，不再贅述。

服務端證書請求 (certificate request)

雙向認證時，服務器會發送 certificate request，表明自己想要收到客戶端的證書。

這個類型的握手主要包含了 ca 證書的 subject ，用以告訴客戶端自己需要哪些證書，不是由這些 ca 簽發的證書“我”不要。

客戶端，例如瀏覽器在收到這個請求時，如果不存在對應的證書，則發送一個空的 certificate 至服務器，如果存在一個證書，則發送該 certificate 至服務器。如果存在多個對應的證書，則會彈出一個彈出框讓你選擇。

Certificate request 還包含了想要證書的簽名的類型，RSA 還是 ECDSA，對於 TLS1.2 還會包括摘要信息。

服務端結束 (Server hello done)

服務器告訴客戶完成它的初始化流通消息。

客戶端證書發送 (client certificate)

如果服務器端請求了客戶端的證書，客戶端即使沒有證書，也需要發送該類型的握手報文，只是這種情況下，裏面的內容爲0。

如果瀏覽器有對應的證書，則會發送證書，當然，也有可能發送上級證書（即發送證書鏈），這個完全取決於瀏覽器。

客戶端密鑰交換 （client key exchange）

• ECDH/ECDHE 下比較簡單了，和 server key exchange 處理一樣，客戶端隨機生成一個大數，然後乘上 base point，得到的結果就是 public key。
• DHE 下客戶端計算隨機數 Xa，然後該報文中的 Pubkey 就是 q^Xa mop p
• RSA 下客戶端隨機生成 48 字節的預主密鑰，然後使用 pkcs1 規則填充至公鑰一樣的長度，隨後調用 RSA 進行運算，得到 Encrypted PreMaster。填充規則如下：00 + 02 + non_zero + 0 + pre_master。

    "不管是客戶端還是服務器，都需要隨機數，這樣生成的密鑰纔不會每次都一樣。由於SSL協議中證書是靜態的，因此十分有必要引入一種隨機因素來保證協商出來的密鑰的隨機性。
    對於RSA密鑰交換算法來說，pre-master-key本身就是一個隨機數，再加上hello消息中的隨機，三個隨機數通過一個密鑰導出器最終導出一個對稱密鑰。
     pre master的存在在於SSL協議不信任每個主機都能產生完全隨機的隨機數，如果隨機數不隨機，那麼pre master secret就有可能被猜出來，那麼僅適用pre master secret作爲密鑰就不合適了，因此必須引入新的隨機因素，那麼客戶端和服務器加上pre master secret三個隨機數一同生成的密鑰就不容易被猜出了，一個僞隨機可能完全不隨機，可是是三個僞隨機就十分接近隨機了，每增加一個自由度，隨機性增加的可不是一。"

服務端證書驗證 (Certificate verify)

發送這個類型的握手需要2個前提條件

• 服務器端請求了客戶端證書
• 客戶端發送了非0長的證書

此時，客戶端想要證明自己擁有該證書，必然需要私鑰簽名一段數據發給服務器驗證。

簽名的數據是客戶端發送 certificate verify 前，所有收到和發送的握手信息（不包括5字節的 record）。其實這個流程和簽名 server key exchange 基本一樣。計算摘要，然後簽名運算。

加密標識 (Change cipher)

指示 Server 從現在開始發送的消息都是加密過的。

服務器握手結束通知 (Encrypted handshake message)

其實這個報文的目的就是告訴對端自己在整個握手過程中收到了什麼數據，發送了什麼數據。來保證中間沒人篡改報文。

其次，這個報文作用就是確認祕鑰的正確性。因爲 Encrypted handshake message 是使用對稱祕鑰進行加密的第一個報文，如果這個報文加解密校驗成功，那麼就說明對稱祕鑰是正確的。

計算方法也比較簡單，將之前所有的握手數據（包括接受、發送），計算 md 哈希運算，然後計算 prf，然後就是使用協商好的對稱密鑰進行加密了。

MD運算：

• 對於 TLS1.2，摘要算法是 sha256，即 md_result = sha256(all_handshake)；
• 對於 TLS1.0 1.1，摘要算法是 md5 和 sha1 結果的拼接，即 md_result = md5(all_handshake) + sha1(all_handshake)。
• 特殊情況：如果加密套件中指定了 sha384 算法，例如 RSA_WITH_AES256_CBC_SHA384 加密套件，則無論協商使用 tls 哪個版本，都用 sha384，即 md_result = sha384(all_handshake)。

PRF運算:

計算完哈希後，客戶端按這種格式：“client finished”+ md_result，作爲 prf 的輸入。PRF 的輸出指定爲 12字節。12 字節的數據前填充 4 字節 message 頭部信息，就可以送入對稱加密流程進行加密了。

PRF 運算其實就是 P_HASH 運算，P_HASH 就是不斷 hmac 運算，直到計算出預定指定長度的值爲止。

祕鑰交換算法

HTTPS 通過 TLS 層和證書機制提供了內容加密、身份認證和數據完整性三大功能，可以有效防止數據被監聽或篡改，還能抵禦 MITM（中間人）攻擊。TLS 在實施加密過程中，需要用到非對稱密鑰交換和對稱內容加密兩大算法。

對稱內容加密強度非常高，加解密速度也很快，只是無法安全地生成和保管密鑰。在 TLS 協議中，應用數據都是經過對稱加密後傳輸的，傳輸中所使用的對稱密鑰，則是在握手階段通過非對稱密鑰交換而來。常見的 AES-GCM、ChaCha20-Poly1305，都是對稱加密算法。

非對稱密鑰交換能在不安全的數據通道中，產生只有通信雙方纔知道的對稱加密密鑰。目前最常用的密鑰交換算法有 RSA 和 ECDHE：RSA 歷史悠久，支持度好，但不支持 PFS（Perfect Forward Secrecy）；而 ECDHE 是使用了 ECC（橢圓曲線）的 DH（Diffie-Hellman）算法，計算速度快，支持 PFS。

只有非對稱密鑰交換，依然無法抵禦 MITM 攻擊，還得引入身份認證機制。對於大部分 HTTPS 網站來說，服務端一般通過 HTTP 應用層的帳號體系就能完成客戶端身份認證；而瀏覽器想要驗證服務端身份，需要用到服務端提供的證書。

在 RSA 密鑰交換中，瀏覽器使用證書提供的 RSA 公鑰加密相關信息，如果服務端能解密，意味着服務端擁有證書對應的私鑰，同時也能算出對稱加密所需密鑰。密鑰交換和服務端認證合併在一起。

在 ECDHE 密鑰交換中，服務端使用證書私鑰對相關信息進行簽名，如果瀏覽器能用證書公鑰驗證簽名，就說明服務端確實擁有對應私鑰，從而完成了服務端認證。密鑰交換和服務端認證是完全分開的。

可用於數字簽名的算法主要有 RSA 和 ECDSA，也就是目前密鑰交換 + 簽名主流選擇：

• RSA 密鑰交換（無需簽名）；
• ECDHE 密鑰交換、RSA 簽名；
• ECDHE 密鑰交換、ECDSA 簽名；
• ECDH 密鑰交換、RSA 簽名；
• ECDH 密鑰交換、ECDSA 簽名；

內置 ECDSA 公鑰的證書一般被稱之爲 ECC 證書，內置 RSA 公鑰的證書就是 RSA 證書。由於 256 位 ECC Key 在安全性上等同於 3072 位 RSA Key，加上 ECC 運算速度更快，ECDHE 密鑰交換 + ECDSA 數字簽名無疑是最好的選擇。由於同等安全條件下，ECC 算法所需的 Key 更短，所以 ECC 證書文件體積比 RSA 證書要小一些。

RSA 證書可以用於 RSA 密鑰交換（RSA 非對稱加密）或 ECDHE 密鑰交換（RSA 非對稱簽名）；而 ECC 證書只能用於 ECDHE 密鑰交換（ECDSA 非對稱簽名）。

並不是所有瀏覽器都支持 ECDHE 密鑰交換，也就是說 ECC 證書的兼容性要差一些。

完全正向保密

"Forward Secrecy" 或 "Perfect Forward Secrecy-完全正向保密" 協議描述了祕鑰協商（比如祕鑰交換）方法的特點。實際上這意味着及時你的服務器的祕鑰有危險，通訊僅有可能被一類人竊聽，他們必須設法獲的每次會話都會生成的祕鑰對。

完全正向保密是通過每次握手時爲祕鑰協商隨機生成密鑰對來完成（和所有會話一個 key 相反）。實現這個技術（提供完全正向保密-Perfect Forward Secrecy）的方法被稱爲 "ephemeral"。

通常目前有2個方法用於完成完全正向保密（Perfect Forward Secrecy）:

DHE - 一個迪菲-赫爾曼密鑰交換密鑰協議（Diffie Hellman key-agreement protocol）短暫（ephemeral）版本。

ECDHE - 一個橢圓曲線密鑰交換密鑰協議（ Elliptic Curve Diffie Hellman key-agreement protocol）短暫（ephemeral）版本。

短暫（ephemeral）方法有性能缺點，因爲生成 key 非常耗費資源。

以下內容參考文獻：TLS/SSL 協議詳解 (30) SSL中的RSA、DHE、ECDHE、ECDH流程與區別

RSA 密鑰交換算法

我們先來看看傳統的祕鑰交換算法—— RSA 祕鑰交換算法。它是不符合完全正向保密的，但是是我們上面講的經典祕鑰交換。

RSA的核心涉及公鑰私鑰的概念

• 使用公鑰加密的數據只有私鑰能解密
• 使用私鑰加密的數據只有公鑰能解密

我們構建這麼一種場景，服務器配置有公鑰+私鑰，客戶端是離散的。

RSA算法流程文字描述如下：

• 任意客戶端對服務器發起帶有隨機碼的請求，服務器發回另一個隨機碼和自己的公鑰到客戶端（公鑰明文傳輸）。
• 客戶端生成隨機碼，和前兩個隨機碼合併，使用隨機數算法生成一個密鑰 S，使用收到的公鑰進行加密，生成 C，把 C 發送到服務器。
• 服務器收到 C，使用公鑰對應的私鑰進行解密，得到 S。
• 上述交換步驟後，客戶端和服務器都得到了 S，S 爲密鑰（預主密鑰）。

我們來看看上述過程中，爲何第三方無法得到 S。首先第一步後，客戶端有公鑰，服務器有公鑰和私鑰。由於公鑰是明文傳輸的，所以可以假設第三方也有公鑰。

第二步後，客戶端發送 C，服務器能夠使用自己的私鑰進行解密，而第三方只有公鑰，無法解密。即第三方無法計算得到 S。

上述中，服務器發送的公鑰在 SSL 中是通過 certificate 報文發送的，certificate 中的包含了公鑰。C 是通過 Client key exchange 報文發送的。

其實，在實際 SSL 實際設計中，S 其實並沒有直接被當成密鑰加密，這裏爲了描述原理，省去了對 S 後續進行 KDF 哈希等操作，並不影響實際理解 RSA。

RSA 有一個問題，就是如果私鑰泄漏，即私鑰被第三方知道，那麼第三方就能從 C 中解密得到 S，即只要保存所有的 A 和 B 的報文，等到私鑰被泄漏的那一天，或者有辦法快從 C 中計算 S 的方法出現（量子計算機分解大素數），那麼 A 和 B 就沒有什麼私密性可言了。

這就是所謂的前向不安全，私鑰參與了密鑰交換，安全性取決於私鑰是否安全保存。

DHE 密鑰交換算法

DHE算法流程文字描述如下：

• 客戶端計算一個隨機值 Xa，使用 Xa 作爲指數，即計算 Pa = q^Xa mod p，其中 q 和 p 是全世界公認的一對值。客戶端把 Pa 發送至服務器，Xa 作爲自己私鑰，僅且自己知道。
• 服務器和客戶端計算流程一樣，生成一個隨機值 Xb，使用 Xb 作爲指數，計算 Pb = q^Xb mod p，將結果 Pb發送至客戶端，Xb 僅自己保存。
• 客戶端收到 Pb 後計算 Sa = Pb ^Xa mod p；服務器收到 Pa 後計算 Sb = Pa^Xb mod p
• 算法保證了 Sa = Sb = S，故密鑰交換成功，S 爲密鑰（預主密鑰）。

上述途中，Sa 和 Sb 得到的結果是相同的，即記爲 S。

上述密鑰交換流程中，和 RSA 密鑰交換有較大不同，DHE 密鑰交換時，服務器私鑰沒有參與進來。也就是說，私鑰即使泄漏，也不會導致會話加密密鑰 S 被第三方解密。

實際使用過程中，私鑰的功能被削弱到用來身份認證。

DHE 參數和 Pb 都是通過 server key exchange 發送給客戶端，Pa 通過 client key exchange 發送給服務器。server key exchange 的結尾處需要使用服務器私鑰對該報文本身進行簽名，以表明自己擁有私鑰。

ECDHE 密鑰交換算法

只要理解 DHE 密鑰交換原理，那麼理解 ECDHE 密鑰交換原理其實並不難（如果不想深究的話）。

ECDHE 的運算是把 DHE 中模冪運算替換成了點乘運算，速度更快，可逆更難。

ECDHE 算法流程文字描述如下：

• 客戶端隨機生成隨機值 Ra，計算 Pa(x, y) = Ra * Q(x, y)，Q(x, y) 爲全世界公認的某個橢圓曲線算法的基點。將 Pa(x, y) 發送至服務器。
• 服務器隨機生成隨機值 Pb，計算 Pb(x,y) = Rb * Q(x, y)。將 Pb(x, y) 發送至客戶端。
• 客戶端計算 Sa(x, y) = Ra * Pb(x, y)；服務器計算 Sb(x, y) = Rb *Pa(x, y)
• 算法保證了 Sa = Sb = S，提取其中的 S 的 x 向量作爲密鑰（預主密鑰）。

SSL 協議中，上圖中橢圓曲線名和 Pb 通過 server key exchange 報文發送；Pa 通過 client key exchange 報文發送。

ECDHE 與 ECDH 算法的區別

字面少了一個 E，E 代表了“臨時”，即在握手流程中，作爲服務器端，ECDH 少了一步計算 Pb 的過程，Pb 用證書中的公鑰代替，而證書對應的私鑰就是 Xb。由此可見，使用 ECDH 密鑰交換算法，服務器必須採用 ECC 證書；服務器不發送 server key exchange 報文，因爲發送 certificate 報文時，證書本身就包含了 Pb 信息。

ECDHE 與 RSA 的區別

ECDHE（DHE） 算法屬於 DH 類密鑰交換算法， 私鑰不參與密鑰的協商，故即使私鑰泄漏，客戶端和服務器之間加密的報文都無法被解密。由於 ECDHE 每條會話都重新計算一個密鑰（Ra、Rb），故一條會話被解密後，其他會話仍舊安全。

然而，ECDH 算法服務器端的私鑰是固定的，即證書的私鑰作爲 Rb，故 ECDH 不被認爲前向安全，因爲私鑰泄漏相當於 Rb 泄漏，Rb泄漏，導致會話密鑰可被第三方計算。

加密套件

以下內容來源：SSL協議中的加密套件

加密套件（CipherList）是指在 ssl 通信中，服務器和客戶端所使用的加密算法的組合。在 ssl 握手初期，客戶端將自身支持的加密套件列表發送給服務器；在握手階段，服務器根據自己的配置從中儘可能的選出一個套件，作爲之後所要使用的加密方式。這些算法包括：認證算法、密鑰交換算法、對稱算法和摘要算法等。

每種加密套件的名字裏包含了四部分信息，分別是:

• 第一部分是密鑰交換，用於決定客戶端與服務器之間在握手的過程中如何認證。使用非對稱加密算法來生成會話密鑰，因爲非對稱算法不會將重要數據在通信中傳輸。用到的算法包括 RSA，Diffie-Hellman，ECDH，PSK 等
• 第二部分是加密算法，主要是對傳輸的數據進行加密傳輸用的。一般有對稱加和非對稱加密，但是非對稱加密算法太耗性能，再者有些非對稱加密算法有內容長度的限制，所以真正要傳輸的數據會使用對稱加密來進行加密。算法名稱後通常會帶有兩個數字，分別表示密鑰的長度和初始向量的長度，比如 DES 56/56, RC2 56/128, RC4 128/128, AES 128/128, AES 256/256
• 第三部分是會話校驗（MAC）算法，爲了防止握手本身被竄改（這裏極容易和證書籤名算法混淆）。算法包括MD5，SHA等。
• 第四部分是 PRF（僞隨機數函數），用於生成“master secret”。

例如 TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA

從其名字可知，它是：

• 基於 TLS 協議的；
• 使用 ECDHE、RSA 作爲密鑰交換算法與證書籤名類型；
• 加密算法是 AES（密鑰和初始向量的長度都是 256）；
• MAC 算法（這裏就是哈希算法）是 SHA。

在客戶端和服務器端建立安全連接之前，雙方都必須指定適合自己的加密套件。加密套件的選擇可以通過組合的字符串來控制。
服務器在選擇算法時，會有優先級，是以客戶端提供的的爲最優，還是服務器端配置的爲最優。所謂的客戶端最優，就是根據客戶端提供的加密套件，從上到下，看是否有本地支持的，有的話則使用。所謂服務器端最優，就是服務器端根據自身配置的加密套件順序，一個個在 client hello 中找，找到了就使用。

其次，當服務器配置 ECC 證書時，加密套件只能選擇 XXX_ECDSA_XXX 或者 ECDH_XXX。當服務器配置 RSA 證書時，只能選擇 RSA_XXX 或者 ECDHE_RSA_XXX 形式的加密套件。

需要注意的是，如果加密套件選擇 ECDH_RSA 或者 ECDH_ECDSA 時，由於 ECDH 加密套件默認表明了握手需要 ECC 公鑰（即 ECC 證書的公鑰充當握手中 server key exchange 中的公鑰，證書的私鑰同樣也是握手過程中的私鑰，握手過程不需要 server key exchange），所以第二部分 _RSA 和 _ECDSA 表明的是想要的服務器證書籤名類型。

換句話說，CA 頒發的證書可以是用 CA 自己的 RSA 私鑰進行簽名的 RSA 證書，也可以用 CA 的 ECC 私鑰進行簽名的 ECC 證書。具體是哪個，取決於 CA 部門和申請證書的類別。

證書內部存儲的 CSR 的公鑰是具體申請證書人員生成的，可以是 RSA 算法的公鑰，也可以是 ECC 算法的公鑰。取決於提交給 CA 之前生成的 CSR 方法。

比如說服務器選擇了 ECDH_RSA 加密套件，但是發送的證書卻是 ECDSA 簽名的證書，雖然說證書籤名類型不影響整個握手，但是對於校驗嚴格的客戶端，這種情況可能會導致客戶端斷開鏈接。

加密套件也可以用字符串的形式，舉例：ALL:!ADH:RC4+RSA:+SSLv2:@STRENGTH

Openssl 定義了 4 中選擇符號：“＋”，“－”，“！”，“@”。其中，“＋”表示取交集；“－”表示臨時刪除一個算法；“！”表示永久刪除一個算法；“@“表示了排序方法。

多個描述之間可以用“：”、“，”、“ ”、“；”來分開。選擇加密套件的時候按照從左到的順序構成雙向鏈表，存放與內存中。

ALL:!ADH:RC4+RSA:+SSLv2:@STRENGTH 表示的意義是：

首先選擇所有的加密套件（不包含eNULL，即空對稱加密算法），然後在得到的雙向鏈表之中去掉身份驗證採用 DH 的加密套件；加入包含 RC4 算法並將包含 RSA 的加密套件放在雙向鏈表的尾部；再將支持 SSLV2 的加密套件放在尾部；最後得到的結果按照安全強度進行排序。

可以使用命令 ： openssl ciphers -V 'ALL:!ADH:RC4+RSA:+SSLv2:@STRENGTH' | column -t 來查看具體加密套件。