TLS協議原理

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一、SSL協議的握手過程

開始加密通信之前,客戶端和服務器首先必須建立連接和交換參數,這個過程叫做握手(handshake)。
假定客戶端叫做愛麗絲,服務器叫做鮑勃,整個握手過程可以用下圖說明。
這裏寫圖片描述
握手階段分成五步。
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),用來加密接下來的整個對話過程。
上面的五步,畫成一張圖,就是下面這樣。
這裏寫圖片描述

二、私鑰的作用

握手階段有三點需要注意。
(1)生成對話密鑰一共需要三個隨機數。
(2)握手之後的對話使用”對話密鑰”加密(對稱加密),服務器的公鑰和私鑰只用於加密和解密”對話密鑰”(非對稱加密),無其他作用。
(3)服務器公鑰放在服務器的數字證書之中。
從上面第二點可知,整個對話過程中(握手階段和其後的對話),服務器的公鑰和私鑰只需要用到一次。這就是CloudFlare能夠提供Keyless服務的根本原因。
某些客戶(比如銀行)想要使用外部CDN,加快自家網站的訪問速度,但是出於安全考慮,不能把私鑰交給CDN服務商。這時,完全可以把私鑰留在自家服務器,只用來解密對話密鑰,其他步驟都讓CDN服務商去完成。
這裏寫圖片描述
上圖中,銀行的服務器只參與第四步,後面的對話都不再會用到私鑰了。

三、DH算法的握手階段

整個握手階段都不加密(也沒法加密),都是明文的。因此,如果有人竊聽通信,他可以知道雙方選擇的加密方法,以及三個隨機數中的兩個。整個通話的安全,只取決於第三個隨機數(Premaster secret)能不能被破解。
雖然理論上,只要服務器的公鑰足夠長(比如2048位),那麼Premaster secret可以保證不被破解。但是爲了足夠安全,我們可以考慮把握手階段的算法從默認的RSA算法,改爲 Diffie-Hellman算法(簡稱DH算法)。
採用DH算法後,Premaster secret不需要傳遞,雙方只要交換各自的參數,就可以算出這個隨機數。
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上圖中,第三步和第四步由傳遞Premaster secret變成了傳遞DH算法所需的參數,然後雙方各自算出Premaster secret。這樣就提高了安全性。
四、session的恢復
握手階段用來建立SSL連接。如果出於某種原因,對話中斷,就需要重新握手。
這時有兩種方法可以恢復原來的session:一種叫做session ID,另一種叫做session ticket。
session ID的思想很簡單,就是每一次對話都有一個編號(session ID)。如果對話中斷,下次重連的時候,只要客戶端給出這個編號,且服務器有這個編號的記錄,雙方就可以重新使用已有的”對話密鑰”,而不必重新生成一把。
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上圖中,客戶端給出session ID,服務器確認該編號存在,雙方就不再進行握手階段剩餘的步驟,而直接用已有的對話密鑰進行加密通信。
session ID是目前所有瀏覽器都支持的方法,但是它的缺點在於session ID往往只保留在一臺服務器上。所以,如果客戶端的請求發到另一臺服務器,就無法恢復對話。session ticket就是爲了解決這個問題而誕生的,目前只有Firefox和Chrome瀏覽器支持。
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上圖中,客戶端不再發送session ID,而是發送一個服務器在上一次對話中發送過來的session ticket。這個session ticket是加密的,只有服務器才能解密,其中包括本次對話的主要信息,比如對話密鑰和加密方法。當服務器收到session ticket以後,解密後就不必重新生成對話密鑰了。

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