SSL 握手协议详解
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這里重點介紹一下服務(wù)端的驗證和密鑰交換。這個階段的前面的（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：
在開始SSl介紹之前，先給大家介紹幾個密碼學(xué)的概念和相關(guān)的知識。
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：取一個輸入文本，產(chǎn)生一個輸出文本。
- 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，密鑰交換是個大難題，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確定兩個大素數(shù)n和g，這兩個數(shù)不用保密 （2）Alice選擇另一個大隨機(jī)數(shù)x，并計算A如下：A=gx mod n （3）Alice將A發(fā)給Bob （4）Bob選擇另一個大隨機(jī)數(shù)y，并計算B如下：B=gy mod n （5）Bob將B發(fā)給Alice （6）計算秘密密鑰K1如下：K1=Bx mod n （7）計算秘密密鑰K2如下：K2=Ay mod n K1=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：兩個大素數(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)選擇兩個大素數(shù)P、Q (2)計算N=P*Q (3)選擇一個公鑰（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，明文PT計算密文CT如下：CT=PTE mod N (6)解密時，從密文CT計算明文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：
主要用于驗證數(shù)據(jù)的完整性，即保證時消息在發(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)字證書其實就是一個小的計算機(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連接通信時使用的第一個子協(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。
每個握手協(xié)議包含以下3個字段
（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）一個確定會話的會話ID。
（4）一個客戶端可以支持的密碼套件列表。
密碼套件格式：每個套件都以“SSL”開頭，緊跟著的是密鑰交換算法。用“With”這個詞把密鑰交換算法、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）一個用于生成主秘密的32字節(jié)的隨機(jī)數(shù)。（客戶端一個、服務(wù)端一個）
（3）會話ID
（4）從客戶端的密碼套件列表中選擇的一個密碼套件
（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、信息驗證和加密算法
（3）壓縮方法
（4）有關(guān)密鑰生成的兩個隨機(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
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這里重點介紹一下服務(wù)端的驗證和密鑰交換。這個階段的前面的（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：
這個方法中，服務(wù)器在它的第一個信息中，發(fā)送了RSA加密/解密公鑰證書。不過，因為預(yù)備主秘密是由客戶端在下一個階段生成并發(fā)送的，所以第二個信息是空的。注意，公鑰證書會進(jìn)行從服務(wù)器到客戶端的驗證。當(dāng)服務(wù)器收到預(yù)備主秘密時，它使用私鑰進(jìn)行解密。服務(wù)端擁有私鑰是一個證據(jù)，可以證明服務(wù)器是一個它在第一個信息發(fā)送的公鑰證書中要求的實體。
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。
下面也重點介紹一下RSA方式的客戶端驗證和密鑰交換。
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個消息來自客戶機(jī)，后2個消息來自服務(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需要有六個加密秘密：四個密鑰和兩個IV。為了信息的可信性，客戶端需要一個密鑰（HMAC），為了加密要有一個密鑰，為了分組加密要一個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連接提供兩個服務(wù)：
（1）保密性：使用握手協(xié)議定義的秘密密鑰實現(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、警報協(xié)議
客戶機(jī)和服務(wù)器發(fā)現(xiàn)錯誤時，向?qū)Ψ桨l(fā)送一個警報消息。如果是致命錯誤，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。每個警報消息共2個字節(jié)，第1個字節(jié)表示錯誤類型，如果是警報，則值為1，如果是致命錯誤，則值為2；第2個字節(jié)制定實際錯誤類型。
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！
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的SSL 握手协议详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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