SSL协议会话建立过程解析

标签：ssl协议

SSL协议 缩写 Secure SocketLayer，是一种制定的保证服务器和客户端安全通信的一种协议。最初是由Netscape 在1996年发布，由于一些安全的原因SSL v1.0和SSL v2.0都没有公开，直到1996年的SSL v3.0。TLS是SSL v3.0的升级版，目前市面上所有的HTTPS都是用的是TLS，而不是SSL。本文主要分析和讲解TLS。

HTTPS(Hyper TextTransfer Protocol over Secure Socket Layer)，是一种基于SSL/TLS的HTTP，所有的HTTP数据都是在SSL/TLS协议封装之上传输的。HTTPS协议在HTTP协议的基础上，添加了SSL/TLS握手以及数据加密传输，也属于应用层协议。所以，研究HTTPS协议原理，最终其实是研究SSL/TLS协议。

下面就结合HTTPS来说明一下TLS

TLS的握手阶段是发生在TCP握手之后。握手实际上是一种协商的过程，对协议所必需的一些参数进行协商。TLS握手过程分为四步，过程如下：（备注：图中加方括号的均为可选消息）

Client Hello

由于客户端(如浏览器)对一些加解密算法的支持程度不一样，但是在TLS协议传输过程中必须使用同一套加解密算法才能保证数据能够正常的加解密。在TLS握手阶段，客户端首先要告知服务端，自己支持哪些加密算法，所以客户端需要将本地支持的加密套件(Cipher Suite)的列表传送给服务端。除此之外，客户端还要产生一个随机数，这个随机数一方面需要在客户端保存，另一方面需要传送给服务端，客户端的随机数需要跟服务端产生的随机数结合起来产生后面要讲到的Master Secret。

Server Hello

上图中，从Server Hello到Server Done，有些服务端的实现是每条单独发送，有服务端实现是合并到一起发送。Sever Hello和Server Done都是只有头没有内容的数据。

服务端在接收到客户端的ClientHello之后，服务端需要从中选出一组加密算法与HASH算法，并将自己的身份信息以证书的形式发回给浏览器。证书里面包含了网站地址，加密公钥，以及证书的颁发机构等信息。这个证书是对于服务端的一种认证。证书是需要申请，并由专门的数字证书认证机构(CA)通过非常严格的审核之后颁发的电子证书。颁发证书的同时会产生一个私钥和公钥。私钥由服务端自己保存，不可泄漏。公钥则是附带在证书的信息中，可以公开的。证书本身也附带一个证书电子签名，这个签名用来验证证书的完整性和真实性，可以防止证书被串改。另外，证书还有个有效期。

在服务端向客户端发送的证书中没有提供足够的信息的时候，还可以向客户端发送一个Server Key Exchange。

此外，对于非常重要的保密数据，服务端还需要对客户端进行验证，以保证数据传送给了安全的合法的客户端。服务端可以向客户端发出Cerficate Request消息，要求客户端发送证书对客户端的合法性进行验证。

跟客户端一样，服务端也需要产生一个随机数发送给客户端。客户端和服务端都需要使用这两个随机数来产生Master Secret。

最后服务端会发送一个ServerHello Done消息给客户端，表示Server Hello消息结束了。

Client KeyExchange

如果服务端需要对客户端进行验证，在客户端收到服务端的Server Hello消息之后，首先需要向服务端发送客户端的证书，让服务端来验证客户端的合法性。

在此之前的所有TLS握手信息都是明文传送的。在收到服务端的证书等信息之后，客户端会使用一些加密算法(例如：RSA, Diffie-Hellman)产生一个48个字节的Key，这个Key叫PreMaster Secret，很多材料上也被称作PreMaster Key, 最终通过Master secret生成session secret， session secret就是用来对应用数据进行加解密的。PreMaster secret属于一个保密的Key，只要截获PreMaster secret，就可以通过之前明文传送的随机数，最终计算出session secret，所以PreMaster secret使用RSA非对称加密的方式，使用服务端传过来的公钥进行加密，然后传给服务端。

Client Certificate 验证

接着，客户端需要对接收到的服务端的证书进行检查。

a) 验证证书的合法性（颁发证书的机构是否合法，证书中包含的网站地址是否与正在访问的地址一致等），如果证书受信任，则浏览器栏里面会显示一个小锁头，否则会给出证书不受信的提示。

b) 如果证书受信任，或者是用户接受了不受信的证书，浏览器会生成一串随机数的密码，并用证书中提供的公钥加密。

c) 使用约定好的HASH计算握手消息，并使用生成的随机数对消息进行加密，最后将之前生成的所有信息发送给网站。

ChangeCipherSpec是一个独立的协议，体现在数据包中就是一个字节的数据，用于告知服务端，客户端已经切换到之前协商好的加密套件的状态，准备使用之前协商好的加密套件加密数据并传输了。

在ChangecipherSpec传输完毕之后，客户端会使用之前协商好的加密套件和session secret加密一段Finish的数据传送给服务端，此数据是为了在正式传输应用数据之前对刚刚握手建立起来的加解密通道进行验证。

Server Finish

服务端在接收到客户端传过来的PreMaster加密数据之后，使用私钥对这段加密数据进行解密，并对数据进行验证，也会使用跟客户端同样的方式生成session secret，一切准备好之后，会给客户端发送一个ChangeCipherSpec，告知客户端已经切换到协商过的加密套件状态，准备使用加密套件和session secret加密数据了。之后，服务端也会使用session secret加密后一段Finish消息发送给客户端，以验证之前通过握手建立起来的加解密通道是否成功。

根据之前的握手信息，如果客户端和服务端都能对Finish信息进行正常加解密且消息正确的被验证，则说明握手通道已经建立成功，接下来，双方可以使用上面产生的session secret对数据进行加密传输了。

应用数据传输

这里浏览器与网站互相发送加密的握手消息并验证，目的是为了保证双方都获得了一致的密码，并且可以正常的加密解密数据，为后续真正数据的传输做一次测试。

在所有的握手阶段都完成之后，就可以开始传送应用数据了。应用数据在传输之前，首先要附加上MAC secret，然后再对这个数据包使用write encryption key进行加密。在服务端收到密文之后，使用Client write encryption key进行解密，客户端收到服务端的数据之后使用Serverwrite encryption key进行解密，然后使用各自的write MAC key对数据的完整性包括是否被串改进行验证。

另外，HTTPS一般使用的加密与HASH算法如下：

非对称加密算法：RSA，DSA/DSS

对称加密算法：AES，RC4，3DES

HASH算法：MD5，SHA1，SHA256

其中非对称加密算法用于在握手过程中加密生成的密码，对称加密算法用于对真正传输的数据进行加密，而HASH算法用于验证数据的完整性。由于浏览器生成的密码是整个数据加密的关键，因此在传输的时候使用了非对称加密算法对其加密。非对称加密算法会生成公钥和私钥，公钥只能用于加密数据，因此可以随意传输，而网站的私钥用于对数据进行解密，所以网站都会非常小心的保管自己的私钥，防止泄漏。

总结

讲到这里，SSL/TLS的原理，实际上是HTTPS的原理讲解完毕。

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