SSL协议具体解释

背景介绍   

近期在看《password学与网络安全》相关的书籍，这篇文章主要具体介绍一下著名的网络安全协议SSL。

     在開始SSl介绍之前，先给大家介绍几个password学的概念和相关的知识。

    1、password学的相关概念

password学(cryptography)：目的是通过将信息编码使其不可读，从而达到安全性。
明文(plain text)：发送人、接受人和不论什么訪问消息的人都能理解的消息。
密文(cipher text)：明文消息经过某种编码后，得到密文消息。
加密(encryption)：将明文消息变成密文消息。
解密(decryption)：将密文消息变成明文消息。
算法：取一个输入文本，产生一个输出文本。
加密算法：发送方进行加密的算法。
解密算法：接收方进行解密的算法。
密钥(key)：仅仅有发送方和接收方理解的消息
对称密钥加密(Symmetric Key Cryptography)：加密与解密使用同样密钥。
非对称密钥加密(Asymmetric Key Cryptography)：加密与解密使用不同密钥。

    2、相关的加密算法介绍

DES算法即数据加密标准，也称为数据加密算法。加密步骤例如以下：

在SSL中会用到分组DES、三重DES算法等加密算法对数据进行加密。当然能够选用其它非DES加密算法，视情况而定，后面会具体介绍。

3、密钥交换算法

      使用对称加密算法时，密钥交换是个大难题，所以Diffie和Hellman提出了著名的Diffie-Hellman密钥交换算法。

     Diffie-Hellman密钥交换算法原理：

（1）Alice与Bob确定两个大素数n和g，这两个数不用保密

（2）Alice选择还有一个大随机数x，并计算A例如以下：A=gx mod n

（3）Alice将A发给Bob

（4）Bob  选择还有一个大随机数y，并计算B例如以下：B=gy mod n

（5）Bob将B发给Alice

（6）计算秘密密钥K1例如以下：K1=Bx mod n

（7）计算秘密密钥K2例如以下：K2=Ay mod n

  K1=K2，因此Alice和Bob能够用其进行加解密

RSA加密算法是基于这种数学事实：两个大素数相乘easy，而对得到的乘积求因子则非常难。加密步骤例如以下：

(1)选择两个大素数P、Q
(2)计算N=P*Q
(3)选择一个公钥（加密密钥）E，使其不是(P-1)与(Q-1)的因子
(4)选择私钥（解密密钥）D，满足例如以下条件：
          (D*E) mod (P-1)(Q-1)=1
(5)加密时，明文PT计算密文CT例如以下：
          CT=PTE mod N
(6)解密时，从密文CT计算明文PT例如以下：
          PT=CTDmodN 这也是SSL中会用一种密钥交换算法。

 

3、散列算法： 

主要用于验证数据的完整性，即保证时消息在发送之后和接收之前没有被篡改对于SSL中使用到的散列算法有MD5、SHA-1。

4、数字证书：

 数字证书事实上就是一个小的计算机文件，其作用类似于我们的身份证、护照，用于证明身份，在SSL中，使用数字证书来证明自己的身份，而不是伪造的。

5、简单的总结：

在SSL中会使用密钥交换算法交换密钥；使用密钥对数据进行加密；使用散列算法对数据的完整性进行验证，使用数字证书证明自己的身份。好了，以下開始介绍SSL协议。

SSL介绍：

安全套接字（Secure Socket Layer，SSL）协议是Web浏览器与Webserver之间安全交换信息的协议，提供两个主要的安全服务：鉴别与保密。

SSL是Netscape于1994年开发的，后来成为了世界上最著名的web安全机制，全部基本的浏览器都支持SSL协议

眼下有三个版本号：2、3、3.1，最经常使用的是第3版，是1995年公布的。

SSL协议的三个特性

① 保密：在握手协议中定义了会话密钥后，全部的消息都被加密。

② 鉴别：可选的client认证，和强制的server端认证。

③ 完整性：传送的消息包含消息完整性检查（使用MAC）。

SSL的位置

SSL介于应用层和TCP层之间。应用层数据不再直接传递给传输层，而是传递给SSL层，SSL层对从应用层收到的数据进行加密，并添加自己的SSL头。

 

SSL的工作原理

握手协议（Handshake protocol）

记录协议（Record protocol）

警报协议（Alert protocol）

1、握手协议

握手协议是客户机和server用SSL连接通信时使用的第一个子协议，握手协议包含客户机与server之间的一系列消息。SSL中最复杂的协议就是握手协议。该协议同意server和客户机相互验证，协商加密和MAC算法以及保密密钥，用来保护在SSL记录中发送的数据。握手协议是在应用程序的传输数据之前使用的。

每一个握手协议包括下面3个字段
（1）Type：表示10种消息类型之中的一个
（2）Length：表示消息长度字节数
（3）Content：与消息相关的參数

握手协议的4个阶段

1.1建立安全能力

    SSL握手的第一阶段启动逻辑连接，建立这个连接的安全能力。首先客户机向server发出client hello消息并等待server响应，随后server向客户机返回server hello消息，对client hello消息中的信息进行确认。
    Client hello消息包含Version，Random，Session id，Cipher suite，Compression method等信息。

ClientHello 客户发送CilentHello信息，包括例如以下内容：

（1）client能够支持的SSL最高版本

（2）一个用于生成主秘密的32字节的随机数。（等会介绍主秘密是什么）

（3）一个确定会话的会话ID。

（4）一个client能够支持的password套件列表。

    password套件格式：每一个套件都以“SSL”开头，紧跟着的是密钥交换算法。用“With”这个词把密钥交换算法、加密算法、散列算法分开，比如：SSL_DHE_RSA_WITH_DES_CBC_SHA,表示把DHE_RSA(带有RSA数字签名的临时Diffie-HellMan)定义为密钥交换算法；把DES_CBC定义为加密算法；把SHA定义为散列算法。

（5）一个client能够支持的压缩算法列表。

 ServerHello server用ServerHello信息应答客户，包含下列内容

（1）一个SSL版本。取client支持的最高版本和服务端支持的最高版本中的较低者。

（2）一个用于生成主秘密的32字节的随机数。（client一个、服务端一个）

（3）会话ID

（4）从client的password套件列表中选择的一个password套件

（5）从client的压缩方法的列表中选择的压缩方法

这个阶段之后，client服务端知道了下列内容：

（1）SSL版本号

（2）密钥交换、信息验证和加密算法

（3）压缩方法

（4）有关密钥生成的两个随机数。

1.2 server鉴别与密钥交换

 server启动SSL握手第2阶段，是本阶段全部消息的唯一发送方，客户机是全部消息的唯一接收方。该阶段分为4步：
（a）证书：server将数字证书和到根CA整个链发给client，使client能用server证书中的server公钥认证server。
（b）server密钥交换（可选）：这里视密钥交换算法而定
（c）证书请求：服务端可能会要求客户自身进行验证。
（d）server握手完毕：第二阶段的结束，第三阶段開始的信号

这里重点介绍一下服务端的验证和密钥交换。这个阶段的前面的（a）证书 和（b）server密钥交换是基于密钥交换方法的。而在SSL中密钥交换算法有6种：无效（没有密钥交换）、RSA、匿名Diffie-Hellman、临时Diffie-Hellman、固定Diffie-Hellman、Fortezza。

在阶段1过程client与服务端协商的过程中已经确定使哪种密钥交换算法。

假设协商过程中确定使用RSA交换密钥，那么步骤例如以下图：

这种方法中，server在它的第一个信息中，发送了RSA加密/解密公钥证书。只是，由于预备主秘密是由client在下一个阶段生成并发送的，所以第二个信息是空的。注意，公钥证书会进行从server到client的验证。当server收到预备主秘密时，它使用私钥进行解密。服务端拥有私钥是一个证据，能够证明server是一个它在第一个信息发送的公钥证书中要求的实体。

其它的几种密钥交换算法这里就不介绍了。能够參考Behrouz A.Forouzan著的《password学与网络安全》。

 1.3 客户机鉴别与密钥交换：

 

客户机启动SSL握手第3阶段，是本阶段全部消息的唯一发送方，server是全部消息的唯一接收方。该阶段分为3步：

（a）证书（可选）：为了对server证明自身，客户要发送一个证书信息，这是可选的，在IIS中能够配置强制client证书认证。

（b）客户机密钥交换（Pre-master-secret）：这里client将预备主密钥发送给服务端，注意这里会使用服务端的公钥进行加密。

（c）证书验证（可选），对预备秘密和随机数进行签名，证明拥有（a）证书的公钥。

以下也重点介绍一下RSA方式的client验证和密钥交换。

这样的情况，除非server在阶段II明白请求，否则没有证书信息。client密钥交换方法包含阶段II收到的由RSA公钥加密的预备主密钥。

阶段III之后，客户要有server进行验证，客户和server都知道预备主密钥。

1.4 完毕

客户机启动SSL握手第4阶段，使server结束。该阶段分为4步，前2个消息来自客户机，后2个消息来自server。

1.5密钥生成的过程

这样握手协议完毕，以下看下什么是预备主密钥，主密钥是怎么生成的。为了保证信息的完整性和机密性，SSL须要有六个加密秘密：四个密钥和两个IV。为了信息的可信性，client须要一个密钥（HMAC），为了加密要有一个密钥，为了分组加密要一个IV，服务也是如此。SSL须要的密钥是单向的，不同于那些在其它方向的密钥。假设在一个方向上有攻击，这样的攻击在其它方向是没影响的。生成步骤例如以下：

 

 

 

 

2、记录协议 

记录协议在客户机和server握手成功后使用，即客户机和server鉴别对方和确定安全信息交换使用的算法后，进入SSL记录协议，记录协议向SSL连接提供两个服务：

（1）保密性：使用握手协议定义的秘密密钥实现

（2）完整性：握手协议定义了MAC，用于保证消息完整性

记录协议的过程：

 3、警报协议

客户机和server发现错误时，向对方发送一个警报消息。假设是致命错误，则算法马上关闭SSL连接，两方还会先删除相关的会话号，秘密和密钥。每一个警报消息共2个字节，第1个字节表示错误类型，假设是警报，则值为1，假设是致命错误，则值为2；第2个字克制定实际错误类型。

总结

SSL中，使用握手协议协商加密和MAC算法以及保密密钥 ，使用握手协议对交换的数据进行加密和签名，使用警报协议定义传输数据过程中，出现故障怎样去解决。

整个过程比較复杂，假设大家有不理解和我叙述不周的地方，欢迎大家指正出来！