《HTTPS權威指南》- SSL、TLS和密碼學學習筆記

iOS要開始強制推行HTTPS了，你們都開始學習HTTPS的相關知識，網上不少博文一上來就講對稱加密，非對稱加密，AES，RSA，和TLS和SSL協議。對於我這種沒怎麼深刻過網絡層的人來講全靠背！理解起來至關痛苦。尤爲是對稱加密，非對稱加密，私鑰加密，公鑰加密，證書，數字簽名，TLS和SSL是用來幹嗎的，他們之間的關係，協議握手爲啥要那麼多，繞來繞去的，真是傻傻分不清楚。

這篇筆記就是爲了理解上面所說的那些概念，知道上面提到的名詞究竟是啥意思，之間啥關係，以及最重要最重要的，爲何協議要那麼多步驟，這些步驟存在的意思是什麼，他爲何就能實現安全性？他又是怎樣實現安全性的？

目錄：

• 網絡層-OSI模型層
• TLS和SSL之間的關係
• 對稱加密（私鑰加密）
• 非對稱加密（公鑰加密）
• 數字簽名
• 協議
• 名稱簡寫及全稱

網絡層：

OSI模型層：

層號	OSI層	描述	協議示例
7	應用層	應用數據	HTTP、SMTP、IMAP
6	表示層	數據表示、轉換和加密	SSL/TLS
5	會話層	多鏈接管理	-
4	傳輸層	包或流的可靠傳輸	TCP、UDP
3	網絡層	網絡節點間的路由與數據分發	IP、IPSec
2	數據鏈路層	可靠的本地數據鏈接（LAN）	以太網
1	物理層	直接物理數據鏈接（電纜）	CAT5

TLS和SSL之間的關係：

SSL協議由Netscape公司開發
1995年年末發佈SSL3
1996年5月TLS工做組成立，開始講SLL從Netscape遷移至IETF
1999年1月TLS1.0面市，爲了取悅Microsoft，協議進行了改名（從SSL更成TLS）
2006年4月，TLS1.1問世
...

對稱加密（私鑰加密）

概念：是一種 混淆算法，能讓數據在非安全信道上進行安全通訊。爲了保證通訊安全，首先要獲得 雙方都承認的加密算法和密鑰（雙方的密鑰相同）。
密鑰與加密算法：
數據在非安全信道上進行安全通訊。爲了保證通訊安全，要用到 密鑰和 加密算法。
爲什麼要密鑰？
即便攻擊者知曉了整個密碼系統 除密鑰之外的全部情報，系統仍然應當能保證安全

• 若是加密算法要獲得普遍使用，就必須讓其餘人知道，當愈來愈多的人知道，那敵人知道的可能性就會增長。
• 沒有密鑰的簡單算法不便於在大羣體中使用，每一個人均可以解密全部人的通訊。
• 設計出優秀的加密算法很是困難，一種算法想要更安全，就得通過更多的曝光和審視。

若是加密算法足夠優秀，攻擊者只有一種方法，那就是嘗試全部可能的解碼密鑰，俗稱窮舉密鑰搜索（exhaustive key search），基於這一點，咱們能夠說密文的安全性徹底取決於密鑰，咱們經過密鑰長度來衡量加密強度，如128位的密鑰有34*10^37種可能的組合。

密碼：

• 序列密碼
  核心：生成一串稱爲密鑰序列的無窮序列
  加密過程：將密鑰序列中的1字節與明文序列中的1字節進行異或操做
  解密過程：由於異或操做可逆，將密文序列中的1字節與密鑰序列中的相同字節進行異或操做。
  關鍵點：序列密碼決不能第二次相同的密鑰
  熟知的序列密碼：RC4（簡單，但以再也不安全）
• 分組密碼
  核心：每次加密一整塊數據，只要使用相同的密鑰，每個可能的輸入組合都有惟一的輸出。所以在輸入上製造一個小變化（例如在任意一處變換1位），從而獲得大量變體。
  加密過程：接受輸入並生成看似雜亂無章的輸出。
  問題1：只能使用它們加密長度等於加密塊大小的數據。所以須要一個方法處理任意長度的數據（填充）
  問題2：對於相同的輸入，輸出是相同的，這種特性使許多攻擊成爲可能。
  實踐中的應用：使用分組密碼模式的加密方案（後面有說明）來使用分組密碼，來避免分組算法的問題，做爲其餘加密基元的基礎來使用（例如散列函數，消息驗證，僞隨機數生成器，甚至序列密碼）
  熟知的分組密碼：AES
  • 填充
    追加額外的數據到明文的結尾，在TLS中，加密塊的最後1字節包含填充長度，指示填充多少字節（不包含填充長度字節）

散列函數：
定義：將任意長度的輸入轉化爲定長度的輸出，散列函數的結果成爲散列，適用於密碼學的散列函數有如下特性：

• 單向性：給定一個散列，沒法找到或者構造出生成它的信息。
• 弱抗碰撞性：給定一條消息和散列，沒法找到一條不一樣的消息具備相同的散列。
• 強抗碰撞性：計算上沒法找到兩條散列相同的信息。

使用場合：以緊湊的方式表示並比較大量數據，例如比較兩個文件。常常被稱爲指紋，信息摘要（簡單稱爲摘要）
熟知的散列函數：SHA1，SHA256

散列函數的強度最多隻是散列長度的一半

消息驗證代碼：
在數據的散列與數據自己分開傳輸時（以防攻擊者能夠同時修改數據和散列），散列函數能夠用於驗證數據完整性。
用身份驗證擴展了散列函數的密碼學函數：

• MAC：只有擁有散列密鑰，才能生成合法的MAC
  一般與加密算法一塊兒使用，若是沒有MAC，那攔截者即便沒法解碼密文，也能修改密文。
• 密鑰的散列（keyed-hash）：HMAC，將散列密鑰和消息以一種安全的方式交織在一塊兒。

分組密碼模式：
爲了加密任意長度的數據而設置的密碼學方案。是分組密碼的擴展。因此的分組密碼模式都支持機密性。不過有些將其與身份驗證鏈接在一塊兒，有些模式會將分組密碼直接轉成序列密碼。
它有多種輸出模式（如下只舉出2個）：

• 電碼本模式（ECB）
  核心：是最簡單的分組密碼模式，它只支持數據長度正好是塊大小的整數倍的狀況，若是數據不知足這個條件就要事先填充。加密就是將數據按塊大小切分，而後分別加密每一塊。
  劣勢：由於分組密碼是肯定的（輸入相同，輸出也相同），一、密文中出現的模式對應明文中出現的模式。二、攻擊者能夠發現信息是否重複。三、攻擊者能夠觀察密文，並提交任意明文進行加密
• 加密塊連接模式（CBC）
  基於ECB，SSl和TLS的主要模式，整個過程開始於生成一個隨機初始向量IV，長度與加密塊相等，加密前，明文的第一塊內容與IV進行異或操做，這一步對明文作了掩飾，並保證密文不盡相同。對於下一個加密塊使用上一個塊的密文做爲IV，以此類推。

  必須經過線路傳輸到接收端，這是解密必須的。

非對稱加密（公鑰加密）

爲何要有非對稱加密？
對稱加密沒法知足如下條件：

• 隨着使用它的團體成員增長，團體中的成員要共享同一個密鑰，所以出現問題的概率變大了
• 咱們能夠兩兩一個密鑰，這樣3我的就須要3個密鑰，10我的就須要45個密鑰，1000我的就須要49500個密鑰！

而非對稱加密能夠解決以上問題。
使用兩個密鑰，公鑰和私鑰，兩個密鑰之間存在必定的數學關係。
使用公鑰加密，只有對應的私鑰能解。
使用私鑰加密，任何人均可以用他們相應的公鑰解密（不提供機密性，能夠用做數字簽名）。
使用說明：你能夠普遍並安全的分享你的公鑰，那麼任何人均可以想你發送信息，只有你能夠閱讀。若是他們使用各自的私鑰簽名，你還能夠精確的知道消息出自何人之手。

注意：雖然公鑰密碼的屬性很是有趣，但它很是緩慢，不適用於數據量大的場景，所以每每部署於身份驗證和共享祕密的協商，這些祕密後續用於快速的對稱加密。

數字簽名

前面說過MAC就是一種電子簽名，它可使用事先安全交換的 散列密鑰驗證真實性，雖然這種校驗很是有用，但仍有不足，由於它仍然依賴於一個私有密鑰。
藉助於公鑰密碼，數字簽名能夠實現與現實生活中的手寫簽名相似，咱們能夠利用公鑰密碼的非對稱性設計出一種算法，使用私鑰對信息進行簽名，並使用對應的公鑰驗證它。
實際的方式依照選擇公鑰的驗證密碼而不一樣，下面以RSA爲例：
簽名過程：
一、將須要簽名的文檔用散列函數獲得散列。
二、將散列和一些元數據進行編碼，例如使用的散列算法。
三、將編碼使用私鑰加密，其結果就是簽名。
四、追加到文檔中做爲驗證的依據。
驗證過程：
一、接收方接收文檔，並用相同的散列算法算出散列。
二、使用公鑰解密，將散列解碼出來。
三、對比散列算法是否正確，散列的值是否一致。
RSA的強度取決於加密，散列以及編碼組件各自的強度。

協議

加密基元自己沒有什麼用，例如加密和散列算法。咱們只有將這些元素組合成方案和協議才能知足複雜的安全需求。

實例場景：
Alice和Bob要通訊。Mallory是個攻擊者。
咱們假設協議容許交換任意數量的消息。由於對稱加密擅長對大量數據進行加密，因此選取咱們最喜歡的AES算法來進行數據加密。使用AES，Alice和Bob能夠安全的交換消息，Malloc看不到他們通訊的內容。可是這還不夠，由於Malloc還能夠幹其它事情，例如神不知鬼不覺的修改消息。爲了解決這個問題，咱們使用只有Alice和Bob知道的散列密鑰計算每一個消息的MAC，在發送消息的同時，也發送消息的MAC。這時Mallory不再能修改消息了，然而他仍然能夠丟棄或者重發任意消息。爲了解決這個問題，咱們擴展協議，爲每條消息標記指定序號。最爲重要的是，咱們將序號做爲MAC計算數據的一部分。若是發現序號出現空缺，就能知道消息丟了。若是發現序號重複，就檢測重放攻擊。爲了獲得最佳效果，咱們使用某個特殊消息來標記會話結束。若是沒有這個消息，Mallory可以悄悄的結束（截斷）會話。若是全部措施以到位，Mallory最多隻能作到阻止Alice和Bob與其餘人通訊。咱們對此無能爲力。

到目前爲止，有一大塊缺失：Alice和Bob如何協商獲得須要的兩個密鑰（一個用於加密（AES的密鑰），一個用於檢測完整性（MAC的密鑰）），同時還要小心Mallory？咱們經過爲協議添加兩個步驟來解決這個問題：

• 使用公鑰密碼對會話進行身份驗證。
  舉個例子，Alice生成一個隨機數，要求Bob對其簽名以證實真的是他，Bob也要求Alice作一樣的事情。
• 使用密鑰交換方案對加密密鑰進行祕密協商。
  舉個例子，Alice能夠生成全部密鑰，使用Bob的公鑰加密，再發送給Bob，這就是RSA密鑰交換的工做方式。

最後咱們協議完工時的狀態是：

• 以握手階段開始，包括身份驗證和密鑰交換
• 數據交換階段，保存機密性和完整性
• 以關閉序列結束。

站在宏觀的角度看，咱們的協議與SSL和TLS完成的工做類似。

名詞簡寫及全稱：

SSL：secure socket layer 安全套接字層
TLS：transport layer security 傳輸層安全
IP：internet protocol 網絡協議
TCP：transmission control protocol 傳輸控制協議
PKI：public key infrastructure 公鑰基礎設施
OSI：open systems interconnection 開放系統互聯模型
AES：advanced encryption standard 高級加密標準
MAC：message authentication code 消息驗證代碼
HMAC：hash-based message authentication 基於散列的消息驗證代碼
CBC：cipher block chaining 加密塊連接
RSA： en.wikipedia.org/wiki/RSA
ECB：electromic codebook 電碼本
CBC：cipher block chaining 加密塊連接
IV：initialization vector 初始向量

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