【轉】SSL協議詳解

做者：朱祁林 出處：http://zhuqil.cnblogs.com

原文連接

背景介紹   

最近在看《密碼學與網絡安全》相關的書籍，這篇文章主要詳細介紹一下著名的網絡安全協議SSL。

     在開始SSl介紹以前，先給你們介紹幾個密碼學的概念和相關的知識。

    一、密碼學的相關概念

密碼學(cryptography)：目的是經過將信息編碼使其不可讀，從而達到安全性。
明文(plain text)：發送人、接受人和任何訪問消息的人都能理解的消息。
密文(cipher text)：明文消息通過某種編碼後，獲得密文消息。
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，產生一個輸出文本。
加密算法：發送方進行加密的算法。
解密算法：接收方進行解密的算法。
密鑰(key)：只有發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)：加密與解密使用不一樣密鑰。

    二、相關的加密算法介紹

DES算法即數據加密標準，也稱爲數據加密算法。加密過程以下：

在SSL中會用到分組DES、三重DES算法等加密算法對數據進行加密。固然能夠選用其餘非DES加密算法，視狀況而定，後面會詳細介紹。

三、密鑰交換算法

      使用對稱加密算法時，密鑰交換是個大難題，因此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肯定兩個大素數n和g，這兩個數不用保密

（2）Alice選擇另外一個大隨機數x，並計算A以下：A=gx mod n

（3）Alice將A發給Bob

（4）Bob  選擇另外一個大隨機數y，並計算B以下：B=gy mod n

（5）Bob將B發給Alice

（6）計算祕密密鑰K1以下：K1=Bx mod n

（7）計算祕密密鑰K2以下：K2=Ay mod n

  K1=K2，所以Alice和Bob能夠用其進行加解密

RSA加密算法是基於這樣的數學事實：兩個大素數相乘容易，而對獲得的乘積求因子則很難。加密過程以下：

(1)選擇兩個大素數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，知足以下條件：
          (D*E) mod (P-1)(Q-1)=1
(5)加密時，明文PT計算密文CT以下：
          CT=PTE mod N
(6)解密時，從密文CT計算明文PT以下：
          PT=CTDmodN 這也是SSL中會用一種密鑰交換算法。

 

三、散列算法： 

主要用於驗證數據的完整性，即保證時消息在發送以後和接收以前沒有被篡改對於SSL中使用到的散列算法有MD五、SHA-1。

四、數字證書：

 數字證書其實就是一個小的計算機文件，其做用相似於咱們的身份證、護照，用於證實身份，在SSL中，使用數字證書來證實本身的身份，而不是僞造的。

五、簡單的總結：

在SSL中會使用密鑰交換算法交換密鑰；使用密鑰對數據進行加密；使用散列算法對數據的完整性進行驗證，使用數字證書證實本身的身份。好了，下面開始介紹SSL協議。

SSL介紹：

安全套接字（Secure Socket Layer，SSL）協議是Web瀏覽器與Web服務器之間安全交換信息的協議，提供兩個基本的安全服務：鑑別與保密。

SSL是Netscape於1994年開發的，後來成爲了世界上最著名的web安全機制，全部主要的瀏覽器都支持SSL協議

目前有三個版本：2、3、3.1，最經常使用的是第3版，是1995年發佈的。

SSL協議的三個特性

① 保密：在握手協議中定義了會話密鑰後，全部的消息都被加密。

② 鑑別：可選的客戶端認證，和強制的服務器端認證。

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介於應用層和TCP層之間。應用層數據再也不直接傳遞給傳輸層，而是傳遞給SSL層，SSL層對從應用層收到的數據進行加密，並增長本身的SSL頭。

 

SSL的工做原理

握手協議（Handshake protocol）

記錄協議（Record protocol）

警報協議（Alert protocol）

一、握手協議

握手協議是客戶機和服務器用SSL鏈接通訊時使用的第一個子協議，握手協議包括客戶機與服務器之間的一系列消息。SSL中最複雜的協議就是握手協議。該協議容許服務器和客戶機相互驗證，協商加密和MAC算法以及保密密鑰，用來保護在SSL記錄中發送的數據。握手協議是在應用程序的數據傳輸以前使用的。

每一個握手協議包含如下3個字段
（1）Type：表示10種消息類型之一
（2）Length：表示消息長度字節數
（3）Content：與消息相關的參數

握手協議的4個階段

1.1創建安全能力

    SSL握手的第一階段啓動邏輯鏈接，創建這個鏈接的安全能力。首先客戶機向服務器發出client hello消息並等待服務器響應，隨後服務器向客戶機返回server hello消息，對client hello消息中的信息進行確認。
    Client hello消息包括Version，Random，Session id，Cipher suite，Compression method等信息。

ClientHello 客戶發送CilentHello信息，包含以下內容：

（1）客戶端能夠支持的SSL最高版本號

（2）一個用於生成主祕密的32字節的隨機數。（等會介紹主祕密是什麼）

（3）一個肯定會話的會話ID。

（4）一個客戶端能夠支持的密碼套件列表。

    密碼套件格式：每一個套件都以「SSL」開頭，緊跟着的是密鑰交換算法。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數字簽名的暫時Diffie-HellMan)定義爲密鑰交換算法；把DES_CBC定義爲加密算法；把SHA定義爲散列算法。

（5）一個客戶端能夠支持的壓縮算法列表。

 ServerHello 服務器用ServerHello信息應答客戶，包括下列內容

（1）一個SSL版本號。取客戶端支持的最高版本號和服務端支持的最高版本號中的較低者。

（2）一個用於生成主祕密的32字節的隨機數。（客戶端一個、服務端一個）

（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

這個階段以後，客戶端服務端知道了下列內容：

（1）SSL版本

（2）密鑰交換、信息驗證和加密算法

（3）壓縮方法

（4）有關密鑰生成的兩個隨機數。

1.2 服務器鑑別與密鑰交換

 服務器啓動SSL握手第2階段，是本階段全部消息的惟一發送方，客戶機是全部消息的惟一接收方。該階段分爲4步：
（a）證書：服務器將數字證書和到根CA整個鏈發給客戶端，使客戶端能用服務器證書中的服務器公鑰認證服務器。
（b）服務器密鑰交換（可選）：這裏視密鑰交換算法而定
（c）證書請求：服務端可能會要求客戶自身進行驗證。
（d）服務器握手完成：第二階段的結束，第三階段開始的信號

這裏重點介紹一下服務端的驗證和密鑰交換。這個階段的前面的（a）證書 和（b）服務器密鑰交換是基於密鑰交換方法的。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過程客戶端與服務端協商的過程當中已經肯定使哪一種密鑰交換算法。

若是協商過程當中肯定使用RSA交換密鑰，那麼過程以下圖：

這個方法中，服務器在它的第一個信息中，發送了RSA加密/解密公鑰證書。不過，由於預備主祕密是由客戶端在下一個階段生成併發送的，因此第二個信息是空的。注意，公鑰證書會進行從服務器到客戶端的驗證。當服務器收到預備主祕密時，它使用私鑰進行解密。服務端擁有私鑰是一個證據，能夠證實服務器是一個它在第一個信息發送的公鑰證書中要求的實體。

其餘的幾種密鑰交換算法這裏就不介紹了。能夠參考Behrouz A.Forouzan著的《密碼學與網絡安全》。

 1.3 客戶機鑑別與密鑰交換：

 

客戶機啓動SSL握手第3階段，是本階段全部消息的惟一發送方，服務器是全部消息的惟一接收方。該階段分爲3步：

（a）證書（可選）：爲了對服務器證實自身，客戶要發送一個證書信息，這是可選的，在IIS中能夠配置強制客戶端證書認證。

（b）客戶機密鑰交換（Pre-master-secret）：這裏客戶端將預備主密鑰發送給服務端，注意這裏會使用服務端的公鑰進行加密。

（c）證書驗證（可選），對預備祕密和隨機數進行簽名，證實擁有（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。

這種狀況，除非服務器在階段II明確請求，不然沒有證書信息。客戶端密鑰交換方法包括階段II收到的由RSA公鑰加密的預備主密鑰。

階段III以後，客戶要有服務器進行驗證，客戶和服務器都知道預備主密鑰。

1.4 完成

客戶機啓動SSL握手第4階段，使服務器結束。該階段分爲4步，前2個消息來自客戶機，後2個消息來自服務器。

1.5密鑰生成的過程

這樣握手協議完成，下面看下什麼是預備主密鑰，主密鑰是怎麼生成的。爲了保證信息的完整性和機密性，SSL須要有六個加密祕密：四個密鑰和兩個IV。爲了信息的可信性，客戶端須要一個密鑰（HMAC），爲了加密要有一個密鑰，爲了分組加密要一個IV，服務也是如此。SSL須要的密鑰是單向的，不一樣於那些在其餘方向的密鑰。若是在一個方向上有攻擊，這種攻擊在其餘方向是沒影響的。生成過程以下：

 

 

 

 

二、記錄協議 

記錄協議在客戶機和服務器握手成功後使用，即客戶機和服務器鑑別對方和肯定安全信息交換使用的算法後，進入SSL記錄協議，記錄協議向SSL鏈接提供兩個服務：

（1）保密性：使用握手協議定義的祕密密鑰實現

（2）完整性：握手協議定義了MAC，用於保證消息完整性

記錄協議的過程：

 三、警報協議

客戶機和服務器發現錯誤時，向對方發送一個警報消息。若是是致命錯誤，則算法當即關閉SSL鏈接，雙方還會先刪除相關的會話號，祕密和密鑰。每一個警報消息共2個字節，第1個字節表示錯誤類型，若是是警報，則值爲1，若是是致命錯誤，則值爲2；第2個字節制定實際錯誤類型。

總結

SSL中，使用握手協議協商加密和MAC算法以及保密密鑰  ，使用握手協議對交換的數據進行加密和簽名，使用警報協議定義數據傳輸過程當中，出現問題如何去解決。

整個過程比較複雜，若是你們有不理解和我敘述不周的地方，歡迎你們指正出來！