一、概述

SSL（Secure Sockets Layer） 及其繼任者 TLS（Transport Layer Security） 是位于 傳輸層（TCP）與應用層之間 的加密協議，用于在網絡通信中實現 機密性、身份認證和數據完整性。

• 核心目標：防止通信數據被竊聽、篡改或偽造，確保客戶端與服務器之間的安全交互。
• 應用場景：HTTPS、電子郵件（SMTPS/IMAPS）、即時通訊、VPN、云服務等。

二、歷史演進

版本	發布時間	關鍵特性/問題
SSL 1.0	未發布	因安全缺陷未公開
SSL 2.0	1995	存在嚴重設計缺陷（如弱加密、易受中間人攻擊）
SSL 3.0	1996	引入更完善的加密算法，但仍存在漏洞（如BEAST）
TLS 1.0	1999	由IETF接管SSL 3.0，增強安全性
TLS 1.1	2006	改進數據完整性保護（如CMAC算法）
TLS 1.2	2008	強制使用SHA-2哈希，廢棄不安全算法（如MD5）
TLS 1.3	2018	大幅優化性能與安全性，減少握手延遲

當前主流版本：TLS 1.2 和 TLS 1.3（強烈推薦使用 TLS 1.3，因其更快且更安全）。

三、協議架構

SSL/TLS 分為兩層：

1. 記錄層（Record Layer）
   • 負責分段、壓縮（可選）、加密和認證數據。
   • 接收上層數據，分割為 記錄（Records）（最大 16KB），應用加密和 MAC（消息認證碼）后傳輸。
2. 握手層（Handshake Layer）
   • 負責密鑰交換、身份認證和協商加密參數，包括四個子協議：
     • 客戶端問候（ClientHello）：客戶端發起握手，聲明支持的協議版本、密碼套件等。
     • 服務器問候（ServerHello）：服務器選擇協議版本、密碼套件，并發送證書（若需要）。
     • 密鑰交換與認證：客戶端和服務器通過非對稱加密交換預共享密鑰（如RSA或ECDHE）。
     • 會話密鑰生成：基于預共享密鑰生成對稱加密的會話密鑰（用于記錄層通信）。

四、核心功能

1. 加密通信（機密性）
   • 使用 對稱加密算法（如AES、ChaCha20）加密傳輸數據，確保第三方無法讀取內容。
2. 身份認證
   • 通過 X.509數字證書 驗證服務器身份（可選驗證客戶端身份），防止中間人攻擊。
   • 證書由可信證書頒發機構（CA）簽名，包含公鑰、域名、有效期等信息。
3. 數據完整性
   • 通過 哈希函數（如SHA-256）和 MAC（如HMAC）確保數據未被篡改，任何修改會導致校驗失敗。

五、加密算法與密碼套件

1. 核心算法類型

• 對稱加密算法：用于加密實際傳輸的數據（速度快，密鑰協商后使用）。
  • 常用：AES-128/AES-256、ChaCha20（適用于移動設備）。
• 非對稱加密算法：用于密鑰交換和身份認證（安全性高，但速度慢）。
  • 常用：RSA、ECDSA（基于橢圓曲線密碼學ECC）、Diffie-Hellman（DH/ECDHE）。
• 哈希函數：用于數據完整性校驗和密鑰推導。
  • 常用：SHA-256、SHA-384。
• 密鑰交換算法：協商共享密鑰（如ECDHE用于前向安全）。

2. 密碼套件（Cipher Suite）

密碼套件是上述算法的組合，格式為：密鑰交換算法-加密算法-哈希算法。

• 示例：
  • TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384（TLS 1.2）
  • TLS_AES_256_GCM_SHA384（TLS 1.3，簡化了命名，默認使用ECDHE密鑰交換）。

六、握手過程詳解

1. TLS 1.2 握手（四次RTT） （示意圖）

1. 客戶端問候（ClientHello）
   • 發送支持的 TLS 版本、密碼套件列表、隨機數（Client Random）等。
2. 服務器問候（ServerHello）
   • 選擇 TLS 版本、密碼套件，返回服務器隨機數（Server Random）和服務器證書（含公鑰）。
3. 客戶端驗證證書并生成預主密鑰（Pre-Master Secret）
   • 客戶端用服務器公鑰加密一個隨機數（Pre-Master Secret），發送給服務器。
   • 雙方通過 Client Random + Server Random + Pre-Master Secret 計算出 主密鑰（Master Secret），進而生成會話密鑰（對稱加密密鑰）。
4. 服務器驗證客戶端（可選）
   • 若需要雙向認證，服務器請求客戶端證書，客戶端發送證書和簽名。
5. 握手結束
   • 雙方發送 ChangeCipherSpec 消息，切換至加密通信，并發送 Finished 消息驗證握手完整性。

2. TLS 1.3 握手（大幅優化）

• 減少RTT次數：僅需 1 - 2 次RTT（TLS 1.2 需要 2 - 3 次）。
• 安全性增強：
  • 廢棄不安全算法（如RSA密鑰交換、SHA-1）。
  • 強制使用 前向安全（Forward Secrecy）：每次會話的密鑰獨立，即使主密鑰泄露，歷史通信仍安全。
• 流程簡化：
  • 合并部分消息，直接在 ClientHello 中發送密鑰共享參數（如ECDH公鑰）。
  • 服務器在首次回復中攜帶證書和密鑰共享參數，減少交互次數。

七、應用場景

1. HTTPS（端口443）：加密Web通信，確保用戶數據（如密碼、信用卡信息）安全。
2. 電子郵件：SMTPS（加密郵件傳輸）、IMAPS/POP3S（加密郵件讀取）。
3. 即時通訊與文件傳輸：如WhatsApp、Telegram使用TLS加密聊天內容。
4. API與微服務：保護RESTful API調用，防止數據在傳輸中被篡改。
5. VPN與遠程連接：如OpenVPN、SSH通過TLS建立安全隧道。

八、安全問題與最佳實踐

1. 常見漏洞

• Heartbleed（2014）：OpenSSL漏洞，可竊取服務器內存中的敏感數據（如私鑰）。
• BEAST（2011）：利用SSL 3.0的加密缺陷破解會話密鑰。
• ROBOT（2016）：利用弱RSA密鑰加密預主密鑰，導致密鑰泄露。

2. 最佳實踐

• 協議版本：禁用SSLv3/TLS 1.0/1.1，僅啟用TLS 1.2+。
• 密碼套件：優先使用TLS 1.3默認套件，或TLS 1.2中的強加密套件（如ECDHE+AES-GCM）。
• 證書管理：
  • 使用短有效期證書（如Let’s Encrypt的90天證書），定期輪換。
  • 啟用OCSP Stapling或CRL（證書吊銷列表），及時驗證證書狀態。
• 密鑰交換：采用ECDHE（橢圓曲線Diffie-Hellman）實現前向安全。
• 監控與日志：記錄TLS握手失敗事件，檢測異常連接嘗試。

九、總結

SSL/TLS 是現代網絡安全的核心協議，通過加密算法與握手流程的結合，實現了通信雙方的安全認證與數據保護。隨著TLS 1.3的普及，其性能與安全性進一步提升，成為抵御中間人攻擊、數據泄露等威脅的關鍵技術。

學習資源：

• RFC 8446（TLS 1.3規范）
• Mozilla TLS配置指南
• SSL Labs 服務器測試工具