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轉自： ?http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html

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SSL/TLS協議運行機制的概述

作者：?阮一峰

日期：?2014年2月 5日

互聯網的通信安全，建立在SSL/TLS協議之上。

本文簡要介紹SSL/TLS協議的運行機制。文章的重點是設計思想和運行過程，不涉及具體的實現細節。如果想了解這方面的內容，請參閱RFC文檔。

一、作用

不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明文傳播，帶來了三大風險。

（1）?竊聽風險（eavesdropping）：第三方可以獲知通信內容。

（2）?篡改風險（tampering）：第三方可以修改通信內容。

（3）?冒充風險（pretending）：第三方可以冒充他人身份參與通信。

SSL/TLS協議是為了解決這三大風險而設計的，希望達到：

（1） 所有信息都是加密傳播，第三方無法竊聽。

（2） 具有校驗機制，一旦被篡改，通信雙方會立刻發現。

（3） 配備身份證書，防止身份被冒充。

互聯網是開放環境，通信雙方都是未知身份，這為協議的設計帶來了很大的難度。而且，協議還必須能夠經受所有匪夷所思的攻擊，這使得SSL/TLS協議變得異常復雜。

二、歷史

互聯網加密通信協議的歷史，幾乎與互聯網一樣長。

1994年，NetScape公司設計了SSL協議（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未發布。

1995年，NetScape公司發布SSL 2.0版，很快發現有嚴重漏洞。

1996年，SSL 3.0版問世，得到大規模應用。

1999年，互聯網標準化組織ISOC接替NetScape公司，發布了SSL的升級版TLS?1.0版。

2006年和2008年，TLS進行了兩次升級，分別為TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的變動是2011年TLS 1.2的修訂版。

目前，應用最廣泛的是TLS 1.0，接下來是SSL 3.0。但是，主流瀏覽器都已經實現了TLS 1.2的支持。

TLS 1.0通常被標示為SSL 3.1，TLS 1.1為SSL 3.2，TLS 1.2為SSL 3.3。

三、基本的運行過程

SSL/TLS協議的基本思路是采用公鑰加密法，也就是說，客戶端先向服務器端索要公鑰，然后用公鑰加密信息，服務器收到密文后，用自己的私鑰解密。

但是，這里有兩個問題。

（1）如何保證公鑰不被篡改？

解決方法：將公鑰放在數字證書中。只要證書是可信的，公鑰就是可信的。

（2）公鑰加密計算量太大，如何減少耗用的時間？

解決方法：每一次對話（session），客戶端和服務器端都生成一個"對話密鑰"（session key），用它來加密信息。由于"對話密鑰"是對稱加密，所以運算速度非常快，而服務器公鑰只用于加密"對話密鑰"本身，這樣就減少了加密運算的消耗時間。

因此，SSL/TLS協議的基本過程是這樣的：

（1） 客戶端向服務器端索要并驗證公鑰。

（2） 雙方協商生成"對話密鑰"。

（3） 雙方采用"對話密鑰"進行加密通信。

上面過程的前兩步，又稱為"握手階段"（handshake）。

四、握手階段的詳細過程

"握手階段"涉及四次通信，我們一個個來看。需要注意的是，"握手階段"的所有通信都是明文的。

4.1 客戶端發出請求（ClientHello）

首先，客戶端（通常是瀏覽器）先向服務器發出加密通信的請求，這被叫做ClientHello請求。

在這一步，客戶端主要向服務器提供以下信息。

（1） 支持的協議版本，比如TLS 1.0版。

（2） 一個客戶端生成的隨機數，稍后用于生成"對話密鑰"。

（3） 支持的加密方法，比如RSA公鑰加密。

（4） 支持的壓縮方法。

這里需要注意的是，客戶端發送的信息之中不包括服務器的域名。也就是說，理論上服務器只能包含一個網站，否則會分不清應該向客戶端提供哪一個網站的數字證書。這就是為什么通常一臺服務器只能有一張數字證書的原因。

對于虛擬主機的用戶來說，這當然很不方便。2006年，TLS協議加入了一個Server Name Indication擴展，允許客戶端向服務器提供它所請求的域名。

4.2 服務器回應（SeverHello）

服務器收到客戶端請求后，向客戶端發出回應，這叫做SeverHello。服務器的回應包含以下內容。

（1） 確認使用的加密通信協議版本，比如TLS 1.0版本。如果瀏覽器與服務器支持的版本不一致，服務器關閉加密通信。

（2） 一個服務器生成的隨機數，稍后用于生成"對話密鑰"。

（3） 確認使用的加密方法，比如RSA公鑰加密。

（4） 服務器證書。

除了上面這些信息，如果服務器需要確認客戶端的身份，就會再包含一項請求，要求客戶端提供"客戶端證書"。比如，金融機構往往只允許認證客戶連入自己的網絡，就會向正式客戶提供USB密鑰，里面就包含了一張客戶端證書。

4.3 客戶端回應

客戶端收到服務器回應以后，首先驗證服務器證書。如果證書不是可信機構頒布、或者證書中的域名與實際域名不一致、或者證書已經過期，就會向訪問者顯示一個警告，由其選擇是否還要繼續通信。

如果證書沒有問題，客戶端就會從證書中取出服務器的公鑰。然后，向服務器發送下面三項信息。

（1） 一個隨機數。該隨機數用服務器公鑰加密，防止被竊聽。

（2） 編碼改變通知，表示隨后的信息都將用雙方商定的加密方法和密鑰發送。

（3） 客戶端握手結束通知，表示客戶端的握手階段已經結束。這一項同時也是前面發送的所有內容的hash值，用來供服務器校驗。

上面第一項的隨機數，是整個握手階段出現的第三個隨機數，又稱"pre-master key"。有了它以后，客戶端和服務器就同時有了三個隨機數，接著雙方就用事先商定的加密方法，各自生成本次會話所用的同一把"會話密鑰"。

至于為什么一定要用三個隨機數，來生成"會話密鑰"，dog250解釋得很好：

"不管是客戶端還是服務器，都需要隨機數，這樣生成的密鑰才不會每次都一樣。由于SSL協議中證書是靜態的，因此十分有必要引入一種隨機因素來保證協商出來的密鑰的隨機性。

對于RSA密鑰交換算法來說，pre-master-key本身就是一個隨機數，再加上hello消息中的隨機，三個隨機數通過一個密鑰導出器最終導出一個對稱密鑰。

pre master的存在在于SSL協議不信任每個主機都能產生完全隨機的隨機數，如果隨機數不隨機，那么pre master secret就有可能被猜出來，那么僅適用pre master secret作為密鑰就不合適了，因此必須引入新的隨機因素，那么客戶端和服務器加上pre master secret三個隨機數一同生成的密鑰就不容易被猜出了，一個偽隨機可能完全不隨機，可是是三個偽隨機就十分接近隨機了，每增加一個自由度，隨機性增加的可不是一。"

此外，如果前一步，服務器要求客戶端證書，客戶端會在這一步發送證書及相關信息。

4.4 服務器的最后回應

服務器收到客戶端的第三個隨機數pre-master key之后，計算生成本次會話所用的"會話密鑰"。然后，向客戶端最后發送下面信息。

（1）編碼改變通知，表示隨后的信息都將用雙方商定的加密方法和密鑰發送。

（2）服務器握手結束通知，表示服務器的握手階段已經結束。這一項同時也是前面發送的所有內容的hash值，用來供客戶端校驗。

至此，整個握手階段全部結束。接下來，客戶端與服務器進入加密通信，就完全是使用普通的HTTP協議，只不過用"會話密鑰"加密內容。

五、參考鏈接

• MicroSoft TechNet,?SSL/TLS in Detail
• Jeff Moser,?The First Few Milliseconds of an HTTPS Connection
• Wikipedia,?Transport Layer Security
• StackExchange,?How does SSL work?