SSL協議具體解釋

背景介紹   

近期在看《password學與網絡安全》相關的書籍，這篇文章主要具體介紹一下著名的網絡安全協議SSL。

     在開始SSl介紹之前，先給大家介紹幾個password學的概念和相關的知識。

    1、password學的相關概念

password學(cryptography)：目的是通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、接受人和不論什么訪問消息的人都能理解的消息。
密文(cipher text)：明文消息經過某種編碼后，得到密文消息。
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)：僅僅有發送方和接收方理解的消息
對稱密鑰加密(Symmetric Key Cryptography)：加密與解密使用同樣密鑰。
非對稱密鑰加密(Asymmetric Key Cryptography)：加密與解密使用不同密鑰。

    2、相關的加密算法介紹

DES算法即數據加密標准，也稱為數據加密算法。加密步驟例如以下：

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。當然能夠選用其它非DES加密算法，視情況而定，后面會具體介紹。

3、密鑰交換算法

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

（2）Alice選擇還有一個大隨機數x，並計算A例如以下：A=gx mod n

（3）Alice將A發給Bob

（4）Bob  選擇還有一個大隨機數y，並計算B例如以下：B=gy mod n

（5）Bob將B發給Alice

（6）計算秘密密鑰K1例如以下：K1=Bx mod n

（7）計算秘密密鑰K2例如以下：K2=Ay mod n

  K1=K2，因此Alice和Bob能夠用其進行加解密

RSA加密算法是基於這種數學事實：兩個大素數相乘easy，而對得到的乘積求因子則非常難。加密步驟例如以下：

(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，滿足例如以下條件：
          (D*E) mod (P-1)(Q-1)=1
(5)加密時，明文PT計算密文CT例如以下：
          CT=PTE mod N
(6)解密時，從密文CT計算明文PT例如以下：
          PT=CTDmodN 這也是SSL中會用一種密鑰交換算法。

 

3、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之后和接收之前沒有被篡改對於SSL中使用到的散列算法有MD5、SHA-1。

4、數字證書：

 數字證書事實上就是一個小的計算機文件，其作用類似於我們的身份證、護照，用於證明身份，在SSL中，使用數字證書來證明自己的身份，而不是偽造的。

5、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，使用數字證書證明自己的身份。好了，以下開始介紹SSL協議。

SSL介紹：

安全套接字（Secure Socket Layer，SSL）協議是Web瀏覽器與Webserver之間安全交換信息的協議，提供兩個主要的安全服務：鑒別與保密。

SSL是Netscape於1994年開發的，后來成為了世界上最著名的web安全機制，全部基本的瀏覽器都支持SSL協議

眼下有三個版本號：2、3、3.1，最經常使用的是第3版，是1995年公布的。

SSL協議的三個特性

① 保密：在握手協議中定義了會話密鑰后，全部的消息都被加密。

② 鑒別：可選的client認證，和強制的server端認證。

③ 完整性：傳送的消息包含消息完整性檢查（使用MAC）。

SSL的位置

SSL介於應用層和TCP層之間。應用層數據不再直接傳遞給傳輸層，而是傳遞給SSL層，SSL層對從應用層收到的數據進行加密，並添加�自己的SSL頭。

 

SSL的工作原理

握手協議（Handshake protocol）

記錄協議（Record protocol）

警報協議（Alert protocol）

1、握手協議

握手協議是客戶機和server用SSL連接通信時使用的第一個子協議，握手協議包含客戶機與server之間的一系列消息。SSL中最復雜的協議就是握手協議。該協議同意server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傳輸數據之前使用的。

每一個握手協議包括下面3個字段
（1）Type：表示10種消息類型之中的一個
（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建立安全能力

    SSL握手的第一階段啟動邏輯連接，建立這個連接的安全能力。首先客戶機向server發出client hello消息並等待server響應，隨后server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消息包含Version，Random，Session id，Cipher suite，Compression method等信息。

ClientHello 客戶發送CilentHello信息，包括例如以下內容：

（1）client能夠支持的SSL最高版本

（2）一個用於生成主秘密的32字節的隨機數。（等會介紹主秘密是什么）

（3）一個確定會話的會話ID。

（4）一個client能夠支持的password套件列表。

    password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，比如：SSL_DHE_RSA_WITH_DES_CBC_SHA,表示把DHE_RSA(帶有RSA數字簽名的臨時Diffie-HellMan)定義為密鑰交換算法；把DES_CBC定義為加密算法；把SHA定義為散列算法。

（5）一個client能夠支持的壓縮算法列表。

 ServerHello server用ServerHello信息應答客戶，包含下列內容

（1）一個SSL版本。取client支持的最高版本和服務端支持的最高版本中的較低者。

（2）一個用於生成主秘密的32字節的隨機數。（client一個、服務端一個）

（3）會話ID

（4）從client的password套件列表中選擇的一個password套件

（5）從client的壓縮方法的列表中選擇的壓縮方法

這個階段之后，client服務端知道了下列內容：

（1）SSL版本號

（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 server鑒別與密鑰交換

 server啟動SSL握手第2階段，是本階段全部消息的唯一發送方，客戶機是全部消息的唯一接收方。該階段分為4步：
（a）證書：server將數字證書和到根CA整個鏈發給client，使client能用server證書中的server公鑰認證server。
（b）server密鑰交換（可選）：這里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）server握手完畢：第二階段的結束，第三階段開始的信號

這里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）server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、臨時Diffie-Hellman、固定Diffie-Hellman、Fortezza。

在階段1過程client與服務端協商的過程中已經確定使哪種密鑰交換算法。

假設協商過程中確定使用RSA交換密鑰，那么步驟例如以下圖：

這種方法中，server在它的第一個信息中，發送了RSA加密/解密公鑰證書。只是，由於預備主秘密是由client在下一個階段生成並發送的，所以第二個信息是空的。注意，公鑰證書會進行從server到client的驗證。當server收到預備主秘密時，它使用私鑰進行解密。服務端擁有私鑰是一個證據，能夠證明server是一個它在第一個信息發送的公鑰證書中要求的實體。

其它的幾種密鑰交換算法這里就不介紹了。能夠參考Behrouz A.Forouzan著的《password學與網絡安全》。

 1.3 客戶機鑒別與密鑰交換：

 

客戶機啟動SSL握手第3階段，是本階段全部消息的唯一發送方，server是全部消息的唯一接收方。該階段分為3步：

（a）證書（可選）：為了對server證明自身，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client證書認證。

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

（c）證書驗證（可選），對預備秘密和隨機數進行簽名，證明擁有（a）證書的公鑰。

以下也重點介紹一下RSA方式的client驗證和密鑰交換。

這樣的情況，除非server在階段II明白請求，否則沒有證書信息。client密鑰交換方法包含階段II收到的由RSA公鑰加密的預備主密鑰。

階段III之后，客戶要有server進行驗證，客戶和server都知道預備主密鑰。

1.4 完畢

客戶機啟動SSL握手第4階段，使server結束。該階段分為4步，前2個消息來自客戶機，后2個消息來自server。

1.5密鑰生成的過程

這樣握手協議完畢，以下看下什么是預備主密鑰，主密鑰是怎么生成的。為了保證信息的完整性和機密性，SSL須要有六個加密秘密：四個密鑰和兩個IV。為了信息的可信性，client須要一個密鑰（HMAC），為了加密要有一個密鑰，為了分組加密要一個IV，服務也是如此。SSL須要的密鑰是單向的，不同於那些在其它方向的密鑰。假設在一個方向上有攻擊，這樣的攻擊在其它方向是沒影響的。生成步驟例如以下：

 

 

 

 

2、記錄協議 

記錄協議在客戶機和server握手成功后使用，即客戶機和server鑒別對方和確定安全信息交換使用的算法后，進入SSL記錄協議，記錄協議向SSL連接提供兩個服務：

（1）保密性：使用握手協議定義的秘密密鑰實現

（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：

 3、警報協議

客戶機和server發現錯誤時，向對方發送一個警報消息。假設是致命錯誤，則算法馬上關閉SSL連接，兩方還會先刪除相關的會話號，秘密和密鑰。每一個警報消息共2個字節，第1個字節表示錯誤類型，假設是警報，則值為1，假設是致命錯誤，則值為2；第2個字克制定實際錯誤類型。

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，使用警報協議定義傳輸數據過程中，出現故障怎樣去解決。

整個過程比較復雜，假設大家有不理解和我敘述不周的地方，歡迎大家指正出來！