HTTPS連接建立過程(單向&雙向)

什么是https

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接字協議),及其繼任者傳輸層安全（Transport Layer Security，TLS）是為網絡通信提供安全及數據完整性的一種安全協議。TLS與SSL在傳輸層(如TCP)與應用層（如HTTP）之間對網絡連接進行加密。
HTTPS （全稱：Hyper Text Transfer Protocol over SecureSocket Layer），是以安全為目標的 HTTP 通道，在HTTP的基礎上通過傳輸加密和身份認證保證了傳輸過程的安全性 。HTTPS 在HTTP 的基礎下加入SSL 層

• https的基礎是TLS，tls的基本原理是非對稱加密，即加密的密鑰和解密的密鑰是不用的，稱為公鑰和私鑰，使用公鑰加密的內容只能使用私鑰解密，反之亦然，使用私鑰並不能解密私鑰加密的內容
• https連接建立過程分為兩部分
  • 身份驗證部分(驗證通信雙方各自的身份)
  • 密鑰協商部分(協商出一個雙方都認可的對稱密鑰)
• https的重點如下
  1. 客戶端及服務器的有效性及真實性，確保沒有第三方監聽，通過CA機構及非對稱加密保證
  2. tls握手及密鑰協商過程使用非對稱加密，加強身份驗證及防監聽
  3. 由於非對稱加密的性能極差，所以僅在握手階段使用非對稱加密
  4. 后續消息通過協商的密鑰進行加密，防篡改和防監聽

TCP連接建立流程

HTTPS單向認證

什么是HTTPS單向認證

• https單向認證至客戶端連接到某個域名或IP時，客戶端需要驗證服務器的身份，
  服務器的身份一般通過證書的方式進行驗證，服務器的證書一般都會在權威的CA機構進行簽名，客戶端收到服務器證書后，
  會獲取服務器證書對應的ca機構的證書，並用CA證書進行解密

身份認證過程

• 一般使用非對稱加密算法做身份認證
• RSA
• DSA
• ECDSA

密鑰協商過程

• 有多種算法
• RSA 通過非對稱加密保證安全性
• DH類算法 通過 "求解離散對數問題" 保證安全性 只能防監聽，不能防篡改，所以一般會結合非對稱加密算法(RSA,DSA,ECDSA)等做加密
• ECDH類算法 通過 "橢圓曲線離散對數問題" 保證安全性 同上
• DHE DH算法增強 E->ephemeral 指“臨時密鑰”（洋文是“ephemeral key”）即每個會話都選擇新的密鑰
• ECDHE ECDH算法增強 同上
• PSK 預共享密鑰(一般用於內部部署,預置密鑰在系統內部)
• SRP Secure Remote Password,與psk類似，密鑰換成了密碼，還會有一些類似於加鹽，隨機數之類的機制

連接流程

• ECDHE-RSA的連接及認證過程

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身份認證

1. Client Hello 發送客戶端支持的加密協議 及TLS版本 客戶端隨機數
   

   • sessionId和sessionTicket均可用於https會話恢復，區別在與sessionId對應的協商信息保存在服務器中，sessionTicket對應的協商信息保存在客戶端中
   • 客戶端extension中攜帶session ticket信息表示客戶端支持session ticket
   • 關於擴展字段 pre_shared_key 和psk_key_exchange_modes，可以參考http://ddrv.cn/a/17072
   • 本例中客戶端不傳遞pre_shared_key指明客戶端不使用PSK(預共享密鑰模式，一般用在個人網絡里面)

2. Sever Hello 發送服務器選擇的加密協議及選擇的TLS版本，服務器隨機數

   • 本例中使用的是ECDHE-RSA算法
     

3. Certificate 服務器發送自己的證書
   

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密鑰協商

4. Server Key Exchange 服務器發送協商對稱密鑰過程中的必要參數

   • DH類算法因為沒有使用私鑰進行計算，所以在末尾會使用私鑰對報文本身進行簽名，證明自己擁有私鑰
     

5. Server Hello Done

   • 指示 Server Hello完成

6. Client Key Exchange 客戶端發送協商密鑰過程中的必要參數(使用服務端證書中的公鑰加密)

   • 客戶端收到服務器發送的必要參數，並使用自己的必要參數，計算出一個對稱密鑰
   • 客戶端必要參數發送給服務端后，服務端也能通過這些參數以及第5部中的參數計算出一樣的對稱密鑰
     

7. Client change Cipher Spec

   • 更改數據傳輸密鑰通知，表示后續的請求都會使用協商好的對稱密鑰進行加密

8. Encrypted Handshake Message

   • 使用對稱密鑰加密過后的握手消息，用來驗證對稱密鑰是否工作

9. New Session Ticket

   • 由於之前Client Hello及Server Hello都指明了可以使用Session Ticket，所以服務器下發了一個新的Session Ticket，下次客戶端需要恢復回話時，可以省去協商密鑰的過程

10. Server change Cipher Spec

    • 更改數據傳輸密鑰通知，表示后續的請求都會使用協商好的對稱密鑰進行加密

11. Encrypted Handshake Message

    • 使用對稱密鑰加密過后的握手消息，用來驗證對稱密鑰是否工作

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HTTPS雙向認證

https雙向認證指除了客戶端需要驗證服務器之外，服務器也需要驗證客戶端

連接流程

• 步驟詳解
  • 雙向認證過程中的大部分步驟是相同的，只是多了服務器請求客戶端證書以及客戶端發送證書及簽名的過程
  • 這里僅解釋不同的部分

1. Server Certificate Request
   • 服務器請求客戶端證書用於驗證客戶端身份

2. Client Certificate
   • 客戶端發送自己的證書或證書鏈

3. Client Certificate Verify
   • 與server key exchange一樣，為了證明自己的身份，客戶端需要使用私鑰對之前的握手信息加密
   • 服務器使用客戶端證書公鑰解密，如果一致的話才會通過驗證

nginx中的配置

ssl_certificate      /etc/nginx/cert2/server.crt; #服務器證書位置
ssl_certificate_key  /etc/nginx/cert2/server.private;#服務器證書私鑰文件位置
ssl_client_certificate /etc/nginx/cert2/ca.crt;#用於客戶端證書校驗的證書文件位置，意為客戶端證書必須由此證書對應的ca機構簽發
ssl_verify_client on;#是否開啟客戶端校驗
ssl_verify_depth 2;#客戶端校驗深度，如果為1的話，代表客戶端證書必須由頂級ca簽發

附錄

算法組合	密鑰交換	身份認證	是否會遭遇中間人攻擊	是否具備前向保密	SSL 2.0	SSL 3.0	TLS 1.0	TLS 1.1	TLS 1.2	TLS 1.3（草案）
RSA	RSA	RSA	否	否	是	是	是	是	是	否
DH-RSA	DH	RSA	否	否	否	是	是	是	是	否
DH-DSA	DH	DSA	否	否	否	是	是	是	是	否
DHE-RSA	DHE	RSA	否	是	否	是	是	是	是	是
DHE-DSA	DHE	DSA	否	是	否	是	是	是	是	是
ECDH-RSA	ECDH	RSA	否	否	否	否	是	是	是	否
ECDH-ECDSA	ECDH	ECDSA	否	否	否	否	是	是	是	否
ECDHE-RSA	DHE	RSA	否	是	否	否	是	是	是	是
ECDHE-ECDSA	DHE	ECDSA	否	是	否	否	是	是	是	是
PSK	PSK	PSK	否	否	否	否	是	是	是	？
PSK-RSA	PSK	RSA	否	否	否	否	是	是	是	？
DHE-PSK	DHE	PSK	否	是	否	否	是	是	是	？
ECDHE-PSK	DHE	PSK	否	是	否	否	是	是	是	？
SRP	SRP	SRP	否	否	否	否	是	是	是	？
SRP-RSA	SRP	RSA	否	否	否	否	是	是	是	？
SRP-DSA	SRP	DSA	否	否	否	否	是	是	是	？
DH-ANON	DH	無	是	否	否	是	是	是	是	否
ECDH-ANON	ECDH	無	是	否	否	否	是	是	是	否

參考資料

• https://www.cnblogs.com/814467783sweet/p/9647197.html