实现HTTPS系列第四弹之【TLS，SSL概念理解】

博文说明【前言】：

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    本文将通过个人口吻介绍TLS ，SSL等相关知识，在目前时间点【2017年5月21号】下，所掌握的技术水平有限，可能会存在不少知识理解不够深入或全面，望大家指出问题共同交流，在后续工作及学习中如发现本文内容与实际情况有所偏差，将会完善该博文内容。

1、第一弹：实现HTTPS系列第一弹之【http,https,www,web等概念简介】

博文链接：http://watchmen.blog.51cto.com/6091957/1922919

2、第二弹：实现HTTPS系列第二弹之【非对称加密，公钥私钥，数字签名，OpenSSL及HTTPS等概念简介】

博文链接：http://watchmen.blog.51cto.com/6091957/1923426

3、第三弹：实现HTTPS系列第三弹之【数字签名，数字证书，CA认证等概念理解】

博文链接：http://watchmen.blog.51cto.com/6091957/1924747

本文参考文献引用链接及其他资料：

1、https://www.openssl.org/docs/

2、https://www.feistyduck.com/?【经典，强烈推荐，TLS/SSL技术文档网站】

3、https://www.ssllabs.com 【经典，强烈推荐,在线检测网站SSL/TLS安全强度】

该网站属于qualys公司，qualiy's ssl labs，这是一家云安全公司，网址：www.qualys.com

4、推荐图书：《Bulletproof SSL and TLS》-作者Ivan Ristic，资料我已上传，可从站内搜索下载

下载路径：http://down.51cto.com/data/2306452

5、http://www.techug.com/post/https-ssl-tls.html【必读】

6、http://kb.cnblogs.com/page/197396/

7、http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html【必读】

8、https://technet.microsoft.com/en-us/library/cc784450(v=ws.10).aspx

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正文：

    首先，HTTP 是一个网络协议，是专门用来传输 Web 内容。关于这个协议，就算你不了解，至少也听说过，比如你访问百度的主页，浏览器地址栏会出现如下的网址http://www.baidu.com/，

这就是指通过HTTP 协议访问该百度的web服务器的内容。在Internet发展前期，大部分网站都是通过 HTTP 协议来传输 Web 页面以及 Web 页面上包含的各种东西（图片、CSS 样式、JS 脚本等）。这部分内容可以查看的我的第一弹博文简单了解，好，基础知识介绍完毕，故事开始。

一：SSL/TLS是什么？:

SSL（Security Socket Layer，安全套接层），它是在上世纪90年代中期，由网景公司设计的。（网景公司不光发明了 SSL，还发明了很多 Web 的基础设施，比如“CSS 样式表”和“JS 脚本”）

TLS（Transport Layer Security，传输层安全协议）是SSL的后继版本，在SSL的基础上发展优化。

TLS的主要目标是使SSL更安全，并使协议的规范更精确和完善，因此TLS 在SSL v3.0 的基础上，提供了一些增强功能（包括更安全的MAC算法，更严密的警报，“灰色区域”规范的更明确的定义等等）

TLS允许协商失败的时候降级使用SSLv3，但是由于出现漏洞，目前大部分厂商的浏览器已经禁用该功能。也即现在主流是使用TLS，但是由于历史遗留问题，仍然有部分服务器在使用SSL

在当时，不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息通过明文传播，带来了三大风险。

（1） 窃听风险（eavesdropping）：第三方可以获知通信内容。

（2） 篡改风险（tampering）：第三方可以修改通信内容。

（3） 冒充风险（pretending）：第三方可以冒充他人身份参与通信。

SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的，达到：

（1）认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户机和服务器，防止身份被冒充。

（2）加密数据以防止数据中途被窃取，所有信息都是加密传播，第三方无法窃听

（3）维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不被改变，具有校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。。

    咱们通常所说的 HTTPS 协议，其实就是“HTTP 协议”和“SSL/TLS 协议”的组合。你可以进行因式分解，把 HTTPS 理解为是HTTP over SSL”或“HTTP over TLS”

总结1：SSL/TLS是在互联网中实现通信安全的一个网络协议。

二：SSL/TLS的发展历史:

1994年，NetScape公司设计了SSL协议（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未发布。

1995年，NetScape公司发布SSL 2.0版，很快发现有严重漏洞。

1996年，SSL 3.0版问世，得到大规模应用。

1999年，互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版。

2006年和2008年，TLS进行了两次升级，分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。

目前，应用最广泛的是TLS 1.2/TLS1.3，接下来是SSL 3.0。目前主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的支持。对老玩家来说，TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。

三：SSL/TLS协议实现简介？

应用层（HTTP,SMTP,IMAP）            应用层（HTTP,SMTP,IMAP）

    |                                                        |

表示层（SSL,TLS）  <-------------> 表示层（SSL,TLS）

    |                                                        |

会话层（-）                                       会话层（-）

    |                                                        |

传输层（TCP,UDP）                          传输层（TCP,UDP）

    |                                                        |

网络层（IP,IPSec）                            网络层（IP,IPSec）

    |                                                        |

数据链路层（Ethernet）                    数据链路层（Ethernet）

    |                                                         |

物理层(CAT5)                                    物理层(CAT5)

从上面我们可以看出，SSL和TLS都是工作在第6层，也就是表示层（presentation），在实际的数据走向时，OSI中的层数是逻辑可变的，如果不需要可以删除，因此如果HTTP需要加密实现HTTPS，那么我们就会加上表示层，因为HTTP所在层为应用层，可以控制下层的层数，那么这个时候我们的数据流是：应用层--->TLS--->TCP-->IP-->物理层--->对端物理层-->......-->对端应用层，也即通过TLS再连接到TCP如果我们只是需要HTTP，那么我们舍弃表示层，HTTP直接发送数据到TCP，也就是7层到4层。

从上面我们可以简单地看出，TCP 协议是 HTTP 协议的基石---HTTP 协议需要依靠 TCP 协议来传输数据。因此，你在配置了https的服务器，查看加密端口对应的PID，你会发现就是80对应的PID，这是因为加密是承载的http的基础之上的。也就是，数据先到80，然后80到443，443把80包裹起来把数据传下去。

总结2：

1、考虑到HTTP的兼容性问题（这里所说的兼容性包括很多方面比如已有的 Web 应用要尽可能无缝地迁移到 HTTPS；比如对浏览器厂商而言，改动要尽可能小），因此 HTTPS 还是要基于 TCP 来传输（如果改为 UDP 作传输层，无论是 Web 服务端还是浏览器客户端，都需要大改）

2、实现过程是单独使用一个新的协议，把 HTTP 协议包裹起来（所谓的“HTTP over SSL”，实际上是在原有的 HTTP 数据外面加了一层 SSL 的封装。HTTP 协议原有的 GET、POST 之类的机制，基本上原封不动）

例如：如果原来的 HTTP 是塑料水管，容易被戳破；那么如今新设计的 HTTPS 就像是在原有的塑料水管之外，再包一层金属水管。一来，原有的塑料水管照样运行；二来，用金属加固了之后，不容易被戳破。

注意：前面说了，HTTPS 相当于是“HTTP over SSL”，SSL 这个协议在“可扩展性”方面的设计也足够牛逼，它除了能跟 HTTP 搭配，还能够跟其它的应用层协议搭配。如今的 SSL/TLS 可以跟很多常用的应用层协议（比如：FTP、SMTP、POP、Telnet）搭配，来强化这些应用层协议的安全性。

再说一句：其实SSL和TLS协议都是由2个子协议组成的

SSL协议可分为两层： 

SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。 

SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。

TLS也分为两层：

TLS 记录协议（TLS Record）：用于封装各种高层协议。记录协议支持信息传输、将数据分段到可处理块、压缩数据、应用MAC 、加密以及传输结果等。对接收到的数据进行解密、校验、解压缩、重组等，然后将它们传送到高层客户机。TLS记录协议是一种分层协议。每一层中的信息可能包含长度、描述和内容等字段。

TLS 握手协议（TLS Handshake）：允许服务器与客户机在应用程序协议传输和接收其第一个数据字节前彼此之间相互认证，协商加密算法和加密密钥。

四：SSL/TLS实现过程？

SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法，也就是说，客户端先向服务器端索要公钥，然后用公钥加密信息，服务器收到密文后，用自己的私钥解密。

但是，这里有两个问题。

（1）如何保证公钥不被篡改？

解决方法：将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的，公钥就是可信的。

（2）公钥加密计算量太大，如何减少耗用的时间？

解决方法：每一次对话（session），客户端和服务器端都生成一个"对话密钥"（session key），用它来加密信息。由于"对话密钥"是对称加密，所以运算速度非常快，而服务器公钥只用于加密"对话密钥"本身，这样就减少了加密运算的消耗时间。

因此，SSL/TLS协议的基本过程是这样的：

（1） 客户端向服务器端索要并验证公钥。

（2） 双方协商生成"对话密钥"。

（3） 双方采用"对话密钥"进行加密通信。

上面过程的前两步，又称为"握手阶段"（handshake）。

握手阶段的详细过程

"握手阶段"涉及四次通信，我们一个个来看。需要注意的是，"握手阶段"的所有通信都是明文的。

1、客户端发出请求（ClientHello）

首先，客户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。

在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。

（1） 客户端支持的协议版本，比如TLS 1.0版。

（2） 一个客户端生成的随机数（第1个随机数），稍后用于生成"对话密钥"。

（3） 支持的加密方法，比如RSA公钥加密。

（4） 支持的压缩方法。

这里需要注意的是，客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只能包含一个网站，否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。

对于虚拟主机的用户来说，这当然很不方便。2006年，TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。

2、服务器回应（SeverHello）

服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。

（1） 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。

（2） 一个服务器生成的随机数（第2个随机数），稍后用于生成"对话密钥"。

（3） 确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。

（4） 服务器证书。

除了上面这些信息，如果服务器需要确认客户端的身份，就会再包含一项请求，要求客户端提供"客户端证书"。比如，金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络，就会向正式客户提供USB密钥，里面就包含了一张客户端证书。

注意：此处还会涉及数字签名，也即数字签名的验证只在TLS协议的握手过程中使用，握手结束的时候，这个数字签名就失效了。

3、客户端回应

客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。

如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。

（1） 一个随机数（第3个随机数）。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。

（2） 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。

（3） 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。

上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称"pre-master key"。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的同一把"会话密钥"。

为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥"？

解释："不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。

对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。

pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的可不是一。"

此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。

4、服务器的最后回应

服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的"会话密钥"。然后，向客户端最后发送下面信息。

（1）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。

（2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。

至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用"会话密钥"加密内容。

总结3：实际数据传输所使用的对称密钥是通过双方协商，根据产生的3个随机数计算得出的。

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结尾：

    下一篇：实现HTTPS系列第五弹（终章）之【通过OpenSSL实现HTTPS】

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