HTTPS 加密演算法原理機制解析

當你在瀏覽器的位址列上輸入https開頭的網址後，瀏覽器和伺服器之間會在接下來的幾百毫秒內進行大量的通訊。InfoQ的這篇文章對此有非常詳細的描述。這些複雜的步驟的第一步，就是瀏覽器與伺服器之間協商一個在後續通訊中使用的金鑰演算法。這個過程簡單來說是這樣的：

1. 瀏覽器把自身支援的一系列Cipher Suite（金鑰演算法套件，後文簡稱Cipher）[C1,C2,C3, …]發給伺服器；
2. 伺服器接收到瀏覽器的所有Cipher後，與自己支援的套件作對比，如果找到雙方都支援的Cipher，則告知瀏覽器；
3. 瀏覽器與伺服器使用匹配的Cipher進行後續通訊。如果伺服器沒有找到匹配的演算法，瀏覽器（以Firefox 30為例，後續例子中使用的瀏覽器均為此版本的Firefox）將給出錯誤資訊:

本文將講述如何探究這一過程。

1. 瀏覽器

瀏覽器支援哪些Cipher？這取決於瀏覽器支援的SSL/TLS協議的版本。習慣上，我們通常把HTTPS與SSL協議放到一起；事實上，SSL協議是Netcape公司於上世紀90年代中期提出的協議，自身發展到3.0版本。1999年該協議由ITEL接管，進行了標準化，改名為TLS。可以說，TLS 1.0就是SSL 3.1版本。在Wikipedia上並沒有SSL獨立的條目，而是會重定向到TLS，可見兩種協議關係之緊密。目前TLS最新版本是1.2。網際網路上有超過99%的網站支援TLS 1.0，而支援TLS 1.2的網站尚不足40%。開啟Firefox瀏覽器，在位址列中輸入about:config，然後搜尋tls.version，會看到下面的選項:

其中security.tls.version.min和security.tls.version.max兩項決定了Firefox支援的SSL/TLS版本，根據Firefox文件的介紹，這兩項的可選值及其代表的協議是：

• 0 – SSL 3.0
• 1 – TLS 1.0
• 2 – TLS 1.1
• 3 – TLS 1.2

因此上圖的設定說明當前瀏覽器支援協議的下限是SSL 3.0，上限是TLS 1.2。現在，如果把security.tls.version.min一項改為3，那麼瀏覽器就只支援TLS 1.2了。前文提到，目前只有不足40%的網站支援TLS 1.2，比如Amazon就不在這40%之列，所以此時訪問https://amazon.com，就會收到“Secure Connection Failed”的錯誤資訊，如圖2所示。

瞭解了SSL/TLS協議後，可以使用Wireshark（或類似的可以抓去網路包的工具）通過分析網路包的資訊，來檢視瀏覽器傳送給伺服器的所有Cipher。Wireshark是一款使用簡單卻非常強大的抓包工具。

瀏覽器會首先發起握手協議，既一個“ClientHello”訊息，在訊息體中，可以找到Firefox支援的Cipher。在Wireshark中，按照Protocol協議排序，然後從TLS 1.2協議的報文中找到一個Info為“Client Hello”的。選中這個，然後在下面的報文資訊視窗中依次找到Secure Sockets Layer -> TLSv1.2 Record Layer -> Handshake Protocal -> Cipher Suites。例子中的第一個Cipher是TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256，一共有23個:

如果繼續找一個Info為“ServerHello”的報文，可以在類似的位置找到伺服器返回的Cipher，在本例中是TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA:

關於金鑰演算法這一長串名字的含義，後面說明。接下來，瀏覽器就要等待伺服器響應它的請求。我們來看一看伺服器端都做了些什麼。

2. 伺服器

讓我們以Windows為例。若要檢視作業系統支援哪些金鑰演算法，可以執行gpedit.msc，依次進入”Computer Configuration” -> ”Administrative Templates” -> “Network” -> “SSL Configuration Settings”，這時可以在視窗右邊看到”SSL Cipher Suite Order”項:

點選該項後進入”SSL Cipher Suite Order”。這裡可以看到作業系統支援的Cipher的集合，以及對不同Cipher的排序

如果需要調整這裡排序，或者去掉一些弱的Cipher，可以點選左上角的“Enabled”，然後在“Options”中重寫編輯Cipher的列表。如果喜歡命令列，可以通過下面的Powershell命令修改金鑰演算法套件：

Set-ItemProperty -path HKLM:/SOFTWARE/Policies/Microsoft/Cryptography/Configuration/SSL/0001002 -name Functions -value "XXX,XXX,XXX"

那麼Cipher的這一長串名字是什麼含義呢？其實，每種Cipher的名字裡包含了四部分資訊，分別是

• 金鑰交換演算法，用於決定客戶端與伺服器之間在握手的過程中如何認證，用到的演算法包括RSA，Diffie-Hellman，ECDH，PSK等
• 加密演算法，用於加密訊息流，該名稱後通常會帶有兩個數字，分別表示金鑰的長度和初始向量的長度，比如DES 56/56, RC2 56/128, RC4 128/128, AES 128/128, AES 256/256
• 報文認證資訊碼（MAC）演算法，用於建立報文摘要，確保訊息的完整性（沒有被篡改），演算法包括MD5，SHA等。
• PRF（偽隨機數函式），用於生成“master secret”。

完全搞懂上面的內容似乎還需要一本書的介紹（我已經力不從心了）。不過大致瞭解一下，有助於理解Cipher的名字，比如前面伺服器發回給客戶端的Cipher ： TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA 。從其名字可知，它是

• 基於TLS協議的；
• 使用ECDHE、RSA作為金鑰交換演算法；
• 加密演算法是AES（金鑰和初始向量的長度都是256）；
• MAC演算法（這裡就是雜湊演算法）是SHA。

熟悉了Cipher名字背後的含義後，讓我們看看像IIS這樣的Web伺服器如何選擇一個金鑰演算法呢？假如瀏覽器發來的金鑰演算法套件為[C1, C2, C3]，而Windows Server支援的套件為[C4, C2, C1, C3]時，C1和C2都是同時被雙方支援的演算法，IIS是優先返回C1，還是C2呢？答案是C2。IIS會遍歷伺服器的金鑰演算法套件，取出第一個C4，發現瀏覽器並不支援；接下來取第二個C2，這個被瀏覽器支援！於是，IIS選擇了C2演算法，並將它包含在一個“ServerHello”握手協議中，發回給客戶端。這就有了圖5中的結果。

3. 選擇

作為瀏覽器的使用者，你可以讓瀏覽器只能訪問支援TLS 1.2協議的站點，以獲得更好的安全性，以及更差的體驗。作為伺服器的維護者，似乎將最強壯的Cipher排在前面是正確的選擇。就在前不久，我們開發的一個Web報稅系統在一次由第三方進行的安全檢查中，被報出的問題之一就是伺服器預設的Cipher太弱（RC4-based），於是我們使用了AES-based的Cipher，但是金鑰長度只是選擇了128，而不是256，背後的擔憂主要來自於效能——加密與解密是CPU密集型操作，我們擔心到報稅忙季時，過強的Cipher會帶來效能問題。

其實像Amazon和Google這些網際網路公司都在使用RC4-based的加密演算法。這又是一次理論與實踐的交鋒。至於這次對於的線上系統所做的調整會不會對效能產生影響，幾個月後就能見分曉了。