Swoole 原始碼分析——Server 模組之 OpenSSL (上)

前言

自從 Let's Encrypt 上線之後，HTTPS 網站數量佔比越來越高，相信不久的未來就可以實現全網 HTTPS，大部分主流瀏覽器也對 HTTP 網頁給出明顯的 不安全 標誌。

SSL 是在 TCP 層之上為客戶端服務端之間資料傳輸運用複雜的加密演算法，swoole 使用 SSL 加密只需要兩個步驟：

$serv = new swoole_server("0.0.0.0", 443, SWOOLE_PROCESS, SWOOLE_SOCK_TCP | SWOOLE_SSL);
$key_dir = dirname(dirname(__DIR__)).'/tests/ssl';

$serv->set(array(
    'worker_num' => 4,
    'ssl_cert_file' => $key_dir.'/ssl.crt',
    'ssl_key_file' => $key_dir.'/ssl.key',
));

SSL/TLS 安全通訊

由於 HTTPS 的推出受到了很多人的歡迎，在 SSL 更新到 3.0 時，IETF 對 SSL3.0 進行了標準化，並新增了少數機制(但是幾乎和 SSL3.0 無差異)，標準化後的 IETF 更名為 TLS1.0 (Transport Layer Security 安全傳輸層協議)，可以說 TLS 就是 SSL 的新版本 3.1，並同時釋出“ RFC2246-TLS 加密協議詳解”。

首先我們先來了解一下 SSL/TLS 的原理。

以下內容來源於參考文獻：TLS和安全通訊

加密技術

TLS 依賴兩種加密技術：

1. 對稱加密（symmetric encryption）
2. 非對稱加密（asymmetric encryption）

對稱加密

對稱加密的一方（比如小紅）用秘鑰 K 給文字 M 加密；另一方（比如小明）用
同一個秘鑰解密：

小紅 : C = E(M, K)
小明 : M = D(C, K)

這有一個問題：當一方生成了秘鑰 K 之後得把 K 分享給另一方。但是穿越 Sin City 的道路危險中途很可能有人竊聽到 K，竊聽者就可以假扮雙方中的任何一
方與另一方通訊。這叫中間人攻擊。

非對稱加密

非對稱加密利用成對的兩個秘鑰：K1 和 K2。小紅用其中一個加密文字，小明可
以用另一個解密文字。比如，小紅用 K1 加密，小明用 K2 解密：

小紅 : C = E(M, K1)
小明 : M = D(C, K2)

這樣一來，雙方中的一方（比如小紅）可以生成 K1 和 K2，然後把其中一個秘鑰（比如 K1）私藏，稱為私鑰；另一個（比如K2）公開，稱為公鑰。另一方（比如小明）得到公鑰之後，雙方就可以通訊。

然而，中間人還是可能截獲公鑰 K2，然後自己弄一對秘鑰（κ1, κ2），然後告訴小明說 κ2 是小紅的公鑰。這樣中間人每次可以用截獲的 K2 解密小紅髮給小明的文字（甚至可能修改文字），再用 κ1 加密了發出去；小明用 κ2 解密接收。

數字簽名和CA

為了幫小明確定得到的公鑰確實是小紅的 K2，而不是中間人偽造的 κ2，牛人們發明了數字簽名（digital signature）技術。

數字簽名的做法是：

1. 小紅把自己的公鑰和 ID（身份證號碼，或者域名）合為身份證申請（certificate signing request，CSR），
2. 小紅把 CSR 發給一個德高望重的人（被稱為 certificate authority，CA），比如小亮，
3. 小亮用自己的私鑰加密小紅的 CSR，得到的密文被稱為數字簽名（digital signature），
4. 小亮把 signature 和 CSR 的明文合在一起稱為 CA簽署的身份證（CA signed certificate，CRT），發給小紅，

小紅：CSR = 小紅公鑰+小紅域名
     signature = E(CSR, 小亮的私鑰)
     CRT = CSR + signature

每當其他人（比如小明）找小紅聊天（建立 HTTPS 連線）的時候，小紅出示自己的小亮簽署的身份證。拿到這個身份證的人，只要他是相信小亮的——在自己機器上安裝了小亮的身份證，就可以

1. 從小亮的身份證中的小亮的 CSR 裡提取小亮的公鑰；
2. 然後用小亮的公鑰解密小紅的身份證中小亮的 signature，得到一個小紅的 CSR；
3. 如果這個 CSR 和小紅身份證中的 CSR 明文一致，則說明“這個小紅的身份證是小亮確認過並且簽名的”。

小明：小亮的公鑰 = 小亮的CRT.CSR.小亮的公鑰
     CSR' = D(CRT.signature, 小亮的公鑰)
     if CSR' == CRT.CSR then OK

由此過程可以看出來：隨便誰都可以當 CA ——只要願意公開自己的公鑰，即可用自己的私鑰去加密別人的認證。那我們要是信錯了 CA，被他擺一道怎麼辦？答案是：沒辦法。我們選擇信任社會，要相信如果 CA 說謊，萬一被識破，就沒有人
再相信他了。現實中，很多作業系統（Windows、Mac OS X）和瀏覽器（Chrome、Firefox、IE）會內建一些靠譜的 CA 的身份證。

信任鏈

小亮如果擔心沒有人信任自己是個好 CA（就像沒人信CNNIC一樣），可以找一個大家都信的 CA，比如老王，用老王的私鑰在小亮的身份證上簽名：

小亮：CSR = 小亮的公鑰+小亮域名
     signature = E(CSR, 老王的私鑰)
     CRT = CSR + signature

如果瀏覽器或者作業系統裡安裝了老王的公鑰則可以驗證“小亮的身份證是老王確認並且簽名過的”。

這樣，小亮在簽署小紅的身份證的時候，可以在小紅身份證後面附上自己的身份證。這樣小紅的身份證就有“兩頁”了。

當小明和小紅通訊的時候：

1. 小明會先要求小紅出示自己的身份證；
2. 小明雖然不信任小亮，但是信任老王，所以小明可以用老王的身份證裡的老
   王的公鑰來驗證小紅身份證附帶的小亮的身份證，於是就可以信任小亮了；
3. 然後小明用小亮身份證裡的公鑰驗證小紅的身份證。

要是怕小明連自己也也不信任，老王可以再找一個小明信任的人來簽名確認自己的身份證。這個過程可以不斷遞推，從而形成了一條信任鏈（trust of chain)

根身份證和自簽名

信任鏈總會有個頂端，被稱為根身份證（root CA）。那麼根身份證是誰簽名的呢？答案是：自己簽名。實際上，我們每個人都可以自己簽名認證自己的身份證，得到自簽名的身份證（self-signed certificate）。具體過程是：

1. 生成一對秘鑰：公鑰 K2 和私鑰 K1，
2. 建立自己的 CSR，
3. 用自己的秘鑰加密 CSR 得到 signature，然後把 CSR 明文和 signature 一起釋出。

任何人只要信任我們自簽名的身份證 CRT，也就可以用 CRT.CSR.K2 作為公鑰加密要傳遞給我們的文字。我們可以用自己的私鑰 K1 來解密文字。

一般來說，自簽名的根身份證用於公司內部使用。

如果老王就是根 CA 了，那麼上述各位的身份證的信任鏈如下：

小紅：CSR = 小紅公鑰+小紅域名
     signature = E(CSR, 小亮的私鑰)
     CRT = CSR + signature

小亮：CSR = 小亮的公鑰+小亮域名
     signature = E(小亮的CSR, 老王的私鑰)
     CRT = 小亮的CSR + signature

老王：CSR = 老王的公鑰+老王的域名
     signature = E(老王的CSR, 老王自己的私鑰)
     CRT = 老王的CSR + signature

雙方TLS認證

上述例子解釋了通訊的一方如何驗證另一方的身份。這種情況的一個常見應用是：我們透過瀏覽器訪問銀行的網頁。這裡的關鍵是，我們要能驗證銀行的身份證，然後才敢於在網頁裡輸入賬號和密碼。瀏覽器驗證銀行的身份證的過程如下：

1. 在瀏覽器和銀行的HTTPS服務建立安全連線的過程中，銀行的HTTPS服務會把
   它的身份證發給瀏覽器
2. 瀏覽器使用內建的CA的身份證來驗證銀行的身份證。

瀏覽器驗證了銀行的 HTTPS 服務的身份之後，就輪到銀行驗證瀏覽器的使用者的身份了：

1. 瀏覽器展示銀行HTTPS服務發來的登陸頁面；
2. 使用者在這個頁面裡輸入賬號和密碼，銀行的HTTPS服務由此驗證使用者的身份。

在這個過程中，銀行 HTTPS 伺服器的身份是透過 TLS 身份證來驗證的。而我們（使用者）的身份是透過我們輸入的賬號和密碼來驗證的。

有時通訊的雙方都是程式（而不是人）。此時，讓一方輸入賬號和密碼，不如讓雙方都透過 TLS 身份證來互相驗證方便。尤其是在很多分散式系統裡，有多種型別的程式互相通訊，而不只是兩方通訊。

比如在 Kubernetes 機群裡，不光操作機群的客戶端程式 kubectl 要能驗證 Kubernetes master node（具體的說是 apiserver）的身份，才能放心地把包括敏感資訊（比如資料庫密碼）的計算作業提交給 apiserver。類似的，apiserver 也要能驗證 kubectl的身份，以確認提交作業的是公司的合法僱員，而不是外賊。

為此，通訊各方都需要有各自的身份證。一個公司可以自簽名一個 CA 身份證，並且用它來給每個僱員以及每個程式簽署身份證。這樣，只要每臺電腦上都預先安裝好公司自己的 CA 身份證，就可以用這個身份證驗證每個僱員和程式的身份了。
這是目前很多公司的常用做法。

加密和解密的效能

因為 TLS 模式下所有傳輸的資料都是加密的，大家會關注加密和解密的效能。客觀的說，非對稱加密技術的加密和解密比較慢，相對來說，對稱加密技術的加密解密過程更快。所以實際的連線和握手過程中，通訊雙方會協商一個對稱加密秘鑰，之後的資料通訊過程中的加密都是利用對稱加密技術來實現的。

具體的做法是：握手的時候，雙方各自生成一個隨機數，並且以非對稱加密的方式分享給對方。然後每一方都把自己的隨機數和對方的隨機數拼起來，就是接下來通訊時候使用的對稱加密方法的秘鑰了。

OpenSSL 操作指南

接下來，我們來看看如何生成 HTTPS 所需要的證照。

以下內容來源於參考文獻：openssl的介紹和使用

openssl 簡介

OpenSSL 是一個開源專案，其組成主要包括一下三個元件：

• openssl：多用途的命令列工具
• libcrypto：加密演算法庫
• libssl：加密模組應用庫，實現了ssl及tls

openssl 可以實現：秘鑰證照管理、對稱加密和非對稱加密更多簡介和官網。

指令

平時我們使用 openssl 最多的莫過於使用指令了，而最為常見的幾個指令如下：

• genrsa 生成RSA引數
• req
• x509
• rsa
• ca

genrsa 簡介

平時主要用來生成私鑰，選擇使用的演算法、對稱加密密碼和私鑰長度來生成私鑰。也就是生成 key 檔案。

基本用法：

openssl genrsa [args] [numbits]

其中常見的引數：【更多引數檢視：openssl genrsa -help】

args1 對生成的私鑰檔案是否要使用加密演算法進行對稱加密: 
    -des : CBC模式的DES加密 
    -des3 : CBC模式的3DES加密 
    -aes128 : CBC模式的AES128加密 
    -aes192 : CBC模式的AES192加密 
    -aes256 : CBC模式的AES256加密 
args2 對稱加密密碼
    -passout passwords
    其中passwords為對稱加密(des、3des、aes)的密碼(使用這個引數就省去了console互動提示輸入密碼的環節) 
args3 輸出檔案
    -out file : 輸出證照私鑰檔案 
[numbits]: 金鑰長度，理解為私鑰長度 

生成一個 2048 位的 RSA 私鑰，並用 des3 加密(密碼為 123456 )，儲存為 server.key 檔案

openssl genrsa -des3 -passout pass:123456 -out server.key  2048 
// -des3 是第一個引數args1；  
// -passout pass:123456 是第二個引數寫法 args2
// -out server.key 第三個引數args3；   
// 2048 最後一個[numbits]引數

生成的 key 檔案是 PEM 格式的

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
Proc-Type: 4,ENCRYPTED
DEK-Info: DES-EDE3-CBC,DB98A9512DD7CBCF

yKTM+eoxBvptGrkEixhljqHSuE+ucTh3VqYQsgO6+8Wbh1docbFUKzLKHrferJBH
...
-----END RSA PRIVATE KEY-----

雖說檔案頭尾都標註著 RSA PRIVATE KEY，但實際上這個檔案裡既包括公鑰也包括私鑰。

req 命令

req 的基本功能主要有兩個：生成證照請求和生成自簽名證照，也就是 csr 檔案，或者自簽名的 crt 檔案。當然這並不是其全部功能，但是這兩個最為常見；

常見使用方法：

openssl req [args] outfile

主要引數：【更多引數檢視：openssl req -help】

args1 是輸入輸入檔案格式：
    -inform arg
    -inform DER 使用輸入檔案格式為DER
    -inform PEM 使用輸入檔案格式為PEM
args2 輸出檔案格式:
    -outform arg   
    -outform DER 使用輸出檔案格式為DER
    -outform PEM 使用輸出檔案格式為PEM
args3 是待處理檔案 
    -in inputfilepath
args4 待輸出檔案
    -out outputfilepath
args5 用於簽名待生成的請求證照的私鑰檔案的解密密碼
    -passin passwords       
args6 用於簽名待生成的請求證照的私鑰檔案
    -key file
args7 指定輸入金鑰的編碼格式 
    -keyform arg  
    -keyform  DER
    -keyform  NET
    -keyform  PEM
args8 生成新的證照請求 
    -new

args9 輸出一個X509格式的證照,簽名證照時使用 
     -x509          
args10 使用 X509 簽名證照的有效時間  
    -days  // -days 3650 有效期10年

args11 生成一個bits長度的RSA私鑰檔案，用於簽發【生成私鑰、並生成自簽名證照】 
    -newkey rsa:bits 

args12設定HASH演算法-[digest]【生成私鑰指定的hash摘要演算法】
    -md5
    -sha1  // 高版本瀏覽器開始不信任這種演算法
    -md2
    -mdc2
    -md4
args13指定openssl配置檔案,很多內容不容易透過引數配置，可以指定配置檔案
    -config filepath   
args14 顯示格式txt【用於檢視證照、私鑰資訊】
    -text

使用的案例：利用私鑰生成證照請求 csr

openssl req -new -key server.key -out server.csr

server.csr 檔案也是 PEM 格式的，檔案頭尾標註為 CERTIFICATE REQUEST:

-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
MIIC0TCCAbkCAQAwgYsxCzAJBgNVBAYTAlVTMQswCQYDVQQIEwJDQTERMA8GA1UE
...
-----END CERTIFICATE REQUEST-----

使用案例：利用私鑰生成自簽名證照

openssl req -new -x509 -days 3650 -key ca.key -out ca.crt

x509 命令

x509 是一個功能很豐富的證照處理工具。可以用來顯示證照的內容，轉換其格式，給 CSR 簽名等 X.509 證照的管理工作；

用法如下：

openssl x509 [args]

引數如下：【更多引數檢視：openssl x509 -help】

args1 是輸入輸入檔案格式：
    -inform arg
    -inform DER 使用輸入檔案格式為DER
    -inform PEM 使用輸入檔案格式為PEM
args2 輸出檔案格式:
    -outform arg   
    -outform DER 使用輸出檔案格式為DER
    -outform PEM 使用輸出檔案格式為PEM
args3 是待處理X509證照檔案 
    -in inputfilepath
args4 待輸出X509證照檔案
    -out outputfilepath
args5表明輸入檔案是一個"請求籤發證照檔案(CSR)"，等待進行簽發
    -req            
args6簽名證照的有效時間  
    -days  // -days 3650 有效期10年      
args7 指定用於簽發請求證照的根CA證照 
    -CA arg 
args8 根CA證照格式(預設是PEM)     
    -CAform arg     
args9 指定用於簽發請求證照的CA私鑰證照檔案    
    -CAkey arg      
args10 指定根CA私鑰證照檔案格式(預設為PEM格式)
    -CAkeyform arg  
args11 指定序列號檔案(serial number file)    
    -CAserial arg   
args12 如果序列號檔案(serial number file)沒有指定，則自動建立它 
    -CAcreateserial 
args13設定HASH演算法-[digest]【生成私鑰指定的hash摘要演算法】
    -md5
    -sha1  // 高版本瀏覽器開始不信任這種演算法
    -md2
    -mdc2
    -md4

使用例項： 使用根 CA 證照[ ca.crt ]和私鑰[ ca.key ]對"請求籤發證照"[ server.csr ]進行簽發，生成 x509 格式證照

openssl x509 -req -days 3650 -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out serverx509.crt

server.crt 也是 PEM 格式的。檔案頭尾的標記為 CERTIFICATE:

-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIDlDCCAnwCCQDQ1UvQyFD7jDANBgkqhkiG9w0BAQsFADCBizELMAkGA1UEBhMC
...
-----END CERTIFICATE-----

DER、CRT、CER、PEM、KEY、PFX/P12 格式

下文參考文獻：DER、CRT、CER、PEM格式的證照及轉換

證照和編碼

X.509 證照,其核心是根據 RFC 5280 編碼或數字簽名的數字文件。

實際上，術語 X.509 證照通常指的是 IETF 的 PKIX 證照和 X.509 v3 證照標準的 CRL 檔案，即如 RFC 5280（通常稱為PKIX for Public Key Infrastructure（X.509））中規定的。

X509檔案擴充套件

我們首先要了解的是每種型別的副檔名。 很多人不清楚DER，PEM，CRT和CER結尾的檔案是什麼，更有甚者錯誤地說是可以互換的。 在某些情況下，某些可以互換，最佳做法是識別證照的編碼方式，然後正確標記。 正確標籤的證照將更容易操縱

編碼--決定副檔名方式

.DER 副檔名

.DER = DER 擴充套件用於二進位制 DER 編碼證照。

這些檔案也可能承載 CER 或 CRT 擴充套件。 正確的說法是“我有一個 DER 編碼的證照”不是“我有一個 DER 證照”。

.PEM 副檔名

.PEM = PEM 擴充套件用於不同型別的 X.509v3 檔案，是以“ - BEGIN ...”字首的 ASCII（Base64） 資料。

常見的擴充套件

• .CRT 副檔名

.CRT = CRT 擴充套件用於證照。 證照可以被編碼為二進位制 DER 或 ASCII PEM。 CER 和 CRT 擴充套件幾乎是同義詞。 最常見的於 Unix 或類 Unix 系統。

• .CER 副檔名

CER = .crt 的替代形式（Microsoft Convention）您可以在微軟系統環境下將 .crt 轉換為 .cer（ .DER 編碼的 .cer，或 base64 [PEM] 編碼的 .cer）。

• .KEY 副檔名

.KEY = KEY 副檔名用於公鑰和私鑰 PKCS＃8。 鍵可以被編碼為二進位制 DER 或 ASCII PEM。

• PFX/P12 副檔名

predecessor of PKCS#12,對 *nix 伺服器來說,一般 CRT 和 KEY 是分開存放在不同檔案中的,但 Windows 的 IIS 則將它們存在一個 PFX 檔案中,(因此這個檔案包含了證照及私鑰)這樣會不會不安全？應該不會,PFX 通常會有一個"提取密碼", 你想把裡面的東西讀取出來的話,它就要求你提供提取密碼,PFX 使用的時 DER 編碼,如何把 PFX 轉換為 PEM 編碼？

openssl pkcs12 -in for-iis.pfx -out for-iis.pem -nodes

這個時候會提示你輸入提取程式碼. for-iis.pem 就是可讀的文字.
生成 pfx 的命令類似這樣:

openssl pkcs12 -export -out certificate.pfx -inkey privateKey.key -in certificate.crt -certfile CACert.crt

其中 CACert.crt 是 CA (權威證照頒發機構)的根證照,有的話也透過 -certfile 引數一起帶進去.這麼看來,PFX 其實是個證照金鑰庫.

常見的 OpenSSL 證照操作

證照操作有四種基本型別。檢視，轉換，組合和提取。

檢視證照

即使PEM編碼的證照是 ASCII，它們也是不可讀的。這裡有一些命令可以讓你以可讀的形式輸出證照的內容;

• 檢視 PEM 編碼證照

openssl x509 -in cert.pem -text –noout

openssl x509 -in cert.cer -text –noout

openssl x509 -in cert.crt -text –noout

如果您遇到這個錯誤，這意味著您正在嘗試檢視DER編碼的證照，並需要使用“檢視DER編碼證照”中的命令。
unable to load certificate

12626:error:0906D06C:PEMroutines:PEM_read_bio:no start line:pem_lib.c:647:Expecting: TRUSTEDCERTIFICATE

• 檢視 DER 編碼證照

openssl x509 -in certificate.der -inform der -text -noout

如果您遇到以下錯誤，則表示您嘗試使用DER編碼證照的命令檢視PEM編碼證照。在“檢視PEM編碼的證照”中使用命令
unable to load certificate

13978:error:0D0680A8:asn1 encodingroutines:ASN1_CHECK_TLEN:wrong tag:tasn_dec.c:1306:

13978:error:0D07803A:asn1 encodingroutines:ASN1_ITEM_EX_D2I:nested asn1 error:tasn_dec.c:380:Type=X509

轉換證照格式

轉換可以將一種型別的編碼證照存入另一種。（即PEM到DER轉換）

openssl x509 -in cert.crt -outform der-out cert.der

openssl x509 -in cert.crt -inform der -outform pem -out cert.pem

組合證照

在某些情況下，將多個 X.509 基礎設施組合到單個檔案中是有利的。一個常見的例子是將私鑰和公鑰兩者結合到相同的證照中。

組合金鑰和鏈的最簡單的方法是將每個檔案轉換為 PEM 編碼的證照，然後將每個檔案的內容簡單地複製到一個新檔案中。這適用於組合檔案以在 Apache 中使用的應用程式

證照提取

一些證照將以組合形式出現。 一個檔案可以包含以下任何一個：證照，私鑰，公鑰，簽名證照，證照頒發機構（CA）和/或許可權鏈。

SSL/TLS 握手流程

簡潔版流程

• 第一步，愛麗絲給出協議版本號、一個客戶端生成的隨機數（Client random），以及客戶端支援的加密方法。
• 第二步，鮑勃確認雙方使用的加密方法，並給出數字證照、以及一個伺服器生成的隨機數（Server random）。
• 第三步，愛麗絲確認數字證照有效，然後生成一個新的隨機數（Premaster secret），並使用數字證照中的公鑰，加密這個隨機數，發給鮑勃。
• 第四步，鮑勃使用自己的私鑰，獲取愛麗絲髮來的隨機數（即 Premaster secret）。
• 第五步，愛麗絲和鮑勃根據約定的加密方法，使用前面的三個隨機數，生成"對話金鑰"（session key），對話金鑰被切片生成兩個對稱金鑰和 MAC 金鑰，用來加密接下來的整個對話過程。

注意這個例子只是傳統的 RSA 模式金鑰交換的 SSL 握手流程。

詳細流程

以下內容參考文獻：

SSL/TLS協議執行機制的概述

SSL/TLS協議詳解

客戶端發出請求（ClientHello）

握手第一步是客戶端向服務端傳送 Client Hello 訊息，這個訊息裡包含了

• 一個客戶端生成的隨機數 Client random、
• 客戶端支援的加密套件（Support Ciphers）
• 支援的協議版本 SSL Version，比如TLS 1.0版。
• 支援的壓縮方法
• Session id 用於會話複用

• Extension 擴充欄位的存在，是因為 SSL 協議起草之初有些功能沒有考慮到，後續這些功能被加進 RFC，而為了相容 SSL，把這些功能的描述放到 Extension 中。

  • Server_name(SNI): 客戶端在 client hello 中帶上 server name 擴充（如果使用 ip 地址進行訪問，那麼就不會有 server name 擴充），它會捎帶上域名地址，伺服器解析到 server name 後，就會根據 server name 中的域名，選擇合適的證照。
  • Elliptic_curves/ec_point_formats: 使用橢圓曲線金鑰交換演算法的時候用到，裡面列舉了自己支援的橢圓曲線演算法，供伺服器選擇。
  • SessionTicket TLS: 會話複用時使用。
  • status_request: 請求 OCSP，伺服器可以傳送 cettificate status 到客戶端，裡面帶上 ocsp 的資訊。
  • signature_algorithms: 表示自己支援的簽名演算法，伺服器收到這個擴充，在進行例如 server key exchange 簽名等操作時，需要參考客戶端這個擴充。
  • application_layer_negotiation(ALPN): 用以描述支援的上層協議，h2、http/1.1、spdy等。可以把他想象成IP頭中的protocol，描述了上層是TCP還是UDP還是ICMP。目前主流瀏覽器，若要使用HTTP2，則必須使用這個擴充。
  • Renegotiation info: 如果是重新協商（即加密的 hello），那麼會帶上上次協商的 12 位元組的 finished，如果是新 hello 請求，那麼裡面欄位為0。

  切記及時伺服器端不支援renegotiation，在server hello響應時也需要帶上這個擴充

這裡需要注意的是，客戶端傳送的資訊之中不包括伺服器的域名。也就是說，理論上伺服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照。這就是為什麼通常一臺伺服器只能有一張數字證照的原因。

對於虛擬主機的使用者來說，這當然很不方便。2006年，TLS協議加入了一個 Server Name Indication 擴充套件，允許客戶端向伺服器提供它所請求的域名。

伺服器回應（SeverHello）

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

• 確認使用的加密通訊協議版本，比如 TLS 1.0 版本。如果瀏覽器與伺服器支援的版本不一致，伺服器關閉加密通訊。
• 一個伺服器生成的隨機數，稍後用於生成"對話金鑰"。注意，至此客戶端和服務端都擁有了兩個隨機數
• 從 Client Hello 傳過來的 Support Ciphers 裡確定一份加密套件，這個套件決定了後續加密和生成摘要時具體使用哪些演算法，比如 RSA 公鑰加密。
• session id（sessionid 會話複用需要帶上，當然命中 session ticket 時也需要帶上）
• 擴充。一般會帶上空的 renegotiation info（前提是客戶端提供了 EMPTY_SCSV 加密套件或者有renegotiation info 擴充），以表示自己支援 secure renegotiation。

除了上面這些資訊，如果伺服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"客戶端證照"

伺服器證照傳送 (Server Certificate)

傳送伺服器證照，將伺服器配置的證照（鏈）傳送到客戶端。

注意證照鏈的順序，最下層證照在前（使用者證照在前，上級證照在後）。傳送的證照是二進位制格式，並非 base64 之後的格式。

伺服器端秘鑰交換 （server key exchange）

對於使用DHE/ECDHE非對稱金鑰協商演算法的SSL握手，將傳送該型別握手。

RSA 演算法不會繼續該握手流程（DH、ECDH 也不會傳送 server key exchange）。

ECDHE 下主要有幾點重要的資訊：

• 指明自己使用的橢圓曲線（一般根據客戶端的擴充中 supported_groups 中的選擇橢圓曲線演算法）。
• 公鑰。伺服器本地計算一個大數（BIGNUM），乘上曲線的 base point，得到一個新的 point，這個 point 就是公鑰，用 04+x+y 的格式組織起來。04 表示 unconpressed point ，和客戶端的 ec_point_formats 有關。
• 簽名。和 RSA 握手不同，RSA 情況下，只要能值正常協商金鑰，那麼必然伺服器端有證照對應的私鑰，也間接表明了伺服器擁有該證照。DHE/ECDHE 不同，證照對應的私鑰並不參與金鑰協商，如果要證明伺服器擁有證照，則必然有簽名的操作（就像雙向認證的情況下，客戶端需要傳送 certificate verify）。被簽名資料從 curve type 起，至 point 的 y 為止。對於 TLS1.2，簽名前使用 client hello 擴充中提供的雜湊演算法。TLS1.0 和TLS1.1，如果本地證照是 ECC 證照，即若要使用 ECDSA 簽名，這種雜湊演算法為 SHA1，其他的情況摘要演算法為md5+sha1。

• 計算雜湊之後就呼叫 RSA 或者 ECDSA 進行簽名。注意的是，TLS1.2 時要帶上 2 位元組的 “Signature Hash Algorithm”。

  • 橢圓曲線數字簽名演算法（ECDSA）是使用橢圓曲線密碼（ECC）對數字簽名演算法（DSA）的模擬。
  • DSA 演算法是 RSA 演算法的反向演算法，服務端利用私鑰加密，客戶端用公鑰進行驗證，速度更快，但是不能加密，只能用於簽名驗證，因為公鑰是公開的。

DHE 下主要有幾點重要的資訊：

• 指明自己使用的 DH 引數，p 和 q。
• 伺服器端計算私鑰 Xb，計算 q^Xb mod p，將結果 Pb 發給客戶端，自己僅且自己儲存 Xb。
• 簽名流程與上述類似，不再贅述。

服務端證照請求 (certificate request)

雙向認證時，伺服器會傳送 certificate request，表明自己想要收到客戶端的證照。

這個型別的握手主要包含了 ca 證照的 subject ，用以告訴客戶端自己需要哪些證照，不是由這些 ca 簽發的證照“我”不要。

客戶端，例如瀏覽器在收到這個請求時，如果不存在對應的證照，則傳送一個空的 certificate 至伺服器，如果存在一個證照，則傳送該 certificate 至伺服器。如果存在多個對應的證照，則會彈出一個彈出框讓你選擇。

Certificate request 還包含了想要證照的簽名的型別，RSA 還是 ECDSA，對於 TLS1.2 還會包括摘要資訊。

服務端結束 (Server hello done)

伺服器告訴客戶完成它的初始化流通訊息。

客戶端證照傳送 (client certificate)

如果伺服器端請求了客戶端的證照，客戶端即使沒有證照，也需要傳送該型別的握手報文，只是這種情況下，裡面的內容為0。

如果瀏覽器有對應的證照，則會傳送證照，當然，也有可能傳送上級證照（即傳送證照鏈），這個完全取決於瀏覽器。

客戶端金鑰交換 （client key exchange）

• ECDH/ECDHE 下比較簡單了，和 server key exchange 處理一樣，客戶端隨機生成一個大數，然後乘上 base point，得到的結果就是 public key。

• DHE 下客戶端計算隨機數 Xa，然後該報文中的 Pubkey 就是 q^Xa mop p

• RSA 下客戶端隨機生成 48 位元組的預主金鑰，然後使用 pkcs1 規則填充至公鑰一樣的長度，隨後呼叫 RSA 進行運算，得到 Encrypted PreMaster。填充規則如下：00 + 02 + non_zero + 0 + pre_master。

  "不管是客戶端還是伺服器，都需要隨機數，這樣生成的金鑰才不會每次都一樣。由於SSL協議中證照是靜態的，因此十分有必要引入一種隨機因素來保證協商出來的金鑰的隨機性。
  對於RSA金鑰交換演算法來說，pre-master-key本身就是一個隨機數，再加上hello訊息中的隨機，三個隨機數透過一個金鑰匯出器最終匯出一個對稱金鑰。
   pre master的存在在於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，那麼pre master secret就有可能被猜出來，那麼僅適用pre master secret作為金鑰就不合適了，因此必須引入新的隨機因素，那麼客戶端和伺服器加上pre master secret三個隨機數一同生成的金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。"

服務端證照驗證 (Certificate verify)

傳送這個型別的握手需要2個前提條件

• 伺服器端請求了客戶端證照
• 客戶端傳送了非0長的證照

此時，客戶端想要證明自己擁有該證照，必然需要私鑰簽名一段資料發給伺服器驗證。

簽名的資料是客戶端傳送 certificate verify 前，所有收到和傳送的握手資訊（不包括5位元組的 record）。其實這個流程和簽名 server key exchange 基本一樣。計算摘要，然後簽名運算。

加密標識 (Change cipher)

指示 Server 從現在開始傳送的訊息都是加密過的。

伺服器握手結束通知 (Encrypted handshake message)

其實這個報文的目的就是告訴對端自己在整個握手過程中收到了什麼資料，傳送了什麼資料。來保證中間沒人篡改報文。

其次，這個報文作用就是確認秘鑰的正確性。因為 Encrypted handshake message 是使用對稱秘鑰進行加密的第一個報文，如果這個報文加解密校驗成功，那麼就說明對稱秘鑰是正確的。

計算方法也比較簡單，將之前所有的握手資料（包括接受、傳送），計算 md 雜湊運算，然後計算 prf，然後就是使用協商好的對稱金鑰進行加密了。

MD運算：

• 對於 TLS1.2，摘要演算法是 sha256，即 md_result = sha256(all_handshake)；
• 對於 TLS1.0 1.1，摘要演算法是 md5 和 sha1 結果的拼接，即 md_result = md5(all_handshake) + sha1(all_handshake)。
• 特殊情況：如果加密套件中指定了 sha384 演算法，例如 RSA_WITH_AES256_CBC_SHA384 加密套件，則無論協商使用 tls 哪個版本，都用 sha384，即 md_result = sha384(all_handshake)。

PRF運算:

計算完雜湊後，客戶端按這種格式：“client finished”+ md_result，作為 prf 的輸入。PRF 的輸出指定為 12位元組。12 位元組的資料前填充 4 位元組 message 頭部資訊，就可以送入對稱加密流程進行加密了。

PRF 運算其實就是 P_HASH 運算，P_HASH 就是不斷 hmac 運算，直到計算出預定指定長度的值為止。

秘鑰交換演算法

HTTPS 透過 TLS 層和證照機制提供了內容加密、身份認證和資料完整性三大功能，可以有效防止資料被監聽或篡改，還能抵禦 MITM（中間人）攻擊。TLS 在實施加密過程中，需要用到非對稱金鑰交換和對稱內容加密兩大演算法。

對稱內容加密強度非常高，加解密速度也很快，只是無法安全地生成和保管金鑰。在 TLS 協議中，應用資料都是經過對稱加密後傳輸的，傳輸中所使用的對稱金鑰，則是在握手階段透過非對稱金鑰交換而來。常見的 AES-GCM、ChaCha20-Poly1305，都是對稱加密演算法。

非對稱金鑰交換能在不安全的資料通道中，產生只有通訊雙方才知道的對稱加密金鑰。目前最常用的金鑰交換演算法有 RSA 和 ECDHE：RSA 歷史悠久，支援度好，但不支援 PFS（Perfect Forward Secrecy）；而 ECDHE 是使用了 ECC（橢圓曲線）的 DH（Diffie-Hellman）演算法，計算速度快，支援 PFS。

只有非對稱金鑰交換，依然無法抵禦 MITM 攻擊，還得引入身份認證機制。對於大部分 HTTPS網站來說，服務端一般透過 HTTP 應用層的帳號體系就能完成客戶端身份認證；而瀏覽器想要驗證服務端身份，需要用到服務端提供的證照。

在 RSA 金鑰交換中，瀏覽器使用證照提供的 RSA 公鑰加密相關資訊，如果服務端能解密，意味著服務端擁有證照對應的私鑰，同時也能算出對稱加密所需金鑰。金鑰交換和服務端認證合併在一起。

在 ECDHE 金鑰交換中，服務端使用證照私鑰對相關資訊進行簽名，如果瀏覽器能用證照公鑰驗證簽名，就說明服務端確實擁有對應私鑰，從而完成了服務端認證。金鑰交換和服務端認證是完全分開的。

可用於數字簽名的演算法主要有 RSA 和 ECDSA，也就是目前金鑰交換 + 簽名主流選擇：

• RSA 金鑰交換（無需簽名）；
• ECDHE 金鑰交換、RSA 簽名；
• ECDHE 金鑰交換、ECDSA 簽名；
• ECDH 金鑰交換、RSA 簽名；
• ECDH 金鑰交換、ECDSA 簽名；

內建 ECDSA 公鑰的證照一般被稱之為 ECC 證照，內建 RSA 公鑰的證照就是 RSA 證照。由於 256 位 ECC Key 在安全性上等同於 3072 位 RSA Key，加上 ECC 運算速度更快，ECDHE 金鑰交換 + ECDSA 數字簽名無疑是最好的選擇。由於同等安全條件下，ECC 演算法所需的 Key 更短，所以 ECC 證照檔案體積比 RSA 證照要小一些。

RSA 證照可以用於 RSA 金鑰交換（RSA 非對稱加密）或 ECDHE 金鑰交換（RSA 非對稱簽名）；而 ECC 證照只能用於 ECDHE 金鑰交換（ECDSA 非對稱簽名）。

並不是所有瀏覽器都支援 ECDHE 金鑰交換，也就是說 ECC 證照的相容性要差一些。

完全正向保密

"Forward Secrecy" 或 "Perfect Forward Secrecy-完全正向保密" 協議描述了秘鑰協商（比如秘鑰交換）方法的特點。實際上這意味著及時你的伺服器的秘鑰有危險，通訊僅有可能被一類人竊聽，他們必須設法獲的每次會話都會生成的秘鑰對。

完全正向保密是透過每次握手時為秘鑰協商隨機生成金鑰對來完成（和所有會話一個 key 相反）。實現這個技術（提供完全正向保密-Perfect Forward Secrecy）的方法被稱為 "ephemeral"。

通常目前有2個方法用於完成完全正向保密（Perfect Forward Secrecy）:

DHE - 一個迪菲-赫爾曼金鑰交換金鑰協議（Diffie Hellman key-agreement protocol）短暫（ephemeral）版本。

ECDHE - 一個橢圓曲線金鑰交換金鑰協議（ Elliptic Curve Diffie Hellman key-agreement protocol）短暫（ephemeral）版本。

短暫（ephemeral）方法有效能缺點，因為生成 key 非常耗費資源。

以下內容參考文獻：TLS/SSL 協議詳解 (30) SSL中的RSA、DHE、ECDHE、ECDH流程與區別

RSA 金鑰交換演算法

我們先來看看傳統的秘鑰交換演算法—— RSA 秘鑰交換演算法。它是不符合完全正向保密的，但是是我們上面講的經典秘鑰交換。

RSA的核心涉及公鑰私鑰的概念

• 使用公鑰加密的資料只有私鑰能解密
• 使用私鑰加密的資料只有公鑰能解密

我們構建這麼一種場景，伺服器配置有公鑰+私鑰，客戶端是離散的。

RSA演算法流程文字描述如下：

• 任意客戶端對伺服器發起帶有隨機碼的請求，伺服器發回另一個隨機碼和自己的公鑰到客戶端（公鑰明文傳輸）。
• 客戶端生成隨機碼，和前兩個隨機碼合併，使用隨機數演算法生成一個金鑰 S，使用收到的公鑰進行加密，生成 C，把 C 傳送到伺服器。
• 伺服器收到 C，使用公鑰對應的私鑰進行解密，得到 S。
• 上述交換步驟後，客戶端和伺服器都得到了 S，S 為金鑰（預主金鑰）。

我們來看看上述過程中，為何第三方無法得到 S。首先第一步後，客戶端有公鑰，伺服器有公鑰和私鑰。由於公鑰是明文傳輸的，所以可以假設第三方也有公鑰。

第二步後，客戶端傳送 C，伺服器能夠使用自己的私鑰進行解密，而第三方只有公鑰，無法解密。即第三方無法計算得到 S。

上述中，伺服器傳送的公鑰在 SSL 中是透過 certificate 報文傳送的，certificate 中的包含了公鑰。C 是透過 Client key exchange 報文傳送的。

其實，在實際 SSL 實際設計中，S 其實並沒有直接被當成金鑰加密，這裡為了描述原理，省去了對 S 後續進行 KDF 雜湊等操作，並不影響實際理解 RSA。

RSA 有一個問題，就是如果私鑰洩漏，即私鑰被第三方知道，那麼第三方就能從 C 中解密得到 S，即只要儲存所有的 A 和 B 的報文，等到私鑰被洩漏的那一天，或者有辦法快從 C 中計算 S 的方法出現（量子計算機分解大素數），那麼 A 和 B 就沒有什麼私密性可言了。

這就是所謂的前向不安全，私鑰參與了金鑰交換，安全性取決於私鑰是否安全儲存。

DHE 金鑰交換演算法

DHE演算法流程文字描述如下：

• 客戶端計算一個隨機值 Xa，使用 Xa 作為指數，即計算 Pa = q^Xa mod p，其中 q 和 p 是全世界公認的一對值。客戶端把 Pa 傳送至伺服器，Xa 作為自己私鑰，僅且自己知道。
• 伺服器和客戶端計算流程一樣，生成一個隨機值 Xb，使用 Xb 作為指數，計算 Pb = q^Xb mod p，將結果 Pb傳送至客戶端，Xb 僅自己儲存。
• 客戶端收到 Pb 後計算 Sa = Pb ^Xa mod p；伺服器收到 Pa 後計算 Sb = Pa^Xb mod p
• 演算法保證了 Sa = Sb = S，故金鑰交換成功，S 為金鑰（預主金鑰）。

上述途中，Sa 和 Sb 得到的結果是相同的，即記為 S。

上述金鑰交換流程中，和 RSA 金鑰交換有較大不同，DHE 金鑰交換時，伺服器私鑰沒有參與進來。也就是說，私鑰即使洩漏，也不會導致會話加密金鑰 S 被第三方解密。

實際使用過程中，私鑰的功能被削弱到用來身份認證。

DHE 引數和 Pb 都是透過 server key exchange 傳送給客戶端，Pa 透過 client key exchange 傳送給伺服器。server key exchange 的結尾處需要使用伺服器私鑰對該報文字身進行簽名，以表明自己擁有私鑰。

ECDHE 金鑰交換演算法

只要理解 DHE 金鑰交換原理，那麼理解 ECDHE 金鑰交換原理其實並不難（如果不想深究的話）。

ECDHE 的運算是把 DHE 中模冪運算替換成了點乘運算，速度更快，可逆更難。

ECDHE 演算法流程文字描述如下：

• 客戶端隨機生成隨機值 Ra，計算 Pa(x, y) = Ra * Q(x, y)，Q(x, y) 為全世界公認的某個橢圓曲線演算法的基點。將 Pa(x, y) 傳送至伺服器。
• 伺服器隨機生成隨機值 Pb，計算 Pb(x,y) = Rb * Q(x, y)。將 Pb(x, y) 傳送至客戶端。
• 客戶端計算 Sa(x, y) = Ra * Pb(x, y)；伺服器計算 Sb(x, y) = Rb *Pa(x, y)
• 演算法保證了 Sa = Sb = S，提取其中的 S 的 x 向量作為金鑰（預主金鑰）。

SSL 協議中，上圖中橢圓曲線名和 Pb 透過 server key exchange 報文傳送；Pa 透過 client key exchange 報文傳送。

ECDHE 與 ECDH 演算法的區別

字面少了一個 E，E 代表了“臨時”，即在握手流程中，作為伺服器端，ECDH 少了一步計算 Pb 的過程，Pb 用證照中的公鑰代替，而證照對應的私鑰就是 Xb。由此可見，使用 ECDH 金鑰交換演算法，伺服器必須採用 ECC 證照；伺服器不傳送 server key exchange 報文，因為傳送 certificate 報文時，證照本身就包含了 Pb 資訊。

ECDHE 與 RSA 的區別

ECDHE（DHE） 演算法屬於 DH 類金鑰交換演算法， 私鑰不參與金鑰的協商，故即使私鑰洩漏，客戶端和伺服器之間加密的報文都無法被解密。由於 ECDHE 每條會話都重新計算一個金鑰（Ra、Rb），故一條會話被解密後，其他會話仍舊安全。

然而，ECDH 演算法伺服器端的私鑰是固定的，即證照的私鑰作為 Rb，故 ECDH 不被認為前向安全，因為私鑰洩漏相當於 Rb 洩漏，Rb洩漏，導致會話金鑰可被第三方計算。

加密套件

以下內容來源：SSL協議中的加密套件

加密套件（CipherList）是指在 ssl 通訊中，伺服器和客戶端所使用的加密演算法的組合。在 ssl 握手初期，客戶端將自身支援的加密套件列表傳送給伺服器；在握手階段，伺服器根據自己的配置從中儘可能的選出一個套件，作為之後所要使用的加密方式。這些演算法包括：認證演算法、金鑰交換演算法、對稱演算法和摘要演算法等。

每種加密套件的名字裡包含了四部分資訊，分別是:

• 第一部分是金鑰交換，用於決定客戶端與伺服器之間在握手的過程中如何認證。使用非對稱加密演算法來生成會話金鑰，因為非對稱演算法不會將重要資料在通訊中傳輸。用到的演算法包括 RSA，Diffie-Hellman，ECDH，PSK 等

• 第二部分是加密演算法，主要是對傳輸的資料進行加密傳輸用的。一般有對稱加和非對稱加密，但是非對稱加密演算法太耗效能，再者有些非對稱加密演算法有內容長度的限制，所以真正要傳輸的資料會使用對稱加密來進行加密。演算法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

• 第三部分是會話校驗（MAC）演算法，為了防止握手本身被竄改（這裡極容易和證照籤名演算法混淆）。演算法包括MD5，SHA等。

• 第四部分是 PRF（偽隨機數函式），用於生成“master secret”。

例如 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與證照籤名型別；
• 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。

在客戶端和伺服器端建立安全連線之前，雙方都必須指定適合自己的加密套件。加密套件的選擇可以透過組合的字串來控制。
伺服器在選擇演算法時，會有優先順序，是以客戶端提供的的為最優，還是伺服器端配置的為最優。所謂的客戶端最優，就是根據客戶端提供的加密套件，從上到下，看是否有本地支援的，有的話則使用。所謂伺服器端最優，就是伺服器端根據自身配置的加密套件順序，一個個在 client hello 中找，找到了就使用。

其次，當伺服器配置 ECC 證照時，加密套件只能選擇 XXX_ECDSA_XXX 或者 ECDH_XXX。當伺服器配置 RSA 證照時，只能選擇 RSA_XXX 或者 ECDHE_RSA_XXX 形式的加密套件。

需要注意的是，如果加密套件選擇 ECDH_RSA 或者 ECDH_ECDSA 時，由於 ECDH 加密套件預設表明了握手需要 ECC 公鑰（即 ECC 證照的公鑰充當握手中 server key exchange 中的公鑰，證照的私鑰同樣也是握手過程中的私鑰，握手過程不需要 server key exchange），所以第二部分 _RSA 和 _ECDSA 表明的是想要的伺服器證照籤名型別。

換句話說，CA 頒發的證照可以是用 CA 自己的 RSA 私鑰進行簽名的 RSA 證照，也可以用 CA 的 ECC 私鑰進行簽名的 ECC 證照。具體是哪個，取決於 CA 部門和申請證照的類別。

證照內部儲存的 CSR 的公鑰是具體申請證照人員生成的，可以是 RSA 演算法的公鑰，也可以是 ECC 演算法的公鑰。取決於提交給 CA 之前生成的 CSR 方法。

比如說伺服器選擇了 ECDH_RSA 加密套件，但是傳送的證照卻是 ECDSA 簽名的證照，雖然說證照籤名型別不影響整個握手，但是對於校驗嚴格的客戶端，這種情況可能會導致客戶端斷開連結。

加密套件也可以用字串的形式，舉例：ALL:!ADH:RC4+RSA:+SSLv2:@STRENGTH

Openssl 定義了 4 中選擇符號：“＋”，“－”，“！”，“@”。其中，“＋”表示取交集；“－”表示臨時刪除一個演算法；“！”表示永久刪除一個演算法；“@“表示了排序方法。

多個描述之間可以用“：”、“，”、“ ”、“；”來分開。選擇加密套件的時候按照從左到的順序構成雙向連結串列，存放與記憶體中。

ALL:!ADH:RC4+RSA:+SSLv2:@STRENGTH 表示的意義是：

首先選擇所有的加密套件（不包含eNULL，即空對稱加密演算法），然後在得到的雙向連結串列之中去掉身份驗證採用 DH 的加密套件；加入包含 RC4 演算法並將包含 RSA 的加密套件放在雙向連結串列的尾部；再將支援 SSLV2 的加密套件放在尾部；最後得到的結果按照安全強度進行排序。

可以使用命令 ： openssl ciphers -V 'ALL:!ADH:RC4+RSA:+SSLv2:@STRENGTH' | column -t 來檢視具體加密套件。

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