ssl/tls是什麼？是怎麼工作的？

nephen發表於2018-12-14
TLS

最近在思考一個關於郵箱伺服器的問題，其中涉及到了SSL/TLS加密傳輸，於是想研究一下什麼，到底是怎麼實現加密的，通過查詢各方面的資料，發現這個涉及到的東西還蠻多的，可以單獨寫一篇文章整理一下自己的理解。

SSL/TLS是什麼？

SSL（安全套接字層）是一種標準安全協議，用於在線上通訊中建立Web伺服器和瀏覽器之間的加密連結。

那TLS又是什麼？Transport Layer Security (TLS)是SSL協議（Secure Sockets Layer）的升級版，TLS 1.0通常被標示為SSL 3.1，TLS 1.1為SSL 3.2，TLS 1.2為SSL 3.3。現在習慣將這個兩個組合在一起稱為SSL/TLS，只要知道它是一種用於加密的安全協議就好了。

當網頁期望使用者提交機密資料（包括個人資訊，密碼或信用卡詳細資訊）時，網頁應使用加密，這個時候web伺服器就應該使用HTTPS協議來傳輸資料，它其實就是HTTP和SSL/TLS結合實現的；同樣的還有SMTPS，它是加密的簡單郵件通訊協議，這樣在傳輸郵件的時候就不是明文傳輸了，一般我們在設定郵箱伺服器的時候可以選擇是否勾選SSL/TLS的，如果沒有勾選的話郵件就是明文傳輸了。

SSL/TLS有什麼作用？

這裡參考了網上的一些觀點： 不使用SSL/TLS的HTTP通訊，就是不加密的通訊。所有資訊明文傳播，帶來了三大風險。

  • 竊聽風險（eavesdropping）：第三方可以獲知通訊內容。
  • 篡改風險（tampering）：第三方可以修改通訊內容。
  • 冒充風險（pretending）：第三方可以冒充他人身份參與通訊。

SSL/TLS協議是為了解決這三大風險而設計的，希望達到

  • 所有資訊都是加密傳播，第三方無法竊聽。
  • 具有校驗機制，一旦被篡改，通訊雙方會立刻發現。
  • 配備身份證書，防止身份被冒充。

SSL證書

先說明一下：SSL/TLS協議的基本思路是採用公鑰加密法，也就是說，客戶端先向伺服器端索要公鑰，然後用公鑰加密資訊，伺服器收到密文後，用自己的私鑰解密。

在講SSL/TLS的工作流程之前，先要說明一下SSL證書這個東西，來思考一個問題： 基本思路里面的公鑰加密法，如何保證公鑰不被篡改？答案是：將公鑰放在數字證書中。只要證書是可信的，公鑰就是可信的。

那SSL證書是什麼？怎麼保證它是可信任的？ SSL 證書就是遵守 SSL協議，由受信任的數字證書頒發機構CA，在驗證伺服器身份後頒發，具有伺服器身份驗證和資料傳輸加密功能。 怎麼才能申請到SSL證書？或者說影響該證書申請的因素有哪些？ 影響證書的因素：申請中提到的企業/公司是否有合法身份以及申請人是否控制證書​​中提到的域名。

申請到證書的步驟是怎麼樣的？

  1. 製作CSR檔案 CSR就是Certificate Signing Request證書請求檔案。這個檔案是由申請人制作，在製作的同時，系統會產生2個金鑰，一個是公鑰就是這個CSR檔案，另外一個是私鑰，存放在伺服器上。要製作CSR檔案，申請人可以參考WEB SERVER的文件，一般APACHE等，使用OPENSSL命令列來生成KEY+CSR2個檔案。
  2. CA認證 域名認證，一般通過對管理員郵箱認證的方式，這種方式認證速度快，但是簽發的證書中沒有企業的名稱； 企業文件認證，需要提供企業的營業執照。一般需要3-5個工作日。 也有需要同時認證以上2種方式的證書，叫EV證書，這種證書可以使IE7以上的瀏覽器位址列變成綠色，所以認證也最嚴格。
  3. 證書的安裝 在收到CA的證書後，可以將證書部署上伺服器，一般APACHE檔案直接將KEY+CER複製到檔案上，然後修改HTTPD.CONF檔案。

注意：證書分為單域證書、萬用字元證書、多域證書、擴充套件驗證證書，申請證書的時候要看是申請那一類了。

證書在什麼情況下被使用？是怎麼使用的？

  1. 我們在點選web站點的時候，比如輸入https://www.domain.com ，進行dns解析後web伺服器進行響應，web伺服器自動傳送https://www.domain.com 網站的數字證書給使用者，上文說到了，證書是安裝在web伺服器裡面的，證書裡面含有公鑰，所以這裡相當於伺服器把公鑰傳遞給了客戶端，當然伺服器那裡還有自己的私鑰，具體過程如下圖。
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  2. 客戶端是使用瀏覽器進行操作的，不同版本的瀏覽器自動產生40位或128位的會話金鑰，用於對交易的資訊進行加密，也就是說客戶向伺服器索要公鑰後還要與伺服器協商生成一個“會話祕鑰”。 如下圖，第三步獲取到crt證書後，需要檢驗證書是否有效，如果無效則會顯示警告資訊，有效則生成一個隨機數，即會話金鑰，這個會話金鑰再使用crt裡面的公鑰加密後傳輸給web伺服器，伺服器使用自己的私鑰進行解密，獲取瀏覽器生成的隨機“會話金鑰”，現在客戶端伺服器都知道這個“會話金鑰”了，後續通訊都用這個會話金鑰進行加密通訊了。
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SSL是怎麼工作的？

簡單概括就是：

  1. 客戶端向伺服器端索要並驗證公鑰。
  2. 雙方協商生成"對話金鑰"。
  3. 雙方採用"對話金鑰"進行加密通訊。 具體是怎麼協商生成“會話金鑰”的，上文提到了，這裡還有一個疑問，為什麼不直接使用crt證書裡面的公鑰進行加密，再使用伺服器裡面的私鑰進行解密呢？更何況伺服器裡面的私鑰也可以進行加密，crt裡面的證書再進行解密即可。 原因為：每一次對話（session），客戶端和伺服器端都生成一個"會話金鑰"（session key），用它來加密資訊。由於"對話金鑰"是對稱加密，所以運算速度非常快，而伺服器公鑰加密是非對稱加密，比較耗時間，所以證書裡面的公鑰只用於加密"會話金鑰"本身，這樣就減少了加密運算的消耗時間。

那麼會話金鑰和公鑰有什麼區別呢？

  1. 會話加密是對稱加密，伺服器和客戶端協商後生產一個會話金鑰，所以伺服器和客戶端是共享一個相同的金鑰的，當然不是伺服器和所有客戶端共享一個相同的金鑰，而是每個客戶端都有自己的金鑰，比較這個會話金鑰是客戶端（瀏覽器）隨機生成的，所以伺服器需要維護多個金鑰。
  2. 公鑰是採用的非對稱加密，伺服器把證書（公鑰）下發給每個使用者正在使用的客戶端（瀏覽器），所以是客戶端共享公鑰，伺服器只掌控私鑰，服務端與客戶端金鑰是一個1對多的關係，客戶端傳送的加密資訊只能服務端解密，安全級別也更高，但是由於非對稱加密太慢了，才採用了不同客戶端不同金鑰的“會話金鑰”來解決這個問題。

具體TLS/SSL裡面涉及到的非對稱加密和對稱加密的區別以及演算法如下圖所示：

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總的來說，客戶端（瀏覽器）與web伺服器進入加密通訊，就完全是使用普通的HTTP協議，只不過用"會話金鑰"加密內容，會話金鑰即圖中的隨機數。

結束語

對SSL/TLS涉及到的底層原理做了一個大概的說明，對學習過程中遇到的一些問題做了理解和解答，把一些問題理清楚後，對概念的理解就更加深刻了，比如明白了某個技術的由來背景，為什麼會出現這個東西，問題的初衷是什麼？怎麼實現的？有哪些應用場景，如果把這些都調查清楚，那無論是對這個技術的使用還是新技術的創新都是有好處了，比只會用這個東西來做一些事情侷限於表面工程要好得多，之前聽大佬講，有的人工作了6,7年，比別人剛畢業處理工作1,2年寫出來的文章還要屎，聽後感覺都可怕和悲哀，好好沉澱下去，打好基礎，哪怕是寒冬來了也就不慌了，後續有時間再研究一下SSL證書申請的具體事宜。

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