阮一峰:图解SSL/TLS协议

jopen 6年前

作者:  阮一峰

        本周,CloudFlare 宣布,开始提供 Keyless 服务,即你把网站放到它们的 CDN 上,不用提供自己的私钥,也能使用 SSL 加密链接。

阮一峰:图解SSL/TLS协议

        我看了 CloudFlare 的说明(这里这里),突然意识到这是绝好的例子,可以用来说明 SSL/TLS 协议的运行机制。它配有插图,很容易看懂。

        下面,我就用这些图片作为例子,配合我半年前写的《SSL/TLS 协议运行机制的概述》,来解释 SSL 协议。

        一、SSL 协议的握手过程

        开始加密通信之前,客户端和服务器首先必须建立连接和交换参数,这个过程叫做握手(handshake)。

        假定客户端叫做爱丽丝,服务器叫做鲍勃,整个握手过程可以用下图说明(点击看大图)。

阮一峰:图解SSL/TLS协议

        握手阶段分成五步。

第一步,爱丽丝给出协议版本号、一个客户端生成的随机数(Client random),以及客户端支持的加密方法。

第二步,鲍勃确认双方使用的加密方法,并给出数字证书、以及一个服务器生成的随机数(Server random)。

第三步,爱丽丝确认数字证书有效,然后生成一个新的随机数(Premaster secret),并使用数字证书中的公钥,加密这个随机数,发给鲍勃。

第四步,鲍勃使用自己的私钥,获取爱丽丝发来的随机数(即 Premaster secret)。

第五步,爱丽丝和鲍勃根据约定的加密方法,使用前面的三个随机数,生成"对话密钥"(session key),用来加密接下来的整个对话过程。

        上面的五步,画成一张图,就是下面这样。

阮一峰:图解SSL/TLS协议

        二、私钥的作用

        握手阶段有三点需要注意。

(1)生成对话密钥一共需要三个随机数。

(2)握手之后的对话使用"对话密钥"加密(对称加密),服务器的公钥和私钥只用于加密和解密"对话密钥"(非对称加密),无其他作用。

(3)服务器公钥放在服务器的数字证书之中。

        从上面第二点可知,整个对话过程中(握手阶段和其后的对话),服务器的公钥和私钥只需要用到一次。这就是 CloudFlare 能够提供 Keyless 服务的根本原因。

        某些客户(比如银行)想要使用外部 CDN,加快自家网站的访问速度,但是出于安全考虑,不能把私钥交给 CDN 服务商。这时,完全可以把私钥留在自家服务器,只用来解密对话密钥,其他步骤都让 CDN 服务商去完成。

阮一峰:图解SSL/TLS协议

        上图中,银行的服务器只参与第四步,后面的对话都不再会用到私钥了。

        三、DH 算法的握手阶段

        整个握手阶段都不加密(也没法加密),都是明文的。因此,如果有人窃听通信,他可以知道双方选择的加密方法,以及三个随机数中的两个。整个通话的安全,只取决于第三个随机数(Premaster secret)能不能被破解。

        虽然理论上,只要服务器的公钥足够长(比如 2048 位),那么 Premaster secret 可以保证不被破解。但是为了足够安全,我们可以考虑把握手阶段的算法从默认的 RSA 算法,改为 Diffie-Hellman 算法(简称 DH 算法)。

        采用 DH 算法后,Premaster secret 不需要传递,双方只要交换各自的参数,就可以算出这个随机数。

阮一峰:图解SSL/TLS协议

        上图中,第三步和第四步由传递 Premaster secret 变成了传递 DH 算法所需的参数,然后双方各自算出 Premaster secret。这样就提高了安全性。

        四、session 的恢复

        握手阶段用来建立 SSL 连接。如果出于某种原因,对话中断,就需要重新握手。

        这时有两种方法可以恢复原来的 session:一种叫做 session ID,另一种叫做 session ticket。

        session ID 的思想很简单,就是每一次对话都有一个编号(session ID)。如果对话中断,下次重连的时候,只要客户端给出这个编号,且服务器有这个编号的记录,双方就可以重新使用已有的"对话密钥",而不必重新生成一把。

阮一峰:图解SSL/TLS协议

        上图中,客户端给出 session ID,服务器确认该编号存在,双方就不再进行握手阶段剩余的步骤,而直接用已有的对话密钥进行加密通信。

        session ID 是目前所有浏览器都支持的方法,但是它的缺点在于 session ID 往往只保留在一台服务器上。所以,如果客户端的请求发到另一台服务器,就无法恢复对话。session ticket 就是为了解决这个问题而诞生的,目前只有 Firefox 和 Chrome 浏览器支持。

阮一峰:图解SSL/TLS协议

        上图中,客户端不再发送 session ID,而是发送一个服务器在上一次对话中发送过来的 session ticket。这个 session ticket 是加密的,只有服务器才能解密,其中包括本次对话的主要信息,比如对话密钥和加密方法。当服务器收到 session ticket 以后,解密后就不必重新生成对话密钥了。