HTTPS详解Ⅱ

ECC(Elliptic Curve Cryptography)是非对称加密里的“后起之秀”,它基于“椭圆曲线离散对数”的数学难题,使用特定的曲线方程和基点生成公钥和私钥,子算法 ECDHE 用于密钥交换,ECDSA 用于数字签名。

由于 HTTP 天生“明文”的特点,整个传输过程完全透明,任何人都能够在链路中截获、修改或者伪造请求 / 响应报文,数据不具有可信性。

SSL 即安全套接层(Secure Sockets Layer),在 OSI 模型中处于第 5 层(会话层)。

TLS 由记录协议、握手协议、警告协议、变更密码规范协议、扩展协议等几个子协议组成,综合使用了对称加密、非对称加密、身份认证等许多密码学前沿技术。

浏览器和服务器在使用 TLS 建立连接时需要选择一组恰当的加密算法来实现安全通信,这些算法的组合被称为“密码套件”(cipher suite,也叫加密套件)。基本的形式是“密钥交换算法 + 签名算法 + 对称加密算法 + 摘要算法”。

“对称加密”很好理解,就是指加密和解密时使用的密钥都是同一个,是“对称”的。只要保证了密钥的安全,那整个通信过程就可以说具有了机密性。AES

非对称加密(也叫公钥加密算法),一个叫“公钥”(public key),一个叫“私钥”(private key)。两个密钥是不同的,“不对称”,公钥可以公开给任何人使用,而私钥必须严格保密。公钥和私钥有个特别的“单向”性,虽然都可以用来加密解密,但公钥加密后只能用私钥解密,反过来,私钥加密后也只能用公钥解密。RSA

虽然非对称加密没有“密钥交换”的问题,但因为它们都是基于复杂的数学难题,运算速度很慢,在通信刚开始的时候使用非对称算法,比如 RSA、ECDHE,首先解决密钥交换的问题。然后用随机数产生对称算法使用的“会话密钥”(session key),再用公钥加密。因为会话密钥很短,通常只有 16 字节或 32 字节,所以慢一点也无所谓。对方拿到密文后用私钥解密,取出会话密钥。这样,双方就实现了对称密钥的安全交换,后续就不再使用非对称加密,全都使用对称加密。

实现完整性的手段主要是摘要算法,也就是常说的散列函数、哈希函数。SHA256

非对称加密里的“私钥”,使用私钥再加上摘要算法,就能够实现“数字签名”,同时实现“身份认证”和“不可否认”。

数字证书和CA:

还有一个“公钥的信任”问题。因为谁都可以发布公钥,我们还缺少防止黑客伪造公钥的手段,也就是说,怎么来判断这个公钥就是你或者某宝的公钥呢

CA 对公钥的签名认证也是有格式的,不是简单地把公钥绑定在持有者身份上就完事了,还要包含序列号、用途、颁发者、有效时间等等,把这些打成一个包再签名,完整地证明公钥关联的各种信息,形成“数字证书”

CA 怎么证明自己呢?这还是信任链的问题。小一点的 CA 可以让大 CA 签名认证,但链条的最后,也就是 Root CA,就只能自己证明自己了,这个就叫“自签名证书”(Self-Signed Certificate)或者“根证书”(Root Certificate)。你必须相信,否则整个证书信任链就走不下去了。

有了这个证书体系,操作系统和浏览器都内置了各大 CA 的根证书,上网的时候只要服务器发过来它的证书,就可以验证证书里的签名,顺着证书链(Certificate Chain)一层层地验证,直到找到根证书,就能够确定证书是可信的,从而里面的公钥也是可信的。

TLS1.2连接过程

RSA版本

浏览器首先要从 URI 里提取出协议名和域名。因为协议名是“https”,所以浏览器就知道了端口号是默认的 443,它再用 DNS 解析域名,得到目标的 IP 地址,然后就可以使用三次握手与网站建立 TCP 连接了。

在 HTTP 协议里,建立连接后,浏览器会立即发送请求报文。但现在是 HTTPS 协议,它需要再用另外一个“握手”过程,在 TCP 上建立安全连接,之后才是收发 HTTP 报文。

这个“握手”过程与 TCP 有些类似,是 HTTPS 和 TLS 协议里最重要、最核心的部分,懂了它,你就可以自豪地说自己“掌握了 HTTPS”。

TLS协议的组成

记录协议:规定了 TLS 收发数据的基本单位:记录(record)

警报协议(Alert Protocol)的职责是向对方发出警报信息,有点像是 HTTP 协议里的状态码。

握手协议(Handshake Protocol)是 TLS 里最复杂的子协议,要比 TCP 的 SYN/ACK 复杂的多,浏览器和服务器会在握手过程中协商 TLS 版本号、随机数、密码套件等信息,然后交换证书和密钥参数,最终双方协商得到会话密钥,用于后续的混合加密系统。

变更密码规范协议(Change Cipher Spec Protocol),它非常简单,就是一个“通知”,告诉对方,后续的数据都将使用加密保护。那么反过来,在它之前,数据都是明文的。

TLS1.3

浏览器默认会使用 ECDHE 而不是 RSA 做密钥交换,这是因为它不具有“前向安全”(Forward Secrecy)。

 ECDHE 算法在每次握手时都会生成一对临时的公钥和私钥,每次通信的密钥对都是不同的,也就是“一次一密”,即使黑客花大力气破解了这一次的会话密钥,也只是这次通信被攻击,之前的历史消息不会受到影响,仍然是安全的。

浏览器默认会使用 ECDHE 而不是 RSA 做密钥交换,这是因为它不具有“前向安全”(Forward Secrecy)。

 

 在 TCP 建立连接之后,浏览器首先还是发一个“Client Hello”。因为 1.3 的消息兼容 1.2,所以开头的版本号、支持的密码套件和随机数(Client Random)结构都是一样的(不过这时的随机数是 32 个字节)。然后在“key_share”扩展带上曲线和对应的公钥参数。

服务器收到“Client Hello”同样返回“Server Hello”消息,还是要给出一个随机数(Server Random)和选定密码套件。

这时只交换了两条消息,客户端和服务器就拿到了四个共享信息:Client Random 和 Server Random、Client Params 和 Server Params,两边就可以各自用 ECDHE 算出“Pre-Master”,再用 HKDF 生成主密钥“Master Secret”,效率比 TLS1.2 提高了一大截。在算出主密钥后,服务器立刻发出“Change Cipher Spec”消息,比 TLS1.2 提早进入加密通信,后面的证书等就都是加密的了,减少了握手时的明文信息泄露。

这里 TLS1.3 还有一个安全强化措施,多了个“Certificate Verify”消息,用服务器的私钥把前面的曲线、套件、参数等握手数据加了签名,作用和“Finished”消息差不多。但由于是私钥签名,所以强化了身份认证和和防窜改。这两个“Hello”消息之后,客户端验证服务器证书,再发“Finished”消息,就正式完成了握手,开始收发 HTTP 报文。

连接太慢怎么办?HTTPS的优化

HTTPS连接大致上可以划分为两个部分:建立连接时的非对称加密握手;握手后的对称加密报文传输

通常所说的“HTTPS 连接慢”指的就是刚开始建立连接的那段时间。

在 TCP 建连之后,正式数据传输之前,HTTPS 比 HTTP 增加了一个 TLS 握手的步骤,这个步骤最长可以花费两个消息往返,也就是 2-RTT。而且在握手消息的网络耗时之外,还会有其他的一些“隐形”消耗,比如:

产生用于密钥交换的临时公私钥对(ECDHE);验证证书时访问 CA 获取 CRL 或者 OCSP;非对称加密解密处理“Pre-Master”。

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转载自www.cnblogs.com/liushoudong/p/12627050.html
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