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TLS

相关概念

SSL: Secure Socket Layer,安全套接字层,http 层下新增加的这一层构成了 https。

TLS: Transport Layer Security,为了保证数据安全的加密协议层,是 SSL 的增强版,SSL 有 1.0,2.0,3.0 版本,TLS 目前有 1.0,1.1,1.2,1.3。TLS 的 1.0 版本就是 SSL 的 3.0。

Key: https 中有公钥和私钥,用公钥加密的内容,可以使用私钥解密,反之亦然。一般情况下所说的 key 文件指私钥文件。

CRT: certificate 证书文件,是证书机构颁发的保证安全通信的文件,由域名、公司信息、序列号和签名信息等组成。

CER: 也是证书文件,和 CRT 相比只是缩写不同,CRT 缩写常见于类 unix 系统,CER 缩写常见于Windows 系统。

X.509: 这里特指颁发的证书的格式,而其根据不同的编码格式分为 PEM 和 DER

  • PEM - Privacy Enhanced Mail,文本内容以"-----BEGIN..."开头,"-----END..."结尾,内容是 BASE64 编码,较为常见,nginx 使用的就是这种。
  • DER - Distinguished Encoding Rules,打开是二进制格式,不可读。Java 和 Windows 服务器偏向于使用这种编码格式。

CSR: Certificate Signing Request 证书签名请求,里面包含公钥等个体信息,公证机构通过这个颁发证书。

CA: Certificate Authority 证书颁发机构,它的作用就是给各个用户签发证书等,比如说 Symantec、Comodo、GoDaddy、GlobalSign 和 DigiCert 等。

openssl: 相当于SSL的一个实现/工具,包括对证书的解析,个人颁发,证书编码转化等。通常用 key 指代私钥,用 pem 指代公钥。

摘要算法

摘要算法常见有 MD5、SHA1、SHA256。这些算法对输入敏感,输出长度固定,输入的一点修改就会引起输出较大的变化,且不可逆,即无法通过输出获得输入。输出又称为摘要。散列函数可以用来防止数据被篡改以及校验数据的完整性。

在信息传输过程中,散列函数不能单独实现信息防篡改。如果采用明文传输,中间人可以修改信息之后,重新计算信息摘要,因此需要对传输的信息以及信息摘要进行加密。摘要更多的像是 checksum,而没有加密功能。

加密算法

对称加密

对称加密只使用一把密钥,这把密钥可以加密明文,也可以解密密文。常见的对称加密算法有 AES、DES、RC4,目前最常用的是 AES。

非对称加密

非对称加密使用两把密钥,一把公钥和一把私钥。公钥加密的密文只有相对应的私钥才能解密,私钥加密的密文也只有相对应的公钥才能解密。一般可以公开公钥,私钥自己保存,不能公开。常见的非对称加密算法有 RSA 和 ECC。

证书

使用对称加密的话,发送请求时使用密钥加密,即使中间人截获了请求,没有密钥也无法解密。关键在于如何让双方得知密钥,只有线下传输能保证安全,但这种做法在海量客户端场景下无法实现。

使用非对称加密将私钥放在服务端,不在互联网上传输,这样就能保证这个秘钥的私密性。对应的公钥可以在互联网上任意传播的。只要拿到这个公钥,就可以进行加密通信了。使用公钥加密,即使中间人截获了这个报文,因为它没有私钥也解不开。但是服务端回复的消息是拿私钥加密的,手持公钥的都可以进行解密。此外,黑客也可以模拟发送消息,因为它也有公钥。

为了解决这个问题,一对公钥私钥是不够的,客户端也需要有自己的公钥和私钥,并且客户端要把自己的公钥,给到服务端。这样,客户端给服务端发送的消息用服务端的公钥加密;服务端给客户端发送的消息用客户端的公钥加密。这样即使黑客模拟客户端获取一些信息,或者半路截获回复信息,由于它没有私钥,还是无法解密信息。

使用不对称加密也会有同样的问题,就是如何将不对称加密的公钥给对方。一种是放在一个公网的地址上,让对方下载;另一种就是在建立连接的时候,传给对方。这两种方式都无法保证所拿到公钥的可信度。这个时候需要权威部门的介入,由权威部门颁发的称为证书(Certificate)。

证书申请

为了防止黑客冒充权威机构颁发证书,生成证书需要发起一个证书请求,然后将这个请求发给一个权威机构去认证,这个权威机构称为 CA(Certificate Authority)。

证书的明文信息大致包含公钥、域名、申请者信息、签发机构信息、证书有效期。再加上 CA 的签名就构成了证书。

请求发给 CA 后,CA 通过多种手段验证申请者提供信息的真实性,验证通过后进行签名。为了保证的确是权威机构进行的签名,CA 会拿它的私钥进行签名。CA 的私钥一般是离线存储的。签名一般是使用散列函数计算公开的明文信息的信息摘要,然后用 CA 的私钥对信息摘要进行加密,密文即签名。

证书链

在 CA 根证书和服务器证书中间增加一级证书机构,即中间证书,证书的产生和验证原理不变,只是增加一层验证,只要最后能够被任何信任的 CA 根证书验证合法即可。

  • 服务器证书 server.pem 的签发者为中间证书机构 inter,inter 根据证书 inter.pem 验证 server.pem 确实为自己签发的有效证书
  • 中间证书 inter.pem 的签发 CA 为 root,root 根据证书 root.pem 验证 inter.pem 为自己签发的合法证书
  • 客户端内置信任 CA 的 root.pem 证书,因此服务器证书 server.pem 的被信任。

服务器证书、中间证书与根证书在一起组合成一条合法的证书链,证书链的验证是自下而上的信任传递的过程。二级证书结构可以减少根证书结构的管理工作量,可以更高效的进行证书的审核与签发。根证书一般内置在客户端(浏览器或操作系统)中,私钥一般离线存储,一旦私钥泄露,则吊销过程非常困难,无法及时补救。而中间证书的私钥泄露,则可以快速在线吊销,并重新为用户签发新的证书。证书链四级以内一般不会对 HTTPS 的性能造成明显影响。

root CA 一般不会直接为服务器或者客户端签证,它们会先为自己生成几个中间 CA(intermediate CAs),这几个中间 CA 作为 root CA 的代表为服务器和客户端签证。

证书使用

客户端请求服务端时,服务端返回证书文件。客户端读取证书中相关的明文信息,采用相同的散列函数计算摘要,然后利用对应 CA 的公钥解密签名,对比摘要,如果一致,则认为证书合法,即公钥合法。客户端然后验证证书相关的域名信息、有效时间等信息。

客户端会内置信任 CA 的证书信息(包含公钥),如果 CA 不被信任,则找不到对应 CA 的证书,证书也会被判定非法。一般来说,操作系统都会内置权威 CA 的证书,有的浏览器会使用操作系统内置的 CA 证书列表,有的浏览器则自己维护的 CA 证书列表,比如 Firefox。内置 CA 对应的证书称为根证书,颁发者和使用者相同,自己为自己签名,即自签名证书。

即便有人截取服务端证书,再发给客户端,想冒充服务端,也无法实现,因为证书和域名是绑定的。

验证证书,需要 CA 的公钥。为了保证 CA 公钥的可信度,CA 公钥需要上级 CA 签名形成证书。这样一层一层上去直到全球几大著名 CA,称为 root CA。root CA 的证书为自签名证书。

openssl

创建私钥: openssl genrsa -out examplesiteprivate.key 1024

创建公钥: openssl rsa -in examplesiteprivate.key -pubout -outexamplesitepublic.pem

生成证书请求: openssl req -key examplesiteprivate.key -new -out examplesitecertificate.req

机构给证书签名: openssl x509 -req -in examplesitecertificate.req -CA cacertificate.pem -CAkey caprivate.key -out examplesitecertificate.pem -CAcreateserial

查看证书内容: openssl x509 -in examplesitecertificate.pem -noout -text

HTTPS 工作模式

非对称加密在性能上不如对称加密,HTTPS 将二者结合起来,使用非对称加密公钥私钥传输对称加密的秘钥,双方大数据量的通信都是通过对称加密进行的。

TLS 握手有四次通信。

TCP 连接建立后,客户端首先发送 Client Hello,以明文传输 TLS 版本信息、加密套件候选列表、压缩算法候选列表等信息。另外,还会有一个随机数 1,在协商对称密钥的时候使用。

然后,服务端返回 Server Hello 消息,包括服务端的协议版本、加密套件、压缩算法等,还有一个随机数 2,用于后续的密钥协商。之后发送服务端证书和 Server Hello Done 消息。

收到证书,客户端对证书校验成功之后,产生一个随机数 Pre-master,用证书中的公钥进行加密,发送 Client Key Exchange 消息。服务端解密后,拿到随机数 Pre-master。

此时,双方有三个随机数,可以生成一个相同的对称密钥。

有了对称密钥,客户端发送 Cipher Spec Exchange 消息,然后发送一个 Encrypted Handshake Message,将已经商定好的参数等,采用协商密钥进行加密,发送给服务端用于数据与握手验证。同样,服务器也可以发送 Change Cipher Exchange 消息,并且也发送 Encrypted Handshake Message 的消息。当双方握手结束之后,就可以通过对称密钥进行加密传输了。

抓包工具原理

抓包工具需要在客户端针对目标域名安装自签名证书。

参考

  1. HTTPS中CA证书的签发及使用过程 - xdyixia - 博客园
  2. 谈谈https和证书