淺談SSL/TLS工作原理

肖宏輝

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網絡/OpenStack/SDN/NFV搬運工

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（PS：說好的OpenStack Neutron VXLAN實作下一次再說）

為了保證網絡通信的安全性，需要對網絡上傳遞的資料進行加密。現在主流的加密方法就是SSL (Secure Socket Layer)，TLS (Transport Layer Security)。後者比前者要新一些，不過在很多場合還是用SSL指代SSL和TLS。

先來回顧一下網絡通信加密的發展過程，假設A和B之間要網絡通信。

遠古時代

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遠古時代自然是民風淳樸，路不拾遺，夜不閉戶。A要發資料給B，根本不用擔心竊聽和篡改，直接發就好了。

上古時代

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随着時代的發展，漸漸的有了一類人---C。C不僅會監聽A和B之間的網絡資料，還會攔截A和B之間的資料，僞造之後再發給A或者B，進而欺騙A和B。C就是中間人攻擊（Man In The Middle Attack）。

為了應對C的攻擊，A和B開始對自己的資料進行加密。A和B會使用一個共享的密鑰，A在發送資料之前，用這個密鑰對資料加密。B在收到資料之後，用這個密鑰對資料解密。因為加密解密用的是同一個密鑰，是以這裡的加密算法稱為對稱加密算法。

在1981年，DES（Data Encryption Standard）被提出，這是一種對稱加密算法。DES使用一個56bit的密鑰，來完成資料的加解密。盡管56bit看起來有點短，但時間畢竟是在上古時代，56bit已經夠用了。就這樣，網絡資料的加密開始了。

因為采用了DES，A和B現在不用擔心資料被C攔截了。因為就算C攔截了，也隻能擷取加密之後的資料， 沒有密鑰就沒有辦法擷取原始資料。

但是A和B之間又有了一個新的問題，他們需要一個共享的56bit密鑰，并且這個密鑰一定要保持私密，否則被C拿到了，就沒有加密的意義了。首先AB不能通過網絡來傳遞密鑰，因為密鑰确定以前，所有的網絡通信都是不安全。如果通過網絡傳遞密鑰，密鑰有可能被攔截。攔截了就沒有加密的意義了。為了安全，A和B隻能先見一面，私下商量好密鑰，這樣C就沒辦法擷取密鑰。如果因為任何原因，之前的密鑰洩露了，那麼AB還得再見一面，重新商量一個密鑰。

現在A和B之間，最私密的資訊就是這個密鑰了，隻要保證密鑰的安全，那麼AB之間整個網絡通信都是安全的。

中古時代

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A和B小心的保護着密鑰，不讓C知道。但是道高一尺，魔高一丈。随着技術的發展，計算機速度變得很快，快到可以通過暴力破解的方法來解密經過DES加密的資訊。不就是56bit的密鑰嗎？C找了一個好點的計算機，嘗試每一個可能的值，這樣總能找到一個密鑰破解A和B之間的加密資訊。倒不是說DES在提出時沒有考慮過這種情況，隻是在上古時代，計算機沒這麼快，破解56bit的密鑰需要的時間非常長。但是現在是中古時代，可能隻需要幾天就可以破解56bit的密鑰。

為了應對這個情況，新的協定被提出，例如triple-DES（最長168bit的密鑰），AES（最高256bit的密鑰）。經過這些改進，至少在可以預見的未來，計算機是沒有辦法在有限的時間内，暴力破解這個長度的密鑰。是以，在中古時代，将對稱加密算法的密鑰長度變長，來應對中間人攻擊。但是A和B還是需要見面商量一個密鑰。

現代

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非對稱加密

時間到了現代。網絡通信變得十分發達，A不隻與B通信，還同時還跟其他10000個人進行網絡通信。A不可能每個人都跑去跟他們見個面，商量一個密鑰。

是以一種新的加密算法被提出，這就是非對稱加密算法。非對稱加密使用兩個密鑰，一個是public key，一個是private key。通過一個特殊的數學算法，使得資料的加密和解密使用不同的密鑰。因為用的是不同的密鑰，是以稱為非對稱加密。非對稱加密最著名的是RSA算法，這是以其發明者Rivest, Shamir 和Adleman命名。非對稱加密算法裡面的public key和private key在數學上是相關的，這樣才能用一個加密，用另一個解密。不過，盡管是相關的，但以現有的數學算法，又沒有辦法從一個密鑰，算出另一個密鑰。

非對稱加密的好處在于，現在A可以保留private key，通過網絡傳遞public key。這樣，就算public key被C攔截了，因為沒有private key，C還是沒有辦法完成資訊的破解。既然不怕C知道public key，那現在A和B不用再見面商量密鑰，直接通過網絡傳遞public key就行。

具體在使用中，A和B都各有一個public key和一個private key，這些key根據相應的算法已經生成好了。private key隻保留在各自的本地，public key傳給對方。A要給B發送網絡資料，那麼A先使用自己的private key（隻有A知道）加密資料的hash值（感謝 

@靈劍

 指正，評論區有說明），之後再用B的public key加密資料。之後，A将加密的hash值和加密的資料再加一些其他的資訊，發送給B。B收到了之後，先用自己的private key（隻有B知道）解密資料，本地運算一個hash值，之後用A的public key解密hash值，對比兩個hash值，以檢驗資料的完整性。

在這個過程中，總共有4個密鑰，分别是A的public/private key，和B的public/private key。

如果B的解密結果符合預期，那麼至少可以證明，這個資訊隻有B能擷取，因為B的private key參與了解密，而B的private key其他人都不知道。并且，這個資訊是來自A，而不是C僞造的，因為A的public key參與了解密。一切看起來似乎很美好。

非對稱加密的安全隐患

但是在一切的最開始，A和B要通過網絡交換public key。如果C在中間攔截了呢？假設有這種情況，C攔截了A和B的public key，又分别用自己的public key發給A和B。A和B并不知道，他們還以為這個public key來自對方。當A給B發消息時，A先用自己的private key加密資料的hash值，之後用C傳來的假的public key加密資料，再發出去。C攔截到之後，先用C自己的private key解密資料，C就擷取了A的原始資訊！之後，C可以篡改資料内容，再用自己的private key加密資料的hash值，用之前攔截的B的public key加密資料，再發給B。B收到以後，先用自己的private key解密資料，再用C傳來的假public key解密hash值，發現比對。這樣，B收到了一條來自C的假的資訊，但是B還以為資訊來自于A。中間人攻擊仍然可能存在！

完了，一切都崩了，加密搞的這麼複雜，居然還不能保證網絡資料的安全。回顧一下，問題出就出在最開始通過網絡交換public key。看起來為了保證public key不被攔截，A和B似乎還是要見一面，交換一下public key。這一下就回到了上古時代。

不過，雖然A和B現在還是要見一面，但見面的實質已經變了。在上古時代，見面是為了商量一個密鑰，密鑰的内容很重要，不能讓别人知道密鑰的内容。而在現代，見面是為了确認public key的真實性，public key的内容是可以公開的。

那如果有其他辦法能保證public key的真實性，A和B是可以不用見面交換public key的。

CA

現實中，通過CA（Certificate Authority）來保證public key的真實性。CA也是基于非對稱加密算法來工作。有了CA，B會先把自己的public key（和一些其他資訊）交給CA。CA用自己的private key加密這些資料，加密完的資料稱為B的數字證書。現在B要向A傳遞public key，B傳遞的是CA加密之後的數字證書。A收到以後，會通過CA釋出的CA憑證（包含了CA的public key），來解密B的數字證書，進而獲得B的public key。

但是等等，A怎麼確定CA憑證不被劫持。C完全可以把一個假的CA憑證發給A，進而欺騙A。CA的大殺器就是，CA把自己的CA憑證內建在了浏覽器和作業系統裡面。A拿到浏覽器或者作業系統的時候，已經有了CA憑證，沒有必要通過網絡擷取，那自然也不存在劫持的問題。

現在A和B都有了CA認證的數字證書。在交換public key的階段，直接交換彼此的數字證書就行。而中間人C，還是可以攔截A和B的public key，也可以用CA憑證解密獲得A和B的public key。但是，C沒有辦法僞造public key了。因為C不在CA體系裡面，C沒有CA的private key，是以C是沒有辦法僞造出一個可以通過CA認證的數字證書。如果不能通過CA認證，A和B自然也不會相信這個僞造的證書。是以，采用CA認證以後，A和B的public key的真實性得到了保證，A和B可以通過網絡交換public key（實際是被CA加密之後的數字證書）。

除非有種情況，A内置的CA憑證被篡改了，例如A使用了盜版的系統，“優化”了的非官方浏覽器，或者被病毒攻擊了，那這個時候，A有可能會認可非CA認證的數字證書，C就有機會發起中間人攻擊。是以，用正版至少是安全的。

實際使用

非對稱加密算法比對稱加密算法要複雜的多，處理起來也要慢得多。如果所有的網絡資料都用非對稱加密算法來加密，那效率會很低。是以在實際中，非對稱加密隻會用來傳遞一條資訊，那就是用于對稱加密的密鑰。當用于對稱加密的密鑰确定了，A和B還是通過對稱加密算法進行網絡通信。這樣，既保證了網絡通信的安全性，又不影響效率，A和B也不用見面商量密鑰了。

是以，在現代，A和B之間要進行安全，省心的網絡通信，需要經過以下幾個步驟

• 通過CA體系交換public key
• 通過非對稱加密算法，交換用于對稱加密的密鑰
• 通過對稱加密算法，加密正常的網絡通信

這基本就是SSL/TLS的工作過程了。

HTTPS

HTTPS全稱是HTTP over SSL，也就是通過SSL/TLS加密HTTP資料，這或許是SSL最廣泛的應用。

前面提到了CA作為一個公證機構，能確定數字證書的真實性。但是在實際使用中，CA認證一般是要收費的，普通人不會去做CA認證，進而獲得屬于自己的數字證書。更多的是，一些大的機構，例如銀行，網店，金融機構，它們去獲得自己的數字證書。那這種情況如何保證網絡通信的安全呢？

這些機構擷取到CA授予的數字證書之後，将數字證書加到自己的web伺服器上。當使用者要去通路它們的網頁，例如https://domain.com，會經過下圖所示的步驟。

• 使用者向web伺服器發起一個安全連接配接的請求
• 伺服器傳回經過CA認證的數字證書，證書裡面包含了伺服器的public key
• 使用者拿到數字證書，用自己浏覽器内置的CA憑證解密得到伺服器的public key
• 使用者用伺服器的public key加密一個用于接下來的對稱加密算法的密鑰，傳給web伺服器
  • 因為隻有伺服器有private key可以解密，是以不用擔心中間人攔截這個加密的密鑰
• 伺服器拿到這個加密的密鑰，解密擷取密鑰，再使用對稱加密算法，和使用者完成接下來的網絡通信

現在使用者知道自己通路的網站是正規的網站，否則使用者浏覽器會報錯說不能用CA憑證解析。伺服器通過CA授予的數字證書自證了身份。但，這裡的安全隐患在于，伺服器怎麼知道通路者就是真使用者呢？之前介紹的雙向認證是可以通過數字證書驗明使用者的正身，現在使用者為了省錢沒有數字證書。這種情況下一般是通過使用者名密碼來确認使用者。是以，大家要保管好自己的密碼。

編輯于 2018-05-18