詳解 QUIC 加密握手中共享密鑰的生成過程

1、基本概要

• QUIC 傳輸的資料幾乎都是要加密的，關于加密算法這裡不做介紹，加密必然需要用到密鑰；
• QUIC 中的加密密鑰有兩個 initial key 和 forword-secure key。前者用于實作 0-RTT 的握手，後者則用于握手成功以後整個會話的資料加密；
• QUIC 的密鑰使用 Diffe-Hellman 算法生成；

2、解析

• Diffe-Hellman 算法的密鑰生成過程

  我們知道 Diffe-Hellman 算法用于生成網絡通信兩端（假設為 Alice 和 Bob）的加密密鑰 K。

  使用該算法的前提：

  • Alice 和 Bob 都知道兩個素數（g、p）的存在
  • Alice 有 a（private key）；Bob 有 b（private key）
  有了上面的前提，Diffe-Hellman 的算法流程如下：
  • 1、Alice 計算 A=g^a mod p，并發送 A 給 Bob；
  • 2、Bob 計算 B=g^b mod p，并發送 B 給 Alice；
  • 3、此時，Alice 計算 B^a mod p，Bob 計算 A^b mod p，

  • 4、分解可得，

    B^a mod p = (g^b mod p)^a mod p = g^ab mod p = K；

    A^b mod p= (g^a mod p)^b mod p = g^ab mod p = K;

    于是，雙方都有了一個共享密鑰 K，關于 Diffe-Hellman 的數學原理，可參考這篇英文文章。

• QUIC 加密握手的過程

  

注：閱讀下文過程中請注意梳理 ephemeral 和 long-term、public 和 private。

了解了 Diffe-Hellman 算法生成共享密鑰的原理，我們來看看 QUIC 的兩個密鑰是怎樣生成的。

這裡的通信兩端分别是 QUIC client（Alice） 和 QUIC server（Bob），具備的前提是：

• QUIC client 和 QUIC server 已知密鑰交換算法（即已知 g、p）；
• QUIC client 有 ephemeral Diffe-Hellman private value; QUIC server 有 long-term Diffe-Hellman private value、ephemeral Diffe-Hellman private value，為了友善描述我這裡分别簡寫為：C-DH-E-pri，S-DH-L-pri，S-DH-E-pri。

再來看看密鑰的生成過程：

• server 收到 Inchoate CHLO 後，給 client 響應一個 REJ 消息，這個 REJ 中包含了 server 的 long-term Diffe-Hellman public value（即 B）；
• client 收到 REJ，處理完後發送 complete CHLO（complete CHLO 并未加密），注意此時才會生成 initial key（即 K= B^a mod p）。
• complete CHLO 中包含了 client 的 ephemeral Diffie-Hellman public value（即 A），server 收到 complete CHLO 後，便可以計算出 initial key（即 K= A^b mod p)。server 此時會用 initial key 加密 SHLO，SHLO 包含了 server 的 ephemeral Diffe-Hellman public value。此時 server 便可以利用 client 的 A 和自己的 S-DH-E-pri 來生成 forward-secure key。
• client 收到 SHLO 時，用 initial key 解密資料，取出 server 的 ephemeral Diffe-Hellman public value 和自己的 C-DH-E-pri 生成 forward-secure key。

至此，client 和 server 兩端的密鑰全部生成完成。

最後希望下面的表能幫助了解密鑰生成所具備的前提條件。