详解 QUIC 加密握手中共享密钥的生成过程

1、基本概要

• QUIC 传输的数据几乎都是要加密的，关于加密算法这里不做介绍，加密必然需要用到密钥；
• QUIC 中的加密密钥有两个 initial key 和 forword-secure key。前者用于实现 0-RTT 的握手，后者则用于握手成功以后整个会话的数据加密；
• QUIC 的密钥使用 Diffe-Hellman 算法生成；

2、解析

• Diffe-Hellman 算法的密钥生成过程

  我们知道 Diffe-Hellman 算法用于生成网络通信两端（假设为 Alice 和 Bob）的加密密钥 K。

  使用该算法的前提：

  • Alice 和 Bob 都知道两个素数（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 计算 A=g^a mod p，并发送 A 给 Bob；
  • 2、Bob 计算 B=g^b mod p，并发送 B 给 Alice；
  • 3、此时，Alice 计算 B^a mod p，Bob 计算 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，双方都有了一个共享密钥 K，关于 Diffe-Hellman 的数学原理，可参考这篇英文帖子。

• QUIC 加密握手的过程

  

注：阅读下文过程中请注意梳理 ephemeral 和 long-term、public 和 private。

了解了 Diffe-Hellman 算法生成共享密钥的原理，我们来看看 QUIC 的两个密钥是怎样生成的。

这里的通信两端分别是 QUIC client（Alice） 和 QUIC server（Bob），具备的前提是：

• QUIC client 和 QUIC server 已知密钥交换算法（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，为了方便描述我这里分别简写为：C-DH-E-pri，S-DH-L-pri，S-DH-E-pri。

再来看看密钥的生成过程：

• server 收到 Inchoate CHLO 后，给 client 响应一个 REJ 消息，这个 REJ 中包含了 server 的 long-term Diffe-Hellman public value（即 B）；
• client 收到 REJ，处理完后发送 complete CHLO（complete CHLO 并未加密），注意此时才会生成 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 后，便可以计算出 initial key（即 K= A^b mod p)。server 此时会用 initial key 加密 SHLO，SHLO 包含了 server 的 ephemeral Diffe-Hellman public value。此时 server 便可以利用 client 的 A 和自己的 S-DH-E-pri 来生成 forward-secure key。
• client 收到 SHLO 时，用 initial key 解密数据，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 两端的密钥全部生成完成。

最后希望下面的表能帮助理解密钥生成所具备的前提条件。