SSL原理及分析_ssl数据包分析

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前言

      SSL 协议指定了一种在应用程序协议（如 HTTP、Telenet、NMTP和FTP等）和 TCP/IP协议之间提供数据安全性分层的机制，它为TCP/IP连接提供数据加密、服务器认证、消息完整性以及可选的客户机认证。SSL 是一个安全协议，它提供使用 TCP/IP 的通信应用程序间的隐私与完整性。因特网的超文本传输协议（HTTP）使用 SSL 来实现安全的通信。

      在客户端与服务器间传输的数据是通过使用对称算法（如 DES 或 RC4）进行加密的。公用密钥算法（通常为 RSA）是用来获得加密密钥交换和数字签名的，此算法使用服务器的SSL数字证书中的公用密钥。有了服务器的SSL数字证书，客户端也可以验证服务器的身份。SSL 协议的版本1和2只提供服务器认证。版本3添加了客户端认证，此认证同时需要客户端和服务器的数字证书。

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一、SSL是什么？

      SSL是一种安全传输协议，通常用于在互联网上传输敏感信息，如信用卡号、登录凭证等。它通过在网络连接中添加加密层来提供安全性。SSL协议的基本原理是通过加密数据传输，以保护传输的信息不被非法获取。

二、结构及建立过程

      SSL协议分为两层，下层为SSL记录协议，主要负责对上层数据进行分块、压缩、计算并添加MAC、加密，最后把记录块传输给对方。上层为SSL握手协议、SSL密码变化协议以及SSL警告协议。

1.握手协议和建立过程

       握手协议：SSL握手协议是建立SSL连接时使用的协议，在SSL连接建立过程中，客户端和服务器之间会进行一系列握手过程，并协商使用一种共同支持的加密算法和密钥。这个过程包括以下步骤：

客户端发送连接请求到服务器，并请求 SSL 通信。

服务器收到请求后，会返回公共密钥证书给客户端，该证书包含了服务器的公共密钥和证书颁发机构的信息。

客户端接收到公共密钥证书后，会对证书进行验证，主要验证证书内容是否符合标准、证书是否过期、证书颁发机构是否可靠等等。如果证书验证通过，客户端会生成一个随机密钥，使用服务器的公共密钥进行加密，并将加密后的密钥发送给服务器。

服务器接收到客户端传来的随机密钥后，使用自己的私有密钥对密钥进行解密。此时，客户端和服务器双方都拥有了同一份随机密钥，用于之后的加密通信。

在 SSL 建立完成后，双方开始进行加密通信，所有传输的数据都会被加密并密钥相关，确保数据的机密性和完整性。

如图所示：

图 3-1 SSL握手概述

      从上述过程可以看出，SSL 通过加密+证书校验的方式，为通信加上了安全保障，有效防止了传输过程中数据被窃取、篡改等问题。

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2.密码变化协议及建立过程

      密码变化协议:客户端和服务器端通过密码变化协议通知接收方，随后的报文都将使用新协商的加密算法列表和密钥进行保护和传输。其建立过程如下：

客户端与服务器建立 SSL 连接后，客户端发送一条 ChangeCipherSpec 消息给服务器，表示客户端要改变对称密钥。

服务器收到这条消息后也会发送一条 ChangeCipherSpec 消息给客户端，表示服务器也要改变对称密钥。

客户端和服务器都完成了对称密钥的变化后，就可以使用新的对称密钥进行通信了。

      在 SSL 连接建立期间，客户端和服务器会协商出一个对称密钥，用于加密通信过程中的数据。但由于对称密钥可能存在泄漏或被破解的风险，因此在通信过程中定期地更换对称密钥可以提高通信安全性。SSL密码变化协议就是为了实现这个功能而设计的。

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3.警告协议和建立过程

      警告协议:用来允许一方向另一方报告告警信息。消息中包含告警的严重级别和描述。SSL/TLS协议中，当客户端和服务端进行握手时，如果发现存在一些不安全的因素，如证书过期、颁发者不受信任等，就会触发警告协议。警告协议的建立过程如下：

客户端和服务端在握手过程中，任何一方发现存在安全问题，会发送一个警告消息。警告消息由警告级别和警告描述组成。

警告级别表明了警告消息的严重程度，包括：警告、致命警告等。

警告描述则提供了关于警告类型的详细信息。

发送警告消息的一方会关闭SSL/TLS连接。

       通过使用警告协议，SSL/TLS协议可以及早检测到安全问题，并采取相应措施避免或减少安全威胁。同时，警告协议也为SSL/TLS协议提供了一种灵活的方式来处理安全问题，以实现更加安全的通信。

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4.记录协议和建立过程

       记录协议是SSL/TLS协议中的一个子协议，用于在客户端和服务器之间传输应用层数据。下面是SSL记录协议的建立过程：

应用程序将明文数据传递给SSL握手协议。

SSL握手协议将数据分为多个小块，并使用SSL记录协议将这些小块进行封装。

对于每个小块，SSL记录协议会增加一个首部，该首部包含以下信息：记录类型、记录版本和记录长度。

记录类型指示了该记录的内容类型，可以是应用层数据、握手协议数据和警告协议数据等。

记录版本表示该记录的版本号，标识了SSL/TLS协议的版本号。

记录长度表示该记录的明文数据长度，不包括首部。

SSL记录协议使用先前建立的对话密钥对明文数据进行加密，并附加MAC（消息认证码），保证数据的完整性和机密性。

客户端向服务端发送SSL记录协议封装后的数据。

服务端接收到数据后，使用相同的对话密钥进行解密，得到明文数据。

       通过使用SSL记录协议，SSL/TLS协议可以保证应用层数据在传输过程中的安全性，防止被窃听、篡改或伪造，确保了通信的机密性和完整性。同时，SSL记录协议还采用了MAC进行数据完整性验证，以进一步增强数据安全性。

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三、关键技术

      SSL是一种常见的加密协议，用于确保互联网上的数据传输安全。SSL 所涉及的技术包括：

（1）握手协议：SSL握手协议是建立SSL连接时使用的协议，包括 SSL 版本协商、加密算法协商、身份验证和密钥交换等步骤。

（2）密钥交换：在握手协议中，服务器和客户端将协商一组密钥，用来对后续通信进行加密解密。

（3）数字证书：为了确保通信双方的身份真实可信，SSL使用数字证书来认证服务器和客户端身份。

（4）对称加密：在SSL连接建立之后，数据在传输前要经过加密处理，SSL使用对称加密技术对数据进行加密，例如AES、DES等加密算法。

（5）数字签名：SSL使用数字签名来确保数据的完整性，数字签名使用公钥加密数据，保证只有对应私钥的持有者才能解密并验证数据的真实性。

通过以上一系列的步骤，SSL能够在保证通信安全的同时，保障通信的可靠性与快速性。这些技术的结合使得SSL能够提供高度安全的网络通信，有效地保护了互联网上的数据和隐私。

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四、基于SSL进行安全通信的示例代码

      这段代码中的 HttpsURLConnection 类是基于 SSL/TLS 进行安全通信的。在程序中，当使用 url.openConnection() 方法打开连接时，底层会自动进行 SSL/TLS 握手，建立安全通道，并将数据通过 SSL 记录协议进行加密和解密，在传输过程中保证了数据的机密性和完整性。

      同时，由于 HTTPS 通信需要使用服务器证书验证服务器身份，因此在程序中还输出了服务器证书链信息，以帮助我们判断服务器的身份认证是否有效。

      因此，本代码示例中的 SSL/TLS 相关内容主要体现在使用 HttpsURLConnection 类进行 HTTPS 安全通信和服务器证书验证等方面。

package ssl;
 
import javax.net.ssl.HttpsURLConnection;
import java.net.URL;
public class 设计 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建 URL 对象
        URL url = new URL("https://cn.bing.com/");
 
        // 获取 HTTPS 连接对象
        HttpsURLConnection conn = (HttpsURLConnection) url.openConnection();
 
        // 发送请求并读取响应
        System.out.println("Response data:");
        try {
            java.io.InputStream in = conn.getInputStream();
            java.util.Scanner scanner = new java.util.Scanner(in);
            while (scanner.hasNextLine()) {
                System.out.println(scanner.nextLine());
            }
            scanner.close();
            in.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 断开连接
            conn.disconnect();
        }
        // 输出服务器证书信息
        System.out.println("Server certificate chain:");
        for (java.security.cert.Certificate cert : conn.getServerCertificates()) {
            System.out.println(cert);
        }
    }
}

       这段代码会向 https://cn.bing.com/ 发送 HTTPS 请求，并输出响应消息体。同时，它还会获取目标服务器的数字证书信息，并将其输出到控制台上。

具体来说，运行这段代码时，它首先会创建一个 URL 对象来表示 cn.bing.com 的地址。然后，它会使用URL对象调用openConnection方法来打开一个连接。

由于目标地址是使用 HTTPS 协议的，因此这里获取的是HttpsURLConnection 对象。最后，它会通过输入流的方式读取响应内容，并将服务器证书信息输出至控制台。

      总之，如果代码运行成功，那么控制台会输出来自cn.bing.com的响应消息体，以及该服务器的证书链信息。

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总结

      SSL的设计是为了保护网络传输过程中的数据安全性和完整性，并可以防止网络攻击。SSL通过使用加密技术来确保用户信息在传输过程中不被窃取或篡改。在SSL协议中，数据包在传输前会被加密，只有接收方才能解密并读取其中的信息。同时，SSL协议还可以对数据包进行数字签名，确保数据在传输过程中没有被篡改。此外，SSL协议还提供了身份验证和访问控制功能，以确保只有授权用户才能访问特定资源。

     然而，SSL协议也存在一些安全漏洞。例如，SSL中的中间人攻击可能会导致数据泄露或篡改。此外，SSL证书的管理不当也可能会影响安全性。因此，在使用SSL协议时，应该采取一些额外的措施来提高安全性，如定期更新证书、使用强密码和加密算法等。

      以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了SSL原理与设计，具体的内容请在信息安全课程上学习。