网络协议安全：SSL/TLS协议详解，SSL协议执行原理、报文格式解析，Wireshark抓包分析SSL协议

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SSL（Secure Socket Layer）是「安全套接层协议」，在握手过程中使用非对称秘钥加密实现数据的机密性；使用哈希算法实现数据的完整性。

1、SSL协议发展史

SSL3.1开始名字改成了TLS，TLS在SSL的基础上进行了「标准化」，实际上两个协议的功能没有明显的差距。

1. SSL1.0：网景（Netscape）公司开发的第一个版本，由于存在严重bug，仅在内部使用。
2. SSL2.0：1995年2月发布，存在安全漏洞，于2011年弃用。
3. SSL3.0：1996年发布，容易被POODLE攻击，与2015年弃用。
4. TLS1.0：1999年发布，IETF组织在SSL基础上进行了标准化，功能变化不大。
5. TLS1.1：2006年4月发布，修复了安全漏洞，增加加密强度。
6. TLS1.2：2008年8月发布，强化了支持的算法包，增加了扩展协议，是目前使用的主流版本。
7. TLS1.3：2018年8月发布，在强化安全性的同时，引入了0-RTT模式，降低了传输延迟，增强了传输性能

2、SSL协议执行过程

SSL协议分为两层：

• 第一层是「SSL记录协议」（SSL Record Protocol），工作在传输层协议之上，为高层协议封装、压缩、「加密数据」。
• 第二层是「SSL握手协议」（SSL Handshake Protocol），工作在记录协议之上，在数据传输前通过握手的方式验证身份、「协商加密算法」。

补充：第二层一共有4种子协议，多个子协议信息可以包含在一个记录协议的数据包里，但必须标识出来。除了握手协议还有三个需要了解的协议：密码参数协议、警报协议、应用数据协议。

• 密码参数协议（ChangeCipherSpec Protocol）：这个协议很简单，简单到只有一条消息，就是发出激活加密的信号，让之前协商的参数生效，从而让通信变得加密。
• 警报协议（Alert Protocol）：提示异常或可能危及安全性的潜在为题。
• 应用数据协议（Application Data Protocol）：获取应用层的数据并加密传输。

SSL协议执行的时候分为两个阶段：

1. 第一个是「握手阶段」，通信双方使用SSL握手协议协商加密算法和密钥。
2. 第二个是「数据传输阶段」，使用握手阶段协商的算法加密并传输数据。

SSL协议的握手过程如下图

接下来我们详细讲解每个握手阶段作用：

1. Client Hello ：客户端把支持的加密算法列表发给服务器。
2. Server Hello ：服务器从列表里选择一个加密算法，然后告诉客户端。
3. Certificate ：服务器把自己的证书发给客户端。
4. Server Key Exchange ：服务器跟客户端约定对称密钥算法的密钥。如果使用Diffie-Hellman方式约定密钥，则必选；如果使用RSA方式约定密钥，则省略。
5. Server Hello Done ：告诉客户端 “我发完了”。
6. Client Key Exchange：客户端跟服务器约定对称密钥算法的密钥。如果使用Diffie-Hellman方式约定密钥，则发送必要的信息给服务器，让服务器和客户端生成同一个密钥；如果使用RS方式约定密钥，则生成一个对称密钥算法的密钥，用服务器的公钥加密后，发送给服务器。
7. ChangeCipherSpec：客户端告诉服务器 “你可以使用加密模式了”。
8. Encrypted Handshake Message：也叫Finished，客户端告诉服务器 “我准备好加密通信了”。
9. ChangeCipherSpec：服务器告诉客户端 “你可以使用加密模式了”。
10. Encrypted Handshake Message：也叫Finished，服务器告诉客户端 “我准备好加密通信了”。

上面的过程是单向认证模式，比较常见；如果使用双向认证模式，握手还会增加以下过程：

• Certificate Request （可选）：开启双向认证模式，即客户端验证服务器，服务器也要验证客户端。https的网站很少用，一般抓不到这个包。
• Certificate（可选）：发送客户端的证书给服务器。只有收到 Certificate Request 才发，否则不发这个报文。
• Certificate Verify （可选）：把客户端的签名发给服务器，服务器用客户端的公钥验证签名，从而验证客户端的身份。只有收到 Certificate Request 才发，否则不发这个报文。

3、SSL报文格式字段解析

3.1、TLS报文头

每个TLS的数据包都有5个字节的报文头（下图圈中的地方）：

• Content Type：1个字节，记录的子协议的协议类型。
• Version：2个字节，TLS的版本。
• Length：2个字节，报文数据的长度（不含报文头），最大16384（16K）。

3.2、Handshake报文

Handshake 握手协议是TLS中最复杂的协议，有10种握手消息类型。

1）HelloRequest：（不常见）连接使用太长时间后，服务器强制客户端重新协商握手。

• Content Type：握手类型。
• Length：（3个字节）数据长度。

2）Client Hello：开始握手协商，携带客户端支持的加密算法列表、压缩算法列表、扩展列表，供服务器选择。

1. Content Type：握手类型。
2. Lengt：（3个字节）数据长度。
3. Version：（4个字节）协议版本。
4. Random：（32位）客户端生成一个随机数，用于后续的对称加密。
5. Session ID Lenth：（1个字节）会话ID长度。
6. Session ID：（32位）会话ID。
7. Cipher Suites：客户端支持的加密算法列表，供服务器选择。
8. Compression Methed：客户端支持的压缩算法，供服务器选择。
9. Extensions：扩展。

3）Server Hello：开始握手协商，返回服务器选择的加密算法、压缩算法。

• Content Type：握手类型。
• Lengt：（3个字节）数据长度。
• Version：（4个字节）协议版本。
• Random：（32位）服务器生成一个随机数，用于后续的对称加密。
• Session ID Lenth：（1个字节）会话ID长度。
• Session ID：（32位）会话ID。
• Cipher Suites：服务器选择的加密算法。
• Compression Methed：服务器选择的压缩算法。
• Extensions：扩展。

4）Certificate：发送公钥证书列表。

• Content Type：握手类型。
• Lengt：（3个字节）数据长度。
• Certificates Length：证书列表长度。
• Certificates：证书列表。

5）ServerKeyExchange：发送服务器的密钥交换算法参数，用于后续的对称加密。

• Content Type：握手类型。
• Lengt：（3个字节）数据长度。
• algorithm params：算法参数。

6）CertificateRequest：服务器验证客户端身份，不常见。

• Content Type：握手类型。
• Lengt：（3个字节）数据长度。
• Certificate Type Length：证书类型长度。
• Certificate Type：证书类型。
• Certificate Authorities length：认证中心长度。
• Certificate Authorities：认证中心。

7）ServerHelloDone：服务器完成握手协商时发送。只提示，不携带其他信息。

• Content Type：握手类型。
• Lengt：（3个字节）数据长度。

8）ClientKeyExchange：为服务器提供密钥交换算法参数，用于生成对称加密的密钥。

• Content Type：握手类型。
• Lengt：（3个字节）数据长度。
• algorithm params：算法参数。

9）CertificateVerify：客户端使用此消息来证明服务器拥有与其公钥证书相对应的私钥。该消息保存由客户端进行数字签名的哈希信息。

• Content Type：握手类型。
• Lengt：（3个字节）数据长度。
• signed hash：客户端数字签名的哈希信息。

10）Finished：也叫Encrypted Handshake Message，标识握手协商已完成、CipherSuite加密已激活。从这个报文开始加密发送，报文携带先前所有握手信息的哈希值，用来验证数据的完整性，防止数据被篡改。

• Content Type：握手类型。
• Lengt：（3个字节）数据长度。
• signed hash：先前所有握手信息的哈希值。

4、Wireshark抓包分析SSL协议执行原理

1）cmd 中 ping weibo.com 获取微博IP；

ping返回的地址有时会变，用 nslookup weibo.com 解析微博的IP；

解析列表中的4个IP，我们都抓，以防IP变动导致没抓到包。

2）打开wireshark，过滤微博的IP _ws.col.protocol == "TLSv1.2" and (ip.addr==123.125.107.13 or ip.addr==123.125.107.14 or ip.addr==202.108.0.99 or ip.addr==202.108.0.98) 后，开启抓包，访问微博。

3）从抓包结果可以看出来，前几个包是握手，握手完成以后才开始传数据。

4）握手有10个过程，一个数据包可以包含多个握手过程，比如第三个包，就同时包含了Certificate、Server Key Exchange、Server Hello Done三个过程。

4.1、Client Hello

第一个包是我给微博发的 Client Hello，意思是我要开始握手协商了。

Handshake Type 是握手类型，这里的类型是Client Hello。
Length 和 Version是数据包长度和协议版本。

Random 是客户端生成的随机数，用来生成对称密钥。
Session ID 是会话ID，短期内重复连接时，会话可以复用。

Cipher Suites 是客户端支持的加密算法，服务器可以从这个列表里选择它认为最安全的一个算法，后续用来加密数据。

Compression Methods 是客户端支持的压缩算法。
Extensions 是一些扩展。

4.2、Server Hello

第二个包是微博给我返回的 Server Hello，意思是它也要跟我开始握手，协商加密参数。

Cipher Suite是服务器选择的加密算法，握手完成后会用这个算法加密数据。

Compression Method 是服务器选择的压缩算法，这里是null，说明没选，数据不被压缩。