[网络] SSL/TLS协议的原理机制_tls协商密钥能在代码里拿到吗

概述

我们每天都在使用互联网，所有数据都要通过计算机网络进行传输，网络本身只具备传输数据的能力，并不能保证数据的安全性。

数据在公共网络中移动的时候，很容易被第三方截获、篡改，造成信息泄漏、中间人攻击等各种网络安全性问题。

这就是计算机网络的真实情况，也是SSL/TLS协议诞生的背景！

要解决的问题：能够在不安全的网络环境中，安全的传输数据。

安全性体现在两个方面：

1. 数据可以被截获，但是内容不能泄漏。
2. 数据无法被篡改，一旦中途被篡改，客户端或者服务端拿到数据后立即就能发现。

SSL/TLS的历史

1994年，NetScape公司设计出SSL（Secure Sockets Layer）协议1.0版，但是未发布。

1995年，NetScape公司发布SSL 2.0版，很快发现有严重漏洞。

1996年，SSL 3.0版问世，得到大规模应用。

1999年，互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版。

2006年，TLS升级到TLS 1.1版本。

2008年，TLS升级到TLS 1.2版本。

2011年，发布了TLS 1.2的修订版。

2014年提出TLS 1.3版本，直到2018年才正式纳入标准。

综上所述，SSL和TLS就是同一个东西，因为历史版本原因，有了两个名字，可以认为TLS是SSL的升级版。

但是更为常用的名字还是SSL，所以下文为了叙述方便，统一称为SSL协议。

加解密的两种方法

实现SSL协议的安全性，基本思路就是数据加密。

从密码学原理来看，加解密需要密钥，具体方法可分为两种：

1. 对称加密：加解密使用同一个密钥，这个密钥既能加密，又能解密。
2. 非对称加密：加解密使用一对密钥，密钥分为公钥和私钥，公钥加密只有私钥能解，私钥加密只有公钥能解。

SSL就是基于这两种加密方法，完成数据安全性的保障，具体怎么运用的，继续看下文。

SSL的基本工作原理

先做一个约定：在网络通信过程中，发送数据的一方称为客户端，接收数据的一方称为服务端，从网络中窃取数据的一方称为第三者。

SSL协议会对原始数据进行对称加密，并传输数据，整个过程可分为三个步骤：

1. 客户端和服务端在数据传输之前，会先协商出一个用于加解密数据的密钥，暂且就叫协商密钥；
2. 客户端用这个协商密钥加密原始数据，然后把密文扔进网络中，传输给服务端；
3. 服务端从网络中拿到密文后，再用相同的协商密钥解密，即可得到原始数据内容。

如果有第三者从网络中截获密文：

1. 因为他没有对应的协商密钥，所以无法对密文进行解密，因此原始数据内容就不会泄漏；

2. 如果他擅自修改密文，再继续传输给服务端，服务端用协商密钥解密就会出错，立刻就能察觉这份数据有问题！

此时，继续思考，应该会产生一个疑问，并且发现一个漏洞：

1. 疑问：客户端和服务端之间是怎么协商出密钥的？
2. 漏洞：第三者如果真有办法得到协商密钥，截获密文后就一定能解密并且伪造新密文，而且新密文能被服务端解密！这就出现了大问题，数据被篡改！！

如果能杜绝第三者获取协商密钥的办法，就不会再有这样一个漏洞。

如果搞清楚了对称密钥的协商过程，就会惊叹于它的设计逻辑，并且顿悟这样的逻辑就是杜绝第三者最好的手段。

SSL协商对称密钥的过程

这个协商过程就是SSL协议最核心也最关键的部分，理解了对称密钥的协商过程，也就真正理解了SSL协议的精髓和巧妙。

因为客户端和服务端之间的所有数据交互都是基于网络的，所以对称密钥的协商过程也是离不开网络的，不仅如此，协商过程几乎就是一个公开的明文传输过程！！

密钥协商过程中的所有元数据都能被第三者截获！也完全不怕被第三者截获！

客户端和服务端可以在第三者监视下协商出对称密钥，密钥还能不被第三方获取到，这就是SSL协议的巧妙之处！

具体协商过程要用到非对称加密方法，服务端提前在本地环境中生成非对称密钥，私钥自己保管好，公钥可以分发给任何人，包括客户端和第三者。

密钥协商过程的基本原理如下所述：

1. 客户端通过网络索取服务端的公钥。
2. 客户端自己随机生成一个对称密钥。
3. 客户端将这个对称密钥用公钥加密，然后通过网络发送给服务端。
4. 服务端拿到以后用私钥解密，就可以得到对称密钥。

公钥加密只有私钥能解，私钥只有服务端有，第三者即使截获到客户端的密文，也没有办法解密拿到其中的对称密钥。

小总结

至此，SSL协议工作原理机制就算是讲完了，稍微总结一下：

1. SSL协议实现主要包含两种加密方法：对称加密，非对称加密。
2. 非对称加密只用一次，在最开始协商对称密钥的时候，为了能安全传输对称密钥，防止对称密钥的泄漏。
3. 对称加密可能会用很多次，这取决于客户端和服务端之间的数据传输量，很多时候数据需要拆分进行多次传输才能完成。
4. 对称加解密的效率远高于非对称加解密，所以，两种加密方式结合使用，也是SSL协议在保障安全的前提下尽可能提高效率的办法。
5. 如果不考虑效率问题，SSL协议完全可以有另外一种实现方案：通信过程全部采用非对称加密方式，客户端和服务端各自保管私钥，互换公钥，之后的过程使用非对称加密传递数据。

SSL协商对称密钥的过程（进阶）

文章上半部分是对SSL协议最基本的原理分析，下半部分详细讲述一下对称密钥的协商过程，属于原理进阶吧。

前面为了好理解，将对称密钥协商过程简单归纳如下：

1. 客户端通过网络索取服务端的公钥。
2. 客户端自己随机生成一个对称密钥。
3. 客户端将这个对称密钥用公钥加密，然后通过网络发送给服务端。
4. 服务端拿到以后用私钥解密，就可以得到对称密钥。

其实，这样说是不对的，真实原理过程比这复杂些～～～

真实协议中，协商对称密钥相对还是比较复杂的，实现方案从理论上讲不唯一，有多种理论参考模型，虽然模型逻辑可能有差异，但是目的都是为了保障网络数据的安全性。

在SSL协议中，对称密钥协商过程叫做“握手阶段”，可类比传输层TCP协议的握手阶段，只不过TCP是三次握手，标准的SSL协议模型是四次握手。

第一次握手

客户端发出加密通信请求，称为ClientHello，提供以下一些信息：

1. 客户端支持的协议版本，比如TLS 1.0版。
2. 客户端生成一个随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
3. 客户端支持的对称加密方法，比如RSA公钥加密。
4. 客户端支持的压缩方法。

第二次握手

服务端收到请求后回应数据，称为SeverHello，回应信息：

1. 服务端确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果没有匹配版本，服务端关闭加密通信。
2. 服务端生成的一个随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
3. 确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。
4. 服务端数字证书，证书里面包含服务端基本信息以及公钥。

数字证书可以通过各种途径自己生成，但是这样的证书没有社会公信力，还是容易被第三方冒名顶替。

正确的做法是，拿着自己的基本信息和公钥去找权威证书颁发结构，也就是常说的CA机构，从他们哪里获取具有公信力的证书。

CA机构会用自己的私钥对证书进行签名，所以这样的证书是无法被篡改的，也能得到所有客户端的认可和校验。

第三次握手

客户端收到响应信息后，首先要验证服务端数字证书，如果证书颁布机构不可信、或者证书中包含的基本信息与服务端不一致、又或者证书已经失效，就会告知当前用户，询问用户是否还要继续通信。

如果数字证书验证通过，或者用户人为选择继续通信，客户端就从证书中提取服务端公钥，并向服务端再次发送信息：

1. 再次生成一个新的随机数，用服务端公钥加密。
2. 客户端加密方法变更通知，表示随后信息都将用双方协商的加密方法和对称密钥发送。
3. 服务端握手结束通知，表示服务端的握手阶段结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务端校验。

第四次握手

注意前面握手阶段提到的随机数，到目前为止，双方都掌握了三个随机数。

两个由客户端生成，一个明文传输给服务端，一个用服务端公钥加密后传输给服务端。

一个由服务端生成，明文传输给客户端。

确定好这三个随机数，客户端和服务端就可以在各自的本地环境中，根据密钥生成器生成对称密钥。数学原理可以保证客户端和服务端生成的密钥是一样的，并且，该密钥无需再次经过网络传输，可以有效避免对称密钥的泄漏问题！

因为第三个随机数是用公钥加密传输的，第三方无法解开，所以，即使第三方截取到另外两个随机数，也不可能根据密钥生成器生成协商出来的对称密钥！

因此，对称密钥就在不安全的网络环境中，安全的产生了。

服务端验证客户端的hash值，并生成对称密钥以后，返回客户端响应信息：

1. 服务端传输加密方式变更通知，表示随后信息都将用双方协商的加密方法和对称密钥发送。
2. 服务端握手结束通知，表示服务端握手阶段结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。

客户端收到响应以后，校验服务端hash正确以后，就表示四次握手阶段全部完成。

再往后就是用对称密钥加密传输应用层协议数据了。

最后总结

SSL协议保障数据安全分两个阶段：

1. 利用非对称加密原理构建出通信双方的对称加解密密钥，这个对称密钥在很多地方也叫做“会话密钥”。
2. 利用对称加密方法保护应用层协议数据，提高通信效率。

需要明白的是，整个通信过程都能被第三方监听到，但是只要服务端保护好自己的私钥，就能保护好对称密钥不被第三方获取，进而保证关键的通信数据不能被第三方解密。

这就是SSL协议精彩的地方！能够在不安全的环境中建立起安全的通信机制。

不要把SSL协议和TCP协议混为一谈，他们的地位职能不一样：

1. TCP是传输层协议，保证数据的可达性，也就是保证数据在网络中不会丢失。
2. SSL协议功能介于TCP协议和应用层协议之间，是保证数据安全性的，有人认为应该归属于传输层，有人认为应该归属于会话层。

最常见的HTTPS应用浏览器就是支持SSL协议功能的实现者。利用HTTP协议表示数据内容，利用SSL协议保护数据安全，利用TCP协议保证数据传输可达性。