SSL/TLS/WTLS原理

一 前言

首先要澄清一下名字的混淆：
1 SSL(Secure Socket Layer)是netscape公司设计的主要用于web的安全传输协议。这种协议在WEB上获得了广泛的应用。
2 IETF(www.ietf.org)将SSL作了标准化，即RFC2246,并将其称为TLS（Transport Layer Security），从技术上讲，TLS1.0与SSL3.0的差别非常微小。由于本文中没有涉及两者间的细小差别，本文中这两个名字等价。
3 在WAP的环境下，由于手机及手持设备的处理和存储能力有限，wap论坛（www.wapforum.org）在TLS的基础上做了简化，提出了WTLS协议（Wireless Transport Layer Security），以适应无线的特殊环境。

我们从各式各样的文章中得知，SSL可以用于保密的传输，这样我们与web server之间传输的消息便是“安全的”。
而这种“安全”究竟是怎么实现的，最终有能实现多大程度的保密？本文希望能用通俗的语言阐明其实现原理。

二 整体结构概览

SSL是一个介于HTTP协议与TCP之间的一个可选层，其位置大致如下：

－－－－－－－－－
| HTTP |
－－－－－－－－－
| SSL |
－－－－－－－－－
| TCP |
－－－－－－－－－
| IP |
－－－－－－－－－

如果利用SSL协议来访问网页，其步骤如下：
用户：在浏览器的地址栏里输入https://www.sslserver.com
HTTP层：将用户需求翻译成HTTP请求，如
GET /index.htm HTTP/1.1
Host http://www.sslserver.com

SSL层: 借助下层协议的的信道安全的协商出一份加密密钥，并用此密钥来加密HTTP请求。
TCP层：与web server的443端口建立连接，传递SSL处理后的数据。

接收端与此过程相反。

SSL在TCP之上建立了一个加密通道，通过这一层的数据经过了加密，因此达到保密的效果。

SSL协议分为两部分：Handshake Protocol和Record Protocol,。其中Handshake Protocol用来协商密钥，协议的大部分内容就是通信双方如何利用它来安全的协商出一份密钥。 Record Protocol则定义了传输的格式。

三 需要的加密方面的基础知识
了解SSL原理需要一点点加密的概念，这里把需要的概念做一下简单阐述：

加密一般分为三类，对称加密，非对称加密及单向散列函数。

对称加密：又分分组密码和序列密码。
分组密码是将明文按一定的位长分组，明文组经过加密运算得到密文组，密文组经过解密运算
（加密运算的逆运算），还原成明文组。
序列密码是指利用少量的密钥（制乱元素）通过某种复杂的运算（密码算法）产生大量的伪随机位流，用于对明文位流的加密。
解密是指用同样的密钥和密码算法及与加密相同的伪随机位流，用以还原明文位流。

CBC(Cipher Block Chaining)模式这个词在分组密码中经常会用到，它是指一个明文分组在被加密之前要与前一个的密文分组进行异或运算。当加密算法用于此模式的时候除密钥外，还需协商一个初始化向量（IV），这个IV没有实际意义，只是在第一次计算的时候需要用到而已。采用这种模式的话安全性会有所提高。

分组密码的典型例子为DES,RC5,IDEA。
序列密码的典型例子为RC4。

公钥加密：
简单的说就是加密密钥与解密密钥不同，分私钥和公钥。这种方法大多用于密钥交换，RSA便是一个我们熟知的例子。
还有一个常用的称作DH，它只能用于密钥交换，不能用来加密。

单向散列函数：
由于信道本身的干扰和人为的破坏，接受到的信息可能与原来发出的信息不同，一个通用的办法就是加入校验码。
单向散列函数便可用于此用途，一个典型的例子是我们熟知的MD5,它产生128位的摘要，在现实中用的更多的是安全散列算法（SHA），SHA的早期版本存在问题，目前用的实际是SHA－1，它可以产生160位的摘要，因此比128位散列更能有效抵抗穷举攻击。

由于单向散列的算法都是公开的，所以其它人可以先改动原文，再生成另外一份摘要。解决这个问题的办法可以通过HMAC（RFC 2104）,它包含了一个密钥，只有拥有相同密钥的人才能鉴别这个散列。

四 密钥协商过程

由于对称加密的速度比较慢，所以它一般用于密钥交换，双方通过公钥算法协商出一份密钥，然后通过对称加密来通信，当然，为了保证数据的完整性，在加密前要先经过HMAC的处理。

SSL缺省只进行server端的认证，客户端的认证是可选的。以下是其流程图（摘自TLS协议）。

Client Server

Clienth*llo -------->
Serverh*llo
Certificate*
ServerKeyExchange*
CertificateRequest*
<-------- Serverh*lloDone
Certificate*
ClientKeyExchange
CertificateVerify*
[ChangeCipherSpec]
Finished -------->
[ChangeCipherSpec]
<-------- Finished
Application Data <-------> Application Data

简单的说便是：SSL客户端（也是TCP的客户端）在TCP链接建立之后，发出一个Clienth*llo来发起握手，这个消息里面包含了自己可实现的算法列表和其它一些需要的消息，SSL的服务器端会回应一个Serverh*llo，这里面确定了这次通信所需要的算法，然后发过去自己的证书（里面包含了身份和自己的公钥）。Client在收到这个消息后会生成一个秘密消息，用SSL服务器的公钥加密后传过去，SSL服务器端用自己的私钥解密后，会话密钥协商成功，双方可以用同一份会话密钥来通信了。

五 密钥协商的形象化比喻

如果上面的说明不够清晰，这里我们用个形象的比喻，我们假设A与B通信，A是SSL客户端，B是SSL服务器端，加密后的消息放在方括号[]里，以突出明文消息的区别。双方的处理动作的说明用圆括号（）括起。

A：我想和你安全的通话，我这里的对称加密算法有DES,RC5,密钥交换算法有RSA和DH，摘要算法有MD5和SHA。

B：我们用DES－RSA－SHA这对组合好了。
这是我的证书，里面有我的名字和公钥，你拿去验证一下我的身份（把证书发给A）。
目前没有别的可说的了。

A：（查看证书上B的名字是否无误，并通过手头早已有的CA的证书验证了B的证书的真实性，如果其中一项有误，发出警告并断开连接，这一步保证了B的公钥的真实性）

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