TLS详解之原理和实践(一)-Toy模板网

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引言

本文主要内容涉及到TLS协议发展历程、TLS协议原理以及在HTTPS中的应用，以希望读着对TLS协议的基本工作原理和实际应用有个基本认识。

背景

我们在访问网站的时候经常会碰到以下两种情况：

网站1：
网站2：

从图中可以看到：网站1地址前面显示不安全字样，网站2前面显示🔐的字样，这两种网站本质区别在于有没有使用TLS协议进行通信保护。
浏览器正是通过这种方式提醒用户访问的网站是否安全，通信消息是否会被窃听。

注：上图使用的浏览器为chrome浏览器，其他浏览器可能稍有差别。

发展历程

TLS协议：（Transport Layer Security）是用来保证网络通信安全的密码学协议。被广泛应用在电子邮件、即时通信、VoIP以及HTTPS协议中，其中HTTPS最为常见。TLS协议能够保证通信消息的隐私性、消息完整性以及通信实体的身份鉴别

TLS协议（前身SSL）从1986左右开始，经过了多个版本的发展（以下图片来自维基百科)：
TLS详解之原理和实践(一)

SSL协议作为TLS的前身，由于存在诸多安全漏洞，已经在2015全部被废弃.
TLS协议也经过了多个版本的迭代，其中TLS1.0和TLS1.1由于在协议中使用了MD5、SHA-1等因素，在2021年相继被废弃
TLS1.2解决了之前版本的安全问题。已成为使用最广泛的TLS协议，据统计99%以上的网站支持了TLS1.2
TLS1.3移除了不安全的密码算法，并在密码算法支持和握手效率上等方面进行了显著优化。

协议原理

网络通信模型

在介绍TLS协议原理前，我们首先了解下，网络安全通信模型：

无TLS协议保护
有TLS协议保护

从上图中我们可以看到，在网络通信过程中，如果未使用tls保护，会存在通信消息被窃听、篡改的风险，同时攻击者可以伪造身份进行通信；而使用了TLS协议，能够保证消息的隐私性、完整性和通信实体身份实体的真实性。

注：在访问网站的场景中，这里的Alice、Bob和Eve可以理解为浏览器、Web网站和网络攻击者

TLS协议原理

TLS协议包含多个子协议：

应用数据协议(Application Data Protocol): 用于密文传输
告警协议(Alert Protocol)：在TLS连接中，如果发生了错误或异常情况，TLS协议会使用Alert Protocol发送警报信息，以通知对方发生了什么问题。
握手协议(Handshake Protocol)：用于密钥协商
更改密码规范协议(Change Cipher Spec Protocol): 在TLS连接中通知对方加密算法已经切换
记录协议(Record Protocol): 在TLS连接中对数据进行分段、压缩、加密和认证。上面4个子协议的数据都会通过Record Protocol进行处理，然后再通过网络传输。

TLS协议的核心是TLS握手协议，握手流程如下：
TLS详解之原理和实践(一)

TLS握手过程中客户端和服务端会进行多轮交互，交互过程中会发送握手协议包(下文描述中我们称为xx消息)
上图中标*的部分根据场景为可选，如：

在双向认证中，server发送CertificateRequest消息, 客户端响应Certificate消息和CertificateVerify消息（服务端使用这两个消息验证客户端身份）
在会话恢复（非首次建立TLS链接）中，图中标*的消息不参与握手流程
标[]的ChangeCipherSpec协议不属于握手协议，而是Change Cipher Spec Protocol子协议。

wireshark抓包解析

下面我们以服务器单向认证为例, 并结合wireshark抓包，分析TLS握手协议详细流程：

下面我们以访问某知名大学网站，通过网络抓包详细分析下TLS协议流程。
图一：概览图

从图一抓包结果我们可以了解到：

使用的TLS版本为TLSv1.2
握手过程中的关键字有：

    - Client Hello
    - Server Hello
    - Certificate, Server Key Exchange, Server Hello Done
    - Client Key Exchange, Change Cipher Spec, Encrypted Handshake Message
    - New Session Ticket, Change Cipher Spec, Encrypted Handshake Message
    - Application Data

图二：客户端 -> 服务端：Client Hello

从上图可以看到：

握手协议消息类型为Client Hello
客户端支持的TLS版本为TLS 1.2 (0x0303), 其中0x0303为内部版本号，如TLS1.3为0x0304。
客户端生成的32字节随机数
客户端支持的加密套件，优先级从上到下。

图三：服务端 -> 客户端：Server Hello

从上图可以看到：

握手协议消息类型为Server Hello
服务端确定的TLS版本为TLS 1.2
服务端生成的32字节随机数
服务端确定的加密套件为TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256，该加密套件各字段用途如下：

图四：服务端 -> 客户端：Certificate, Server Key Exchange, Server Hello Done

从上图可以了解到，本次通信tcp包携带了3个tls握手协议包：

Certificate消息：
- 1.1服务端证书，id-at-commonName=*.pku.edu.cn"表示为北京大学服务器网站
- 1.2证书链，该证书链包含根证书id-at-commonName=DigiCert Global Root CA, 该根CA为知名签发机构（隶属于美国）
Server Key Exchange消息：

2.1 服务端DH参数，参与生成主密钥
2.2 服务端签名，用于验证消息有效性

Server Hello Done消息：通知客户端加密套件协商结束

图五：客户端 -> 服务端：Client Key Exchange, Change Cipher Spec, Encrypted Handshake Message

从上图可以了解到，本次通信tcp包携带了3个tls握手协议包：

Client Key Exchange消息
- 1.1 客户端DH参数，参与生成主密钥
Change Cipher Spec消息：通知服务端，客户端已准备好进行密文通信
Encrypted Handshake Message消息：同Finished消息（密文形式）

图六：服务端 -> 客户端： New Session Ticket, Change Cipher Spec, Encrypted Handshake Message

从上图可以了解到，本次通信tcp包携带了3个tls协议包：

New Session Ticket消息: 服务器在TLS握手过程中生成一个新的会话票据（Session Ticket），并将其发送给客户端。客户端可以在后续的TLS握手中使用该会话票据来恢复之前的会话状态，从而避免了重新进行完整的TLS握手流程，提高了握手的效率和安全性。
Change Cipher Spec消息：通知客户端，服务端已准备好进行密文通信
Encrypted Handshake Message消息：同Finished消息（密文形式）

图七：客户端 <-> 服务端：Application Data