自学 websocket（三）：详解 websocket security-Toy模板网

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详解 websocket security

当我们需要在网络中传输敏感数据时，使用加密协议保护数据的安全性是非常必要的。其中，wss协议就是在websocket协议上添加加密层的一种协议。下面详细介绍wss协议的流程。

1 wss协议的总体流程

客户端请求建立wss连接客户端通过发送一个HTTP请求来请求建立wss连接。
- 这个请求头的格式与websocket协议基本相同，但是将ws改为了wss，同时添加了一些额外的请求头用于加密通信。
- 例如：

GET wss://example.com/ HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Protocol: chat
Sec-WebSocket-Version: 13

服务端响应并协商加密方式服务端收到客户端的请求后，会回复一个类似于以下的HTTP响应头：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

其中，Sec-WebSocket-Accept是服务端根据客户端发送的Sec-WebSocket-Key计算出的一段值，用于验证客户端的身份和确认握手成功。
同时，服务端会在Sec-WebSocket-Protocol中告诉客户端使用的子协议，这个子协议需要在之后的通信中进行约定。

建立加密通信通道建立连接后，双方将通过TLS/SSL协议建立一个安全的通道，以保证后续的通信数据的加密和解密过程。
- TLS/SSL协议的实现使用了非对称加密算法和对称加密算法，来保证通信的机密性、完整性和可信度。
发送和接收数据在建立加密通道后，客户端和服务端就可以通过发送WebSocket数据帧来进行通信。在wss协议中，所有传输的数据都是经过加密处理的，以确保数据的机密性。

总的来说，wss协议与websocket协议类似，但是添加了TLS/SSL加密层，提供了更高的安全性和保密性。在实际应用中，通常使用的加密算法包括AES、RSA、SHA等，以及TLS/SSL协议。

2 TLS/SSL 加密层的详细流程

SSL握手当客户端向服务端发起请求时，会首先进行SSL握手。SSL握手分为四个步骤：
1. 第一步：客户端向服务端发送Hello请求，包含客户端支持的SSL/TLS协议版本号、加密算法等信息。
2. 第二步：服务端向客户端发送Hello响应，包含服务端选择的SSL/TLS协议版本号、加密算法等信息。
3. 第三步：服务端向客户端发送证书，包含服务端的公钥和证书信息。
4. 第四步：客户端验证证书并向服务端发送一个随机数，同时使用服务端的公钥进行加密。服务端使用自己的私钥解密这个随机数，并使用客户端随机数和服务端随机数进行加密，然后发送给客户端。
在SSL握手的过程中，客户端和服务端协商选择TLS/SSL协议的版本、加密算法等信息，并交换证书和随机数，以建立一个安全的通信通道。
加密通信在SSL握手完成后，客户端和服务端就可以进行加密通信了。在加密通信过程中，TLS/SSL协议使用的加密算法包括对称加密算法和非对称加密算法。
数据传输在TLS/SSL协议的加密通道建立之后，客户端和服务端就可以开始进行数据传输了。
在数据传输过程中，TLS/SSL协议使用的数据格式是SSL记录协议格式。
- 每个SSL记录协议格式包含一个记录头和一个负载。
- 记录头包含协议版本、记录类型、负载长度等信息。
- 负载则是要传输的数据。
- 在传输数据时，TLS/SSL协议使用对称加密算法对数据进行加密，确保数据的安全性和机密性。

两种加密算法

对称加密算法：使用相同的密钥进行加密和解密，速度较快，但密钥需要安全地交换。
非对称加密算法：使用公钥进行加密，使用私钥进行解密，速度较慢，但安全性较高，不需要交换密钥。

在加密通信过程中，TLS/SSL协议使用的加密算法包括RSA、AES、SHA等。

3 如何使用python编程来模拟TLS/SSL加密层的流程

服务器端

首先，我们需要在服务器端创建一个SSL server，用于监听客户端的连接请求，并使用证书和私钥对连接进行加密。代码如下：

import asyncio
import ssl

# 服务器证书和私钥路径
CERTFILE = "server.crt"
KEYFILE = "server.key"

async def handle_client(reader, writer):
    # 读取客户端发送的数据
    data = await reader.read(1024)

    # 解密数据
    print(data.decode())

    # 向客户端发送数据
    writer.write("Hello, World!".encode())
    await writer.drain()

    # 关闭连接
    writer.close()

async def run_server():
    # 创建一个SSL server，使用证书和私钥进行加密
    ssl_context = ssl.create_default_context(ssl.Purpose.CLIENT_AUTH)
    ssl_context.load_cert_chain(CERTFILE, KEYFILE)

    # 监听客户端连接请求
    server = await asyncio.start_server(handle_client, 'localhost', 8888, ssl=ssl_context)

    async with server:
        await server.serve_forever()

asyncio.run(run_server())

客户端

在客户端，我们需要创建一个SSL connection，使用服务器端的证书进行加密，并向服务器端发送数据。代码如下：

import asyncio
import ssl

# 服务器证书路径
CERTFILE = "server.crt"

async def run_client():
    # 创建一个SSL connection，使用服务器端的证书进行加密
    ssl_context = ssl.create_default_context(ssl.Purpose.SERVER_AUTH)
    ssl_context.load_verify_locations(CERTFILE)

    reader, writer = await asyncio.open_connection('localhost', 8888, ssl=ssl_context)

    # 向服务器端发送数据
    writer.write("Hello, World!".encode())
    await writer.drain()

    # 读取服务器端返回的数据
    data = await reader.read(1024)

    # 解密数据
    print(data.decode())

    # 关闭连接
    writer.close()

asyncio.run(run_client())

上述代码中，我们使用了asyncssl模块创建了一个SSL connection，用于加密通信。
其中，ssl_context对象用于设置SSL选项，包括证书和私钥、验证服务器端证书等。在客户端中，我们使用了load_verify_locations函数来指定服务器端的证书路径。
当客户端连接服务器端时，SSL connection会对证书进行验证，确保连接的安全性。

总的来说，使用Python3.10实现TLS/SSL加密通信是非常方便的。我们只需要使用asyncssl模块创建一个SSL connection，然后像普通的socket一样进行数据传输即可。

4 涉及TLS/SSL加密层的步骤详解

客户端发送ClientHello消息，其中包含客户端支持的加密算法列表。
- 在这一步中，客户端使用自己的随机数、支持的加密算法列表等信息生成一个随机数并将其使用服务器端公钥进行加密，以保证消息的机密性。
服务器端接收到ClientHello消息后，会从中选择一种加密算法，并将其发送给客户端。
- 在这一步中，服务器端使用自己的随机数、选择的加密算法等信息生成一个随机数并将其使用客户端公钥进行加密，以保证消息的机密性。
客户端接收到服务器端选择的加密算法后，会生成一个预主秘钥，并将其使用服务器端公钥进行加密，以保证消息的机密性。然后，客户端会发送一个ClientKeyExchange消息，其中包含加密后的预主秘钥。
服务器端接收到ClientKeyExchange消息后，会使用自己的私钥进行解密，并得到预主秘钥。
- 然后，服务器端使用预主秘钥生成主秘钥，并使用主秘钥对通信过程中的所有数据进行加密和解密。
客户端发送ChangeCipherSpec消息，通知服务器端从此之后的所有数据都将使用主秘钥进行加密和解密。
服务器端接收到ChangeCipherSpec消息后，也会通知客户端从此之后的所有数据都将使用主秘钥进行加密和解密。

在这些步骤中，涉及到加密的内容主要包括随机数、预主秘钥等。