HTTPS -- TLS

Posted 2023-02-14 vector6_

TLS

TLS 由记录协议、握手协议、警告协议、变更密码规范协议、扩展协议等几个子协议组成，综合使用了对称加密、非对称加密、身份认证等许多密码学技术。

机密性

即对数据的保密，实现机密性的手段即是加密。主要用的算法可分为对称加密和非对称加密。

对称加密

指加密和解密时使用的密钥都是同一个，是“对称”的。

TLS 里有非常多的对称加密算法可供选择，比如 RC4、DES、3DES、AES、ChaCha20 等，但前三种算法都被认为是不安全的，通常都禁止使用，目前常用的只有 AES 和 ChaCha20。

AES(Advanced Encryption Standard)，密钥长度可以是 128、192 或 256。它是 DES 算法的替代者，安全强度很高，性能也很好，而且有的硬件还会做特殊优化，所以非常流行，是应用最广泛的对称加密算法。

ChaCha20 是 Google 设计的另一种加密算法，密钥长度固定为 256 位，纯软件运行性能要超过 AES，曾经在移动客户端上比较流行，但 ARMv8 之后也加入了 AES 硬件优化，所以现在不再具有明显的优势，但仍然算得上是一个不错的算法。

加密分组模式：对称算法的另一种模式：可以让算法用固定长度的密钥加密任意长度的明文。最早有 ECB、CBC、CFB、OFB 等几种分组模式，但都陆续被发现有安全漏洞，所以现在基本都不怎么用了。最新的分组模式被称为 AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data），在加密的同时增加了认证的功能，常用的是 GCM、CCM 和 Poly1305。

将对称加密算法和分组模式组合起来，就可以得到TLS密码套件中定义的对称加密算法。比如，AES128-GCM，意思是密钥长度为 128 位的 AES 算法，使用的分组模式是 GCM。

非对称加密

对称加密的问题是密钥交换，即如何把密钥安全地传递给对方。因为在对称加密算法中只要持有密钥就可以解密。如果你和网站约定的密钥在传递途中被黑客窃取，那他就可以在之后随意解密收发的数据，通信过程也就没有机密性可言了。

只用对称加密算法，是绝对无法解决密钥交换的问题。所以就需要使用非对称加密。

非对称加密有两个密钥，一个叫“公钥”（public key），一个叫“私钥”（private key）。两个密钥是不同的，“不对称”，公钥可以公开给任何人使用，而私钥必须严格保密。

公钥和私钥的加解密是单向的，虽然都可以用来加密解密，但公钥加密后只能用私钥解密，反过来，私钥加密后也只能用公钥解密。

非对称加密可以解决“密钥交换”的问题。网站秘密保管私钥，在网上任意分发公钥，你想要登录网站只要用公钥加密就行了，密文只能由私钥持有者才能解密。而黑客因为没有私钥，所以就无法破解密文。

非对称加密算法的设计要比对称算法难得多，在 TLS 里只有很少的几种，比如 DH、DSA、RSA、ECC 等。

最常用的非对称加密算法是RSA，现在的RSA密钥推荐长度是2048位。

另一种常用的非对称加密算法是ECC，比起 RSA，ECC 在安全强度和性能上都有明显的优势。160 位的 ECC 相当于 1024 位的 RSA，而 224 位的 ECC 则相当于 2048 位的 RSA。因为密钥短，所以相应的计算量、消耗的内存和带宽也就少，加密解密的性能就上去了。

混合加密

虽然非对称加密没有密钥交换的问题，但因为它们都是基于复杂的数学难题，运算速度很慢，即使是 ECC 也要比 AES 差上好几个数量级。如果仅用非对称加密，虽然保证了安全，但通信速度降低影响很大

TLS中使用了混合加密的方式：

在通信刚开始的时候使用非对称算法，比如 RSA、ECDHE，首先解决密钥交换的问题。

然后用随机数产生对称算法使用的“会话密钥”，再用公钥加密。因为会话密钥很短，通常只有 16 字节或 32 字节，所以速度也不会太慢。

对方拿到密文后用私钥解密，取出会话密钥。这样，双方就实现了对称密钥的安全交换，后续就不再使用非对称加密，全都使用对称加密。

这样混合加密就解决了对称加密算法的密钥交换问题。也兼顾了安全和性能。

完整性

摘要算法

实现完整性的手段主要是摘要算法（Digest Algorithm）。

最常用的摘要算法有MD5（Message-Digest 5）、SHA-1（Secure Hash Algorithm 1），它们就是最常用的两个摘要算法，能够生成 16 字节和 20 字节长度的数字摘要。但这两个算法的安全强度比较低，不够安全，在 TLS 里已经被禁止使用了。

目前 TLS 推荐使用的是 SHA-1 的后继者：SHA-2。

SHA-2 实际上是一系列摘要算法的统称，总共有 6 种，常用的有 SHA224、SHA256、SHA384，分别能够生成 28 字节、32 字节、48 字节的摘要。

摘要算法保证了“数字摘要”和原文是完全等价的。所以，我们只要在原文后附上它的摘要，就能够保证数据的完整性。

不过摘要算法不具有机密性，如果明文传输，那么黑客可以修改消息后把摘要也一起改了，网站还是鉴别不出完整性。所以，真正的完整性必须要建立在机密性之上，在混合加密系统里用会话密钥加密消息和摘要，这样黑客无法得知明文。即哈希消息认证码（HMAC）

身份认证

数字签名

除了加密以及摘要算法，还有安全漏洞的就是通信两端的身份认证问题。因为黑客可能会伪装成访问者，向网站发送支付、转账等消息。

所以像现实中的签名、印章那样，需要数字签名证明身份。即使用非对称加密里的“私钥”，使用私钥再加上摘要算法，就能够实现“数字签名”，同时实现“身份认证”和“不可否认”。

数字签名的原理其实很简单，就是把公钥私钥的用法反过来，之前是公钥加密、私钥解密，现在是私钥加密、公钥解密。但又因为非对称加密效率太低，所以私钥只加密原文的摘要，这样运算量就小的多，而且得到的数字签名也很小，方便保管和传输。

签名和公钥一样完全公开，任何人都可以获取。但这个签名只有用私钥对应的公钥才能解开，拿到摘要后，再比对原文验证完整性，就可以像签署文件一样证明消息确实是你发的。

只要你和网站互相交换公钥，就可以用“签名”和“验签”来确认消息的真实性，因为私钥保密，黑客不能伪造签名，就能够保证通信双方的身份。

数字证书和 CA

除了数字签名，我们还有一个公钥的信任的问题，即如何判断这个公钥是你或者某个服务的公钥。

用别的私钥来给公钥签名是不行的，会陷入无穷的递归认证问题；这时就必须找一个公认的可信第三方，构建公钥的信任链。

这个“第三方”就是我们常说的 CA（Certificate Authority，证书认证机构）。由它来给各个公钥签名，用自身的信誉来保证公钥无法伪造，是可信的。

CA 对公钥的签名认证也是有格式的，不是简单地把公钥绑定在持有者身份上就完事了，还要包含序列号、用途、颁发者、有效时间等等，把这些打成一个包再签名，完整地证明公钥关联的各种信息，形成“数字证书”（Certificate）。

知名的 CA 全世界就那么几家，比如 DigiCert、VeriSign、Entrust、Let’s Encrypt 等，它们签发的证书分 DV、OV、EV 三种，区别在于可信程度。DV 是最低的，只是域名级别的可信，背后是谁不知道。EV 是最高的，经过了法律和审计的严格核查，可以证明网站拥有者的身份（在浏览器地址栏会显示出公司的名字，例如 Apple、GitHub 的网站）。

对于CA如何证明自己的问题，小一点的 CA 可以让大 CA 签名认证，但链条的最后，也就是 Root CA，就只能自己证明自己了，这个就叫“自签名证书”（Self-Signed Certificate）或者“根证书”（Root Certificate）。你必须相信，否则整个证书信任链就走不下去了。

有了这个证书体系，操作系统和浏览器都内置了各大 CA 的根证书，上网的时候只要服务器发过来它的证书，就可以验证证书里的签名，顺着证书链（Certificate Chain）一层层地验证，直到找到根证书，就能够确定证书是可信的，从而里面的公钥也是可信的。