用WireShark简单看看SSL/TLS协议

Posted 2023-03-09

参考技术A

HTTPS目前是网站标配，否则浏览器会提示链接不安全，同HTTP相比比，HTTPS提供安全通信，具体原因是多了个“S”层，或者说SSL层[Secure Sockets Layer]，现在一般都是TLS[Transport Layer Security]，它是HTTP 明文 通信变成安全 加密通信 的基础，SSL/TLS介于应用层和TCP层之间，从应用层数据进行加密再传输。安全的核心就在加密上：

如上图所示，HTTP明文通信经中间路由最终发送给对方，如果中间某个路由节点抓取了数据，就可以直接看到通信内容，甚至可以篡改后，路由给目标对象，如下：

可见HTTP传输是不安全的，但，如果传输的是只有双方可校验的密文，就可以避免被偷窃、篡改，保证传输的安全性，这就是SSL/TLS层做的事情。

SSL/TLS协议主要从三方面来保证数据传输的安全性：保密、鉴别、完整：

对用户端而言：怎么保证访问的网站就是目标网站？答案就是 证书 。每个HTTPS网站都需要TLS证书，在数据传输开始前，服务端先将证书下发到用户端，由用户根据证书判断是否是目标网站。这其中的原理是什么，证书又是如何标识网站的有效性呢？证书也叫 digital certificate 或者public key certificate，是密码学中的概念，在TLS中就是指CA证书【 由证书的签发机构（Certificate Authority，简称为 CA）颁布的证书 】，好比是权威部门的公章，WIKI百科解释如下：

大意就是证书包含了目标站点的身份信息，并可以通过某种方式校验其合法性，对于任何一个HTTPS网站，你都可以拿到其CA证书公钥信息，在Chrome浏览器中点击HTTPS网站的锁标志，就可以查看公钥信息，并可以导出CA二进制文件：

浏览器就是通过这个文件来校验网站是否安全合法，可以看到，证书其实内置了一个颁发链条关系，根证书机构->次级证书机构->次次级->网站自身，只要验证这个链条是安全的，就证明网站合法，背后的技术其实是 信任链+RSA的非对称加密+系统内置根证书 。CA在颁发证书的时候，会用自己的私钥计算出要颁发证书的签名，其公钥是公开的，只要签名可被公钥验证就说明该证书是由该CA颁发的，核心校验逻辑如下

那么上级的CA又是如何保证安全呢？重复上述操作即可，最终都是靠根证书来验证的，根证书的安全性不需要验证，由系统保证，如此就形成了一个证书的信任链，也就能验证当前网站证书的有效性，证书的信任链校验如下：

TLS协议最大的提升点就是数据的安全，通HTTP通信相比，HTTPS的通信是加密的，在协商阶段，通过非对称加密确定对称加密使用的秘钥，之后利用对称秘钥进行加密通信，这样传输的数据就是密文，就算中间节点泄漏，也可以保证数据不被窃取，从而保证通信数据的安全性。

第三个问题，虽然中间节点无法窃取数据，但是还是可以随意更改数据的，那么怎么保证数据的完整性呢，这个其实任何数据传输中都会有这个问题，通过MAC[Message Authentication Codes]信息摘要算法就可以解决这个问题，同普通MD5、SHA等对比，MAC消息的散列加入了秘钥的概念，更加安全，是MD5和SHA算法的升级版，可以认为TLS完整性是数据保密性延伸，接下来就借助WireShark看看TLS握手的过程，并看看是如何实现身份鉴别、保密性、完整性的。

HTTPS安全通信简化来说： 在协商阶段用非对称加密协商好通信的对称秘钥 ，然后 用对称秘钥加密进行数据通信 ，简易的WireShark TLS/SSL协商过程示意如下：

细化分离后示意如下：

握手分多个阶段，不过一次握手可以完成多个动作，而且也并不是所有类型的握手都是上述模型，因为协商对称秘钥的算法不止一种，所以握手的具体操作也并非一成不变，比如RSA就比ECDHE要简单的多，目前主流使用的都是ECDHE，具体流程拆分如下：

Client Hello是TLS/SSL握手发起的第一个动作，类似TCP的SYN，Client Hello 阶段客户端会指定版本，随机数、支持的密码套件供服务端选择，具体的包数据如下

启动TLS握手过程， 提供自己所能支持各种算法，同时提供一个将来所能用到的随机数 。

ContentType指示TLS通信处于哪个阶段阶段，值22代表Handshake，握手阶段，Version是TLS的版本1.2，在握手阶段，后面链接的就是握手协议，这里是Client Hello，值是1，同时还会创建一个随机数random给Server，它会在生成session key【对称密钥】时使用。之后就是支持的供服务端选择的密码套件，接下来等服务端返回。

Handshake Type: Server Hello (2)，作为对Client Hello的响应 ， 确定使用的加密套件 : TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)，密钥协商使用 ECDHE，签名使用 RSA，
数据通信通信使用 AES 对称加密，并且密钥长度是128位，GCM分组，同时生成一个服务端的random及会话ID回传。

这一步服务器将配置的证书【链】发送给客户端，客户端基于上文所述的证书链校验证书的有效性，这里发送的证书是二进制格，可以利用wireshark右键“Export Packet Bytes”功能，导出.CER格式的证书。如下可以看到传输的证书链。

导出的CER格式的证书如下，最关键的就其公钥跟数字签名。

Server Key Exchange是针对选定的ECDHE协商所必须的步骤，Diffie-Hellman模型解释如下：

大意就是ephemeral Diffie-Hellman不会使用证书中的静态公钥参与对称秘钥的生成，而是需要服务端与客户端通过彼此协商确定对称秘钥，而D-H算法模型需要两对非对称秘钥对，各端保留自己的私钥，同时握有双方的公钥，然后基于D-H算法双端可以算出一样的对称加密秘钥，而这就需要C/S互传自己的公钥

服务端做完这一步，其实ECDHE算法中服务端需要提供的信息已经结束，发送 Server Hello Done告诉客户端，然后等待客户端回传它的D-H公钥。

算法：

其中p和g是公开的DH参数，只要P是一个足够大的数，在不知道私钥的情况下，即使截获了双方的公钥，也是很难破解的。

客户端收到服务端的证书后，利用信任链检测证书有效性，同时也会同Server Key Exchange 类似，将自己的Diffie-Hellman公钥发送给Server端，

至此，ECDHE协商所需要的信息都传输完毕， 双方都可以基于ECDHE算法算出的共享密钥，同时结合之前的随机数生成最终的对称加密秘钥：

之后客户端发送Change Cipher Spec与 Encrypted Handshake Message标识握手完成，同时传输一个加密的数据给Server，验证双方确立的秘钥是否正确，这就需要服务端也要重复这个操作给客户端，这样才能验证彼此的加解密一致，即服务端也要来一次Encrypted Handshake Message回传给客户端校验，

走完如上流程，双方就确认了正确的对称加密通道，后面就是TLS的数据通信，其Record Layer的ContentType 也会变成 Content Type: Application Data (23)：

最终对称会话密钥包含三部分因子：

Client Hello与Server Hello阶段交换的随机数，是为了提高秘钥的「随机」程度而进行的，这样有助于提高会话密钥破解难度。

HTTPS通过加密与完整性校验可以防止数据包破解与篡改，但对于主动授信的抓包操作是没法防护，比如Charles抓包，在这个场景用户已经风险，并且将Charles提供的证书信任为根证书，这从源头上构建了一条虚拟的信任链：在握手阶段，Charles利用自己的公钥，生成客户端可以信任的篡改证书，从而可以充作中间人进而抓包，所谓中间人攻击，感觉跟Https抓包原理一样，都是要强制添加一个自己的信任根证书。