SSL和TLS的技术原理浅谈

Posted 2020-11-15 sanxiandoupi

背景

程序员小明想给隔壁红写信表白，但是又不想让信件内容被其他人看见，希望只有小红才能看见信件内容，迫不及待的小明的大脑飞快运转起来。

预备基础知识

• 对称密钥加密（Symmetric Key Cryptography）：加密与解密使用相同密钥。对称加密算法的特点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。缺点是交易双方都使用同样钥匙，安全性得不到保证。
• 非对称密钥加密（Asymmetric Key Cryptography）：加密与解密使用不同密钥。非对称加密使用一对秘钥，一个用来加密，一个用来解密，而且公钥是公开的，秘钥是自己保存的，其安全性更好。缺点是加密和解密花费时间长、速度慢，只适合对少量数据进行加密。
• 哈希算法（Hash Algorithm）：又称散列算法，杂凑算法，是一种从任意文件中创造小的数字「指纹」的方法。与指纹一样，散列算法就是一种以较短的信息来保证文件唯一性的标志，这种标志与文件的每一个字节都相关，而且难以找到逆向规律。因此，当原有文件发生改变时，其标志值也会发生改变，从而告诉文件使用者当前的文件已经不是你所需求的文件。

信件加密（对称加密）

小明想到对信件内容进行加密，而加密算法一般分为 对称加密 与 非对称加密 两种。非对称加密对加密性能较差，对加密内容有长度限制，所以加密信件内容我们只能选择对称加密方式。使用对称加密算法和一个 会话秘钥 对信件内容加密，当小明把加密好的信件送给小红，小红收到密信后需要使用同一个会话秘钥进行解密，小明该如何才能安全地把会话秘钥送到小红手上呢？

会话秘钥加密（非对称加密）

直接将会话秘钥和信件打包一起发出去，如果遇上了和小明一样懂得加密算法的程序员，那信件内容相当于不设防，所以我们也要想办法对秘钥进行加密，因为秘钥的长度一般都不会太长，所以我们可以使用非对称加密算法加密秘钥 。

非对称加密秘钥有两份，可以任选一把作为 私钥 ，供自己使用，另外一把作为 公钥 ，分发出去供收信方使用。小明用自己的私钥对会话秘钥进行加密，这样会话密钥就可以确保安全了。但是小明仍然无法保证公钥能安全送到小红手中，如果公钥被坏人得到了，甚至可以假冒成小红与小明互相通信，细思恐极之下，小明陷入了深思中。

权威机构

N多年过去了，小明通过不懈努力，终于找到了安全传输公钥的办法。小明建立了一个权威机构，该权威机构专门颁布一种数字证书，由于该权威机构驰名海内网并且公认信用可靠，它颁布数字证书基本可以确定证书内容可靠，在其之下还有很多各级证书颁布机构，受大众信任程度各不相同。我们的电脑在安装操作系统时，系统顺带安装了一些受信任的证书颁布机构的证书，证书包含有这些机构秘钥对应的公钥。

数字证书

小明只要去证书颁布机构申请一个数字证书，数字证书中包含了不少于以下几项内容：

• 证书的发布机构
• 证书的有效期
• 公钥
• 证书的所有者
• 签名所使用的算法
• 指纹以及指纹算法

然后将数字证书发给小红，小红得到数字证书后，通过证书发布机构的公钥(默认安装在系统中)可以对证书内容解密，如果成功解密，说明该证书来源真实可靠，以该证书颁布机构的名誉保证。数字证书中的 证书所有者 保证了公钥来自于小明，而不是来自于隔壁老王的儿子小王。来源可靠，但是不能保证证书内容没有被别人篡改，这个时候就涉及到了指纹和数字签名。

指纹

• 指纹加密

证书颁布机构在给小明发证书时，把证书的发布机构、证书的有效期、公钥、证书的所有者等信息以明文的形式写到证书里面，然后用一个指纹算法计算出这些数字证书内容的一个指纹，并把指纹和指纹算法用自己的私钥进行加密得到数字签名，然后这些内容一起打包发给小明，还会将一个专属于小明私钥给到小明，这个私钥和证书中的公钥为一对。

• 指纹验证

而这个证书由小明又转送至小红手中，首先小红读取证书中的证书颁发机构为SecureTrust CA ，然后会在操作系统中受信任的发布机构的证书中去找SecureTrust CA的证书，如果找不到，那说明证书的发布机构是个水货发布机构，小明的证书和内容可能有问题。 如果在系统中找到了SecureTrust CA的证书，那么从证书中取出SecureTrust CA的公钥，然后对小明的证书里面的数字签名用这个公钥进行解密，得到指纹和指纹算法，然后使用这个指纹算法计算小明的证书的指纹，将这个计算出来指纹与放在证书中的指纹对比，如果一致，说明小明的证书肯定没有被修改过并且证书是SecureTrust CA发布的。

握手流程

最终小红可以安全地拿到小明的公钥，每次写信的时候随机生成一个会话秘钥，再使用公钥对会话秘钥加密后发给小明，小明用自己的私钥解密得到会话秘钥，然后对会话秘钥hash后，将hash值加密发回给小红，小红使用公钥解密得到hash值，然后自己也对会话秘钥进行hash计算，对比自己算出的hash值和对方发过来的hash值，如果一直就可以确认对方是持有私钥的小明了。然后双方就可以使用这个会话秘钥进行通信了。

虽然现在信件如果被第三方持有了也无法得知信件内容，但是遇上无聊的人他仍然可以对信件内容进行破坏。在每次发送信息时，先对信息的内容进行一个hash计算得出一个指纹，将信息的内容和这个指纹一起加密后发送。接收方在收到后进行解密得到明文的内容和指纹，然后接收方再自己对收到信息内容做一次hash计算，与收到的指纹进行对比看是否匹配，如果匹配就说明信息在传输过程中没有被修改过。如果不匹配说明中途有人故意对加密数据进行了修改，立刻中断通话过程后做其它处理。

原文:大专栏  SSL和TLS的技术原理浅谈