TLS、运输层安全协议

目录

运输层安全协议

1 协议 TLS 的要点

1.1 协议 TLS 的位置

1.2 TLS 与应用层协议独立无关

1.3 协议 TLS 具有双向鉴别的功能

1.4 TLS 建立安全会话的工作原理

TLS 的握手阶段

TLS 的会话阶段

1.5 TLS 传送的记录格式

2 协议 TLS 必须包含的措施

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运输层安全协议

现在广泛使用以下两个协议：

        -安全套接字层 SSL (Secure Socket Layer)

        -运输层安全 TLS (Transport Layer Security)  

1 协议 TLS 的要点

·安全套接层 SSL 由 Netscape 于 1994 年开发，广泛应用于基于万维网的各种网络应用（但不限于万维网应用）。

·SSL 作用在端系统应用层的 HTTP 和运输层之间，在 TCP 之上建立起一个安全通道，为通过 TCP 传输的应用层数据提供安全保障。

·1999 年，IETF 在 SSL 3.0 基础上设计了 TLS 1.0，为所有基于 TCP 的网络应用提供安全数据传输服务。

·2018 年 8 月，IETF 发布了经历了 28 个草案后才通过的最新版本TLS 1.3 [RFC 8446，建议标准]（不向后兼容）。

·2020 年，旧版本 TLS 1.0/1.1 均被废弃。

1.1 协议 TLS 的位置

·在发送方，TLS 接收应用层的数据，对数据进行加密，然后把加密后的数据送往 TCP 套接字。

·在接收方，TSL 从 TCP 套接字读取数据，解密后把数据交给应用层。

1.2 TLS 与应用层协议独立无关

·TLS 提供了一个简单的带有套接字的应用程序接口 API，与 TCP 的API 相似。

·应用层使用 TLS 最多的就是 HTTP。TLS 可用于任何应用层协议。

·应用程序 HTTP 调用 TLS 对整个网页进行加密时，网页上会提示用户，在网址栏原来显示 http 的地方，现在变成了 https。

·s 代表 security，表明现在使用的是提供安全服务的 HTTP 协议（TCP 的 HTTPS 端口号是 443，而不是平时使用的端口号 80）。

1.3 协议 TLS 具有双向鉴别的功能

·常用单向鉴别：客户端（浏览器）需要鉴别服务器，确信即将访问的网站服务器是安全和可信的。

·两个前提：

        1.服务器需要有一个有效的 CA 证书来证明自己。CA 证书是运输层安全协议 TLS 的基石。

        2.浏览器应具有一些手段来证明服务器是安全和可信的。

·建立安全会话两个阶段：

        1.握手阶段：使用握手协议

        2.会话阶段：使用记录协议

1.4 TLS 建立安全会话的工作原理

TLS 的握手阶段

·验证服务器，生成会话阶段所需的共享密钥

1.协商加密算法。 （1）浏览器 A 向服务器 B 发送浏览器的 TLS 版本号和一些可选的加密算法。 （2）B 从中选定自己所支持的算法（如 RSA），并告知 A，同时把自己的 CA 数字证书发送给 A。

2.服务器鉴别。（3）客户 A 用数字证书中 CA 的公钥对数字证书进行验证鉴别。

3.生成主密钥。（4）客户 A 按照双方确定的密钥交换算法生成主密钥 MS (Master Secret)。 （5）客户 A 用 B 的公钥 PKB 对主密钥 MS 加密，得出加密的主密钥 PKB(MS)，发送给服务器 B。

4.服务器 B 用自己的私钥把主密钥解密出来 ：SKB(PKB(MS)) = MS 。这样，客户 A 和服务器 B 都有了为后面数据传输使用的共同的主密钥 MS。

5.生成会话密钥（7）和（8）。为了使双方的通信更加安全，客户 A 和服务器 B 最好使用不同的密钥。主密钥被分割成 4 个不同的密钥。每一方都拥有这样 4 个密钥（注意：这些都是对称密钥）：

        ·客户 A 发送数据时使用的会话密钥 KA

        ·客户 A 发送数据时使用的 MAC 密钥 MA

        ·服务器 B 发送数据时使用的会话密钥 KB

        ·服务器 B 发送数据时使用的 MAC 密钥 MB

TLS 的会话阶段

·保证传送数据的机密性和完整性

·把长的数据划分为较小的数据块，叫做记录 (record)。对每一个记录进行鉴别运算和加密运算。

·记录协议对每一个记录按发送顺序赋予序号，第一个记录作为 0。发送下一个记录时序号就加 1，序号最大值不得超过 264 – 1，且不允许序号绕回。

·序号未写在记录之中，而是在进行散列运算时，把序号包含进去。客户 A 向服务器 B 发送一个明文记录时，对 MAC 密钥 MA 、记录的当前序号和明文记录进行散列运算，鉴别明文记录的完整性（内容和顺序均无误）。使用会话密钥 KA 进行加解密。

这种对记录加密的方法称为带关联数据的鉴别加密 AEAD (Authenticated Encryption with Associated Data) 。

1.5 TLS 传送的记录格式

·类型字段：指明所传送的记录是握手阶段的报文，还是应用程序传送的报文，或最后要关闭 TLS 连接的报文。

·长度字段：字节数，用于从 TCP 报文中提取 TLS 记录。

2 协议 TLS 必须包含的措施

·握手阶段补充的措施：

        1.客户 A 和服务器 B相互发送不重数，防止重放攻击。

        2.生成预主密钥 PMS (Pre-Master Secret)，为下一步生成主密钥使用。

        3.生成主密钥。客户 A 和服务器 B 各自使用同样的（已商定的）算法，使用预主密钥 PMS 、客户的不重数和服务器的不重数，生成主密钥 MS。

        4.客户 A 向服务器 B 发送的全部握手阶段报文的 MAC。

        5.服务器 B 向客户 A 发送的全部握手阶段报文的 MAC。

·关闭 TLS 连接：

        关闭 TLS 连接之前，A 或 B 应当先发送关闭 TLS 的记录，以防止截断攻击 (truncation attack)。

·截断攻击：在 A 和 B 正在进行会话时，入侵者突然发送 TCP 的 FIN 报文段来关闭 TCP 连接。

·如果 A 或 B 没有事先发送一个要关闭 TLS 的记录，那么 A 或 B 见到 TCP 的 FIN 报文段时，就知道这是入侵者的截断攻击了。因为入侵者无法伪造关闭 TLS 的记录。

·TLS 1.3 中使用了更加安全的椭圆曲线密码 ECC（Elliptic Curve Cryptography）与 AES，运算速度比 1.2 版本有很大的提高。

·TLS 1.3 还添加了 0-RTT 的功能。 

        ·如果客户之前连接过某服务器，TLS 1.3 通过储存先前会话的秘密信息，不需要经过 1-RTT 的握手过程，仅需 0-RTT 即可开始会话阶段，更加提高了 TLS 的效率。

        ·必须要防止可能发生的重放攻击。

欢迎一起学习~