浅谈SSL/TLS工作原理

浅谈SSL/TLS工作原理

(PS:说好的OpenStack Neutron VXLAN实现下一次再说)


为了保证网络通信的安全性,需要对网络上传递的数据进行加密。现在主流的加密方法就是SSL (Secure Socket Layer),TLS (Transport Layer Security)。后者比前者要新一些,不过在很多场合还是用SSL指代SSL和TLS。

先来回顾一下网络通信加密的发展过程,假设A和B之间要网络通信。

远古时代

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远古时代自然是民风淳朴,路不拾遗,夜不闭户。A要发数据给B,根本不用担心窃听和篡改,直接发就好了。


上古时代

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随着时代的发展,渐渐的有了一类人---C。C不仅会监听A和B之间的网络数据,还会拦截A和B之间的数据,伪造之后再发给A或者B,进而欺骗A和B。C就是中间人攻击(Man In The Middle Attack)。

为了应对C的攻击,A和B开始对自己的数据进行加密。A和B会使用一个共享的密钥,A在发送数据之前,用这个密钥对数据加密。B在收到数据之后,用这个密钥对数据解密。因为加密解密用的是同一个密钥,所以这里的加密算法称为对称加密算法

在1981年,DES(Data Encryption Standard)被提出,这是一种对称加密算法。DES使用一个56bit的密钥,来完成数据的加解密。尽管56bit看起来有点短,但时间毕竟是在上古时代,56bit已经够用了。就这样,网络数据的加密开始了。

因为采用了DES,A和B现在不用担心数据被C拦截了。因为就算C拦截了,也只能获取加密之后的数据, 没有密钥就没有办法获取原始数据。

但是A和B之间又有了一个新的问题,他们需要一个共享的56bit密钥,并且这个密钥一定要保持私密,否则被C拿到了,就没有加密的意义了。首先AB不能通过网络来传递密钥,因为密钥确定以前,所有的网络通信都是不安全。如果通过网络传递密钥,密钥有可能被拦截。拦截了就没有加密的意义了。为了安全,A和B只能先见一面,私下商量好密钥,这样C就没办法获取密钥。如果因为任何原因,之前的密钥泄露了,那么AB还得再见一面,重新商量一个密钥。

现在A和B之间,最私密的信息就是这个密钥了,只要保证密钥的安全,那么AB之间整个网络通信都是安全的。

中古时代

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A和B小心的保护着密钥,不让C知道。但是道高一尺,魔高一丈。随着技术的发展,计算机速度变得很快,快到可以通过暴力破解的方法来解密经过DES加密的信息。不就是56bit的密钥吗?C找了一个好点的计算机,尝试每一个可能的值,这样总能找到一个密钥破解A和B之间的加密信息。倒不是说DES在提出时没有考虑过这种情况,只是在上古时代,计算机没这么快,破解56bit的密钥需要的时间非常长。但是现在是中古时代,可能只需要几天就可以破解56bit的密钥。

为了应对这个情况,新的协议被提出,例如triple-DES(最长168bit的密钥),AES(最高256bit的密钥)。经过这些改进,至少在可以预见的未来,计算机是没有办法在有限的时间内,暴力破解这个长度的密钥。所以,在中古时代,将对称加密算法的密钥长度变长,来应对中间人攻击。但是A和B还是需要见面商量一个密钥。

现代

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非对称加密

时间到了现代。网络通信变得十分发达,A不只与B通信,还同时还跟其他10000个人进行网络通信。A不可能每个人都跑去跟他们见个面,商量一个密钥。

所以一种新的加密算法被提出,这就是非对称加密算法。非对称加密使用两个密钥,一个是public key,一个是private key。通过一个特殊的数学算法,使得数据的加密和解密使用不同的密钥。因为用的是不同的密钥,所以称为非对称加密。非对称加密最著名的是RSA算法,这是以其发明者Rivest, Shamir 和Adleman命名。非对称加密算法里面的public key和private key在数学上是相关的,这样才能用一个加密,用另一个解密。不过,尽管是相关的,但以现有的数学算法,又没有办法从一个密钥,算出另一个密钥。

非对称加密的好处在于,现在A可以保留private key,通过网络传递public key。这样,就算public key被C拦截了,因为没有private key,C还是没有办法完成信息的破解。既然不怕C知道public key,那现在A和B不用再见面商量密钥,直接通过网络传递public key就行。

具体在使用中,A和B都各有一个public key和一个private key,这些key根据相应的算法已经生成好了。private key只保留在各自的本地,public key传给对方。A要给B发送网络数据,那么A先使用自己的private key(只有A知道)加密数据的hash值(感谢 @灵剑 指正,评论区有说明),之后再用B的public key加密数据。之后,A将加密的hash值和加密的数据再加一些其他的信息,发送给B。B收到了之后,先用自己的private key(只有B知道)解密数据,本地运算一个hash值,之后用A的public key解密hash值,对比两个hash值,以检验数据的完整性。

在这个过程中,总共有4个密钥,分别是A的public/private key,和B的public/private key。

如果B的解密结果符合预期,那么至少可以证明,这个信息只有B能获取,因为B的private key参与了解密,而B的private key其他人都不知道。并且,这个信息是来自A,而不是C伪造的,因为A的public key参与了解密。一切看起来似乎很美好。


非对称加密的安全隐患

但是在一切的最开始,A和B要通过网络交换public key。如果C在中间拦截了呢?假设有这种情况,C拦截了A和B的public key,又分别用自己的public key发给A和B。A和B并不知道,他们还以为这个public key来自对方。当A给B发消息时,A先用自己的private key加密数据的hash值,之后用C传来的假的public key加密数据,再发出去。C拦截到之后,先用C自己的private key解密数据,C就获取了A的原始信息!之后,C可以篡改数据内容,再用自己的private key加密数据的hash值,用之前拦截的B的public key加密数据,再发给B。B收到以后,先用自己的private key解密数据,再用C传来的假public key解密hash值,发现匹配。这样,B收到了一条来自C的假的信息,但是B还以为信息来自于A。中间人攻击仍然可能存在!

完了,一切都崩了,加密搞的这么复杂,居然还不能保证网络数据的安全。回顾一下,问题出就出在最开始通过网络交换public key。看起来为了保证public key不被拦截,A和B似乎还是要见一面,交换一下public key。这一下就回到了上古时代。

不过,虽然A和B现在还是要见一面,但见面的实质已经变了。在上古时代,见面是为了商量一个密钥,密钥的内容很重要,不能让别人知道密钥的内容。而在现代,见面是为了确认public key的真实性,public key的内容是可以公开的。

那如果有其他办法能保证public key的真实性,A和B是可以不用见面交换public key的。


CA

现实中,通过CA(Certificate Authority)来保证public key的真实性。CA也是基于非对称加密算法来工作。有了CA,B会先把自己的public key(和一些其他信息)交给CA。CA用自己的private key加密这些数据,加密完的数据称为B的数字证书。现在B要向A传递public key,B传递的是CA加密之后的数字证书。A收到以后,会通过CA发布的CA证书(包含了CA的public key),来解密B的数字证书,从而获得B的public key。

但是等等,A怎么确保CA证书不被劫持。C完全可以把一个假的CA证书发给A,进而欺骗A。CA的大杀器就是,CA把自己的CA证书集成在了浏览器和操作系统里面。A拿到浏览器或者操作系统的时候,已经有了CA证书,没有必要通过网络获取,那自然也不存在劫持的问题。


现在A和B都有了CA认证的数字证书。在交换public key的阶段,直接交换彼此的数字证书就行。而中间人C,还是可以拦截A和B的public key,也可以用CA证书解密获得A和B的public key。但是,C没有办法伪造public key了。因为C不在CA体系里面,C没有CA的private key,所以C是没有办法伪造出一个可以通过CA认证的数字证书。如果不能通过CA认证,A和B自然也不会相信这个伪造的证书。所以,采用CA认证以后,A和B的public key的真实性得到了保证,A和B可以通过网络交换public key(实际是被CA加密之后的数字证书)。

除非有种情况,A内置的CA证书被篡改了,例如A使用了盗版的系统,“优化”了的非官方浏览器,或者被病毒攻击了,那这个时候,A有可能会认可非CA认证的数字证书,C就有机会发起中间人攻击。所以,用正版至少是安全的。


实际使用

非对称加密算法比对称加密算法要复杂的多,处理起来也要慢得多。如果所有的网络数据都用非对称加密算法来加密,那效率会很低。所以在实际中,非对称加密只会用来传递一条信息,那就是用于对称加密的密钥。当用于对称加密的密钥确定了,A和B还是通过对称加密算法进行网络通信。这样,既保证了网络通信的安全性,又不影响效率,A和B也不用见面商量密钥了。

所以,在现代,A和B之间要进行安全,省心的网络通信,需要经过以下几个步骤

  • 通过CA体系交换public key
  • 通过非对称加密算法,交换用于对称加密的密钥
  • 通过对称加密算法,加密正常的网络通信

这基本就是SSL/TLS的工作过程了。


HTTPS

HTTPS全称是HTTP over SSL,也就是通过SSL/TLS加密HTTP数据,这或许是SSL最广泛的应用。

前面提到了CA作为一个公证机构,能确保数字证书的真实性。但是在实际使用中,CA认证一般是要收费的,普通人不会去做CA认证,进而获得属于自己的数字证书。更多的是,一些大的机构,例如银行,网店,金融机构,它们去获得自己的数字证书。那这种情况如何保证网络通信的安全呢?

这些机构获取到CA授予的数字证书之后,将数字证书加到自己的web服务器上。当用户要去访问它们的网页,例如domain.com,会经过下图所示的步骤。


  • 用户向web服务器发起一个安全连接的请求
  • 服务器返回经过CA认证的数字证书,证书里面包含了服务器的public key
  • 用户拿到数字证书,用自己浏览器内置的CA证书解密得到服务器的public key
  • 用户用服务器的public key加密一个用于接下来的对称加密算法的密钥,传给web服务器
    • 因为只有服务器有private key可以解密,所以不用担心中间人拦截这个加密的密钥
  • 服务器拿到这个加密的密钥,解密获取密钥,再使用对称加密算法,和用户完成接下来的网络通信

现在用户知道自己访问的网站是正规的网站,否则用户浏览器会报错说不能用CA证书解析。服务器通过CA授予的数字证书自证了身份。但,这里的安全隐患在于,服务器怎么知道访问者就是真用户呢?之前介绍的双向认证是可以通过数字证书验明用户的正身,现在用户为了省钱没有数字证书。这种情况下一般是通过用户名密码来确认用户。所以,大家要保管好自己的密码。

编辑于 2018-05-18

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