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    互联网的通信安全,建立在SSL/TLS协议之上。
    本文简要介绍SSL/TLS协议的运行机制。文章的重点是设计思想和运行过程,不涉及具体的实现细节。如果想了解这方面的内容,请参阅RFC文档
    一、作用
    不使用SSL/TLS的HTTP通信,就是不加密的通信。所有信息明文传播,带来了三大风险。

    (1) 窃听风险(eavesdropping):第三方可以获知通信内容。 (2) 篡改风险(tampering):第三方可以修改通信内容。 (3) 冒充风险(pretending):第三方可以冒充他人身份参与通信。

    SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的,希望达到:

    (1) 所有信息都是加密传播,第三方无法窃听。 (2) 具有校验机制,一旦被篡改,通信双方会立刻发现。 (3) 配备身份证书,防止身份被冒充。

    互联网是开放环境,通信双方都是未知身份,这为协议的设计带来了很大的难度。而且,协议还必须能够经受所有匪夷所思的攻击,这使得SSL/TLS协议变得异常复杂。
    二、历史
    互联网加密通信协议的历史,几乎与互联网一样长。

    1994年,NetScape公司设计了SSL协议(Secure Sockets Layer)的1.0版,但是未发布。 1995年,NetScape公司发布SSL 2.0版,很快发现有严重漏洞。 1996年,SSL 3.0版问世,得到大规模应用。 1999年,互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司,发布了SSL的升级版TLS 1.0版。 2006年和2008年,TLS进行了两次升级,分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版

    目前,应用最广泛的是TLS 1.0,接下来是SSL 3.0。但是,主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的支持。
    TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1,TLS 1.1为SSL 3.2,TLS 1.2为SSL 3.3。
    从协议内部的功能层面上来看,SSL/TLS 协议可分为两层:
    \1. SSL/TLS 记录协议(SSL/TLS Record Protocol),它建立在可靠的传输层协议(如 TCP)之上,为上层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能。
    \2. SSL/TLS 握手协议(SSL/TLS Handshake Protocol),它建立在 SSL/TLS 记录协议之上,用于在实际的数据传输开始前,通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等初始化协商功能。
    从协议使用方式来看,又可以分成两种类型:
    \1. SSL/TLS 单向认证,就是用户到服务器之间只存在单方面的认证,即客户端会认证服务器端身份,而服务器端不会去对客户端身份进行验证。首先,客户端发起握手请求,服务器收到握手请求后,会选择适合双方的协议版本和加密方式。然后,再将协商的结果和服务器端的公钥一起发送给客户端。客户端利用服务器端的公钥,对要发送的数据进行加密,并发送给服务器端。服务器端收到后,会用本地私钥对收到的客户端加密数据进行解密。然后,通讯双方都会使用这些数据来产生双方之间通讯的加密密钥。接下来,双方就可以开始安全通讯过程了。
    2.SSL/TLS 双向认证,就是双方都会互相认证,也就是两者之间将会交换证书。基本的过程和单向认证完全一样,只是在协商阶段多了几个步骤。在服务器端将协商的结果和服务器端的公钥一起发送给客户端后,会请求客户端的证书,客户端则会将证书发送给服务器端。然后,在客户端给服务器端发送加密数据后,客户端会将私钥生成的数字签名发送给服务器端。而服务器端则会用客户端证书中的公钥来验证数字签名的合法性。建立握手之后过程则和单向通讯完全保持一致。
    三、基本的运行过程
    SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法,也就是说,客户端先向服务器端索要公钥,然后用公钥加密信息,服务器收到密文后,用自己的私钥解密。
    但是,这里有两个问题。
    (1)如何保证公钥不被篡改?

    解决方法:将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的,公钥就是可信的。

    (2)公钥加密计算量太大,如何减少耗用的时间?

    解决方法:每一次对话(session),客户端和服务器端都生成一个”对话密钥”(session key),用它来加密信息。由于”对话密钥”是对称加密,所以运算速度非常快,而服务器公钥只用于加密”对话密钥”本身,这样就减少了加密运算的消耗时间。

    因此,SSL/TLS协议的基本过程是这样的:

    (1) 客户端向服务器端索要并验证公钥。 (2) 双方协商生成”对话密钥”。 (3) 双方采用”对话密钥”进行加密通信。

    上面过程的前两步,又称为”握手阶段”(handshake)。
    四、握手阶段的详细过程
    SSL/TLS协议运行机制 - 图1
    “握手阶段”涉及四次通信,我们一个个来看。需要注意的是,”握手阶段”的所有通信都是明文的。
    4.1 客户端发出请求(ClientHello)
    首先,客户端(通常是浏览器)先向服务器发出加密通信的请求,这被叫做ClientHello请求。
    在这一步,客户端主要向服务器提供以下信息。

    (1) 支持的协议版本,比如TLS 1.0版。 (2) 一个客户端生成的随机数,稍后用于生成”对话密钥”。 (3) 支持的加密方法,比如RSA公钥加密。 (4) 支持的压缩方法。

    这里需要注意的是,客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说,理论上服务器只能包含一个网站,否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。
    对于虚拟主机的用户来说,这当然很不方便。2006年,TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展,允许客户端向服务器提供它所请求的域名。
    4.2 服务器回应(SeverHello)
    服务器收到客户端请求后,向客户端发出回应,这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。

    (1) 确认使用的加密通信协议版本,比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致,服务器关闭加密通信。 (2) 一个服务器生成的随机数,稍后用于生成”对话密钥”。 (3) 确认使用的加密方法,比如RSA公钥加密。 (4) 服务器证书。

    除了上面这些信息,如果服务器需要确认客户端的身份,就会再包含一项请求,要求客户端提供”客户端证书”。比如,金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络,就会向正式客户提供USB密钥,里面就包含了一张客户端证书。
    4.3 客户端回应
    客户端收到服务器回应以后,首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期,就会向访问者显示一个警告,由其选择是否还要继续通信。
    如果证书没有问题,客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后,向服务器发送下面三项信息。

    (1) 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密,防止被窃听。 (2) 编码改变通知,表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。 (3) 客户端握手结束通知,表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值,用来供服务器校验。

    上面第一项的随机数,是整个握手阶段出现的第三个随机数,又称”pre-master key”。有了它以后,客户端和服务器就同时有了三个随机数,接着双方就用事先商定的加密方法,各自生成本次会话所用的同一把”会话密钥”。
    至于为什么一定要用三个随机数,来生成”会话密钥”,dog250解释得很好:

    “不管是客户端还是服务器,都需要随机数,这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的,因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。 对于RSA密钥交换算法来说,pre-master-key本身就是一个随机数,再加上hello消息中的随机,三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。 pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数,如果随机数不随机,那么pre master secret就有可能被猜出来,那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了,因此必须引入新的随机因素,那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了,一个伪随机可能完全不随机,可是是三个伪随机就十分接近随机了,每增加一个自由度,随机性增加的可不是一。”

    此外,如果前一步,服务器要求客户端证书,客户端会在这一步发送证书及相关信息。
    4.4 服务器的最后回应
    服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后,计算生成本次会话所用的”会话密钥”。然后,向客户端最后发送下面信息。

    (1)编码改变通知,表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。 (2)服务器握手结束通知,表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值,用来供客户端校验。

    至此,整个握手阶段全部结束。接下来,客户端与服务器进入加密通信,就完全是使用普通的HTTP协议,只不过用”会话密钥”加密内容。