ssl协议工作原理

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发布时间：2019-06-19

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SSL（Secure Socket Layer，安全套接字）是web服务器与web浏览器之间安全交换信息的协议，介于应用层和TCP层之间，应用层数据先传递给SSL层，SSL层对数据进行加密并增加自己的SSL头，然后再将数据传递给传输层。ssl协议工作在TCP 443端口

1 协议安全机制

SSL协议实现的安全机制包括：

l 数据传输的机密性：利用对称密钥算法对传输的数据进行加密。

l 身份验证机制：基于证书利用数字签名方法对服务器和客户端进行身份验证，其中客户端的身份验证是可选的。

l 消息完整性验证：消息传输过程中使用MAC算法来检验消息的完整性。

1.1 数据传输的机密性

网络上传输的数据很容易被非法用户窃取，SSL采用在通信双方之间建立加密通道的方法保证数据传输的机密性。

所谓加密通道，是指发送方在发送数据前，使用加密算法和加密密钥对数据进行加密，然后将数据发送给对方；接收方接收到数据后，利用解密算法和解密密钥从密文中获取明文。没有解密密钥的第三方，无法将密文恢复为明文，从而保证数据传输的机密性。

加解密算法分为两类：

l 对称密钥算法：数据加密和解密时使用相同的密钥。

l 非对称密钥算法：数据加密和解密时使用不同的密钥，一个是公开的公钥，一个是由用户秘密保存的私钥。利用公钥（或私钥）加密的数据只能用相应的私钥（或公钥）才能解密。

与非对称密钥算法相比，对称密钥算法具有计算速度快的优点，通常用于对大量信息进行加密（如对所有报文加密）；而非对称密钥算法，一般用于数字签名和对较少的信息进行加密。

SSL加密通道上的数据加解密使用对称密钥算法，目前主要支持的算法有DES、3DES、AES等，这些算法都可以有效地防止交互数据被窃听。

对称密钥算法要求解密密钥和加密密钥完全一致。因此，利用对称密钥算法加密传输数据之前，需要在通信两端部署相同的密钥。对称密钥的部署方法请参见“1.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全”。

1.2 身份验证机制

电子商务和网上银行等应用中必须保证要登录的Web服务器是真实的，以免重要信息被非法窃取。SSL利用数字签名来验证通信对端的身份。

非对称密钥算法可以用来实现数字签名。由于通过私钥加密后的数据只能利用对应的公钥进行解密，因此根据解密是否成功，就可以判断发送者的身份，如同发送者对数据进行了“签名”。例如，Alice使用自己的私钥对一段固定的信息加密后发给Bob，Bob利用Alice的公钥解密，如果解密结果与固定信息相同，那么就能够确认信息的发送者为Alice，这个过程就称为数字签名。

SSL客户端必须验证SSL服务器的身份，SSL服务器是否验证SSL客户端的身份，则由SSL服务器决定。SSL客户端和SSL服务器的身份验证过程，请参见“3.2 SSL握手过程”。

使用数字签名验证身份时，需要确保被验证者的公钥是真实的，否则，非法用户可能会冒充被验证者与验证者通信。如图1所示，Cindy冒充Bob，将自己的公钥发给Alice，并利用自己的私钥计算出签名发送给Alice，Alice利用“Bob”的公钥（实际上为Cindy的公钥）成功验证该签名，则Alice认为Bob的身份验证成功，而实际上与Alice通信的是冒充Bob的Cindy。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性，详细介绍请参见“2.5 利用PKI保证公钥的真实性”。

图1 伪造公钥

1.3 消息完整性验证

为了避免网络中传输的数据被非法篡改，SSL利用基于MD5或SHA的MAC算法来保证消息的完整性。

MAC算法是在密钥参与下的数据摘要算法，能将密钥和任意长度的数据转换为固定长度的数据。利用MAC算法验证消息完整性的过程如图2所示。发送者在密钥的参与下，利用MAC算法计算出消息的MAC值，并将其加在消息之后发送给接收者。接收者利用同样的密钥和MAC算法计算出消息的MAC值，并与接收到的MAC值比较。如果二者相同，则报文没有改变；否则，报文在传输过程中被修改，接收者将丢弃该报文。

图2 MAC算法示意图

MAC算法具有如下特征，使其能够用来验证消息的完整性：

l 消息的任何改变，都会引起输出的固定长度数据产生变化。通过比较MAC值，可以保证接收者能够发现消息的改变。

l MAC算法需要密钥的参与，因此没有密钥的非法用户在改变消息的内容后，无法添加正确的MAC值，从而保证非法用户无法随意修改消息内容。

MAC算法要求通信双方具有相同的密钥，否则MAC值验证将会失败。因此，利用MAC算法验证消息完整性之前，需要在通信两端部署相同的密钥。MAC密钥的部署方法请参见“2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全”。

1.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全

对称密钥算法和MAC算法要求通信双方具有相同的密钥，否则解密或MAC值验证将失败。因此，要建立加密通道或验证消息完整性，必须先在通信双方部署一致的密钥。

SSL利用非对称密钥算法加密密钥的方法实现密钥交换，保证第三方无法获取该密钥。如图3所示，SSL客户端（如Web浏览器）利用SSL服务器（如Web服务器）的公钥加密密钥，将加密后的密钥发送给SSL服务器，只有拥有对应私钥的SSL服务器才能从密文中获取原始的密钥。SSL通常采用RSA算法加密传输密钥。

图3 密钥交换示意图

l 实际上，SSL客户端发送给SSL服务器的密钥不能直接用来加密数据或计算MAC值，该密钥是用来计算对称密钥和MAC密钥的信息，称为premaster secret。SSL客户端和SSL服务器利用premaster secret计算出相同的主密钥（master secret），再利用master secret生成用于对称密钥算法、MAC算法等的密钥。premaster secret是计算对称密钥、MAC算法密钥的关键。

l 用来实现密钥交换的算法称为密钥交换算法。非对称密钥算法RSA用于密钥交换时，也可以称之为密钥交换算法。

利用非对称密钥算法加密密钥之前，发送者需要获取接收者的公钥，并保证该公钥确实属于接收者，否则，密钥可能会被非法用户窃取。如图1所示，Cindy冒充Bob，将自己的公钥发给Alice，Alice利用Cindy的公钥加密发送给Bob的数据，Bob由于没有对应的私钥无法解密该数据，而Cindy截取数据后，可以利用自己的私钥解密该数据。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性，详细介绍请参见“2.5 利用PKI保证公钥的真实性”。

1.5 利用PKI保证公钥的真实性

PKI通过数字证书来发布用户的公钥，并提供了验证公钥真实性的机制。数字证书（简称证书）是一个包含用户的公钥及其身份信息的文件，证明了用户与公钥的关联。数字证书由权威机构——CA签发，并由CA保证数字证书的真实性。

SSL客户端把密钥加密传递给SSL服务器之前，SSL服务器需要将从CA获取的证书发送给SSL客户端，SSL客户端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器，则利用该证书中的公钥加密密钥，发送给SSL服务器。

验证SSL服务器/SSL客户端的身份之前，SSL服务器/SSL客户端需要将从CA获取的证书发送给对端，对端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器/SSL客户端，则对端利用该证书中的公钥验证SSL服务器/SSL客户端的身份。

2 协议工作过程

2.1 SSL的分层结构

图4 SSL协议分层

如图4所示，SSL位于应用层和传输层之间，它可以为任何基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。SSL协议本身分为两层：

l 上层为SSL握手协议（SSL handshake protocol）、SSL密码变化协议（SSL change cipher spec protocol）和SSL警告协议（SSL alert protocol）；

l 底层为SSL记录协议（SSL record protocol）。

其中：

l SSL握手协议：是SSL协议非常重要的组成部分，用来协商通信过程中使用的加密套件（加密算法、密钥交换算法和MAC算法等）、在服务器和客户端之间安全地交换密钥、实现服务器和客户端的身份验证。

l SSL密码变化协议：客户端和服务器端通过密码变化协议通知对端，随后的报文都将使用新协商的加密套件和密钥进行保护和传输。

l SSL警告协议：用来向通信对端报告告警信息，消息中包含告警的严重级别和描述。

l SSL记录协议：主要负责对上层的数据（SSL握手协议、SSL密码变化协议、SSL警告协议和应用层协议报文）进行分块、计算并添加MAC值、加密，并把处理后的记录块传输给对端。

2.2 SSL握手过程

SSL通过握手过程在客户端和服务器之间协商会话参数，并建立会话。会话包含的主要参数有会话ID、对方的证书、加密套件（密钥交换算法、数据加密算法和MAC算法等）以及主密钥（master secret）。通过SSL会话传输的数据，都将采用该会话的主密钥和加密套件进行加密、计算MAC等处理。

不同情况下，SSL握手过程存在差异。下面将分别描述以下三种情况下的握手过程：

l 只验证服务器的SSL握手过程

l 验证服务器和客户端的SSL握手过程

l 恢复原有会话的SSL握手过程

2.2.1 只验证服务器的SSL握手过程

图5 只验证服务器的SSL握手过程

如图5所示，只需要验证SSL服务器身份，不需要验证SSL客户端身份时，SSL的握手过程为：

(1) SSL客户端通过Client Hello消息将它支持的SSL版本、加密算法、密钥交换算法、MAC算法等信息发送给SSL服务器。

(2) SSL服务器确定本次通信采用的SSL版本和加密套件，并通过Server Hello消息通知给SSL客户端。如果SSL服务器允许SSL客户端在以后的通信中重用本次会话，则SSL服务器会为本次会话分配会话ID，并通过Server Hello消息发送给SSL客户端。

(3) SSL服务器将携带自己公钥信息的数字证书通过Certificate消息发送给SSL客户端。

(4) SSL服务器发送Server Hello Done消息，通知SSL客户端版本和加密套件协商结束，开始进行密钥交换。

(5) SSL客户端验证SSL服务器的证书合法后，利用证书中的公钥加密SSL客户端随机生成的premaster secret，并通过Client Key Exchange消息发送给SSL服务器。

(6) SSL客户端发送Change Cipher Spec消息，通知SSL服务器后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。

(7) SSL客户端计算已交互的握手消息（除Change Cipher Spec消息外所有已交互的消息）的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSL服务器。SSL服务器利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。

(8) 同样地，SSL服务器发送Change Cipher Spec消息，通知SSL客户端后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。

(9) SSL服务器计算已交互的握手消息的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSL客户端。SSL客户端利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。

SSL客户端接收到SSL服务器发送的Finished消息后，如果解密成功，则可以判断SSL服务器是数字证书的拥有者，即SSL服务器身份验证成功，因为只有拥有私钥的SSL服务器才能从Client Key Exchange消息中解密得到premaster secret，从而间接地实现了SSL客户端对SSL服务器的身份验证。

& 说明：

l Change Cipher Spec消息属于SSL密码变化协议，其他握手过程交互的消息均属于SSL握手协议，统称为SSL握手消息。

l 计算Hash值，指的是利用Hash算法（MD5或SHA）将任意长度的数据转换为固定长度的数据。