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SSL协议具体解释

时间:2014-07-06 19:12:02      阅读:175      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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背景介绍   

近期在看《password学与网络安全》相关的书籍,这篇文章主要具体介绍一下著名的网络安全协议SSL。

     在開始SSl介绍之前,先给大家介绍几个password学的概念和相关的知识。

    1、password学的相关概念

password学(cryptography):目的是通过将信息编码使其不可读,从而达到安全性。
明文(plain text):发送人、接受人和不论什么訪问消息的人都能理解的消息。
密文(cipher text):明文消息经过某种编码后,得到密文消息。
加密(encryption):将明文消息变成密文消息。
解密(decryption):将密文消息变成明文消息。
算法:取一个输入文本,产生一个输出文本。
加密算法:发送方进行加密的算法。
解密算法:接收方进行解密的算法。
密钥(key):仅仅有发送方和接收方理解的消息
对称密钥加密(Symmetric Key Cryptography):加密与解密使用同样密钥。
非对称密钥加密(Asymmetric Key Cryptography):加密与解密使用不同密钥。

    2、相关的加密算法介绍

DES算法即数据加密标准,也称为数据加密算法。加密步骤例如以下:

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在SSL中会用到分组DES、三重DES算法等加密算法对数据进行加密。当然能够选用其它非DES加密算法,视情况而定,后面会具体介绍。

3、密钥交换算法

      使用对称加密算法时,密钥交换是个大难题,所以Diffie和Hellman提出了著名的Diffie-Hellman密钥交换算法。

     Diffie-Hellman密钥交换算法原理:

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1)Alice与Bob确定两个大素数n和g,这两个数不用保密

(2)Alice选择还有一个大随机数x,并计算A例如以下:A=gx mod n

(3)Alice将A发给Bob

(4)Bob  选择还有一个大随机数y,并计算B例如以下:B=gy mod n

(5)Bob将B发给Alice

(6)计算秘密密钥K1例如以下:K1=Bx mod n

(7)计算秘密密钥K2例如以下:K2=Ay mod n

  K1=K2,因此Alice和Bob能够用其进行加解密
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RSA加密算法是基于这种数学事实:两个大素数相乘easy,而对得到的乘积求因子则非常难。加密步骤例如以下:

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(1)选择两个大素数P、Q
(2)计算N=P*Q
(3)选择一个公钥(加密密钥)E,使其不是(P-1)与(Q-1)的因子
(4)选择私钥(解密密钥)D,满足例如以下条件:
          (D*E) mod (P-1)(Q-1)=1
(5)加密时,明文PT计算密文CT例如以下:
          CT=PTE mod N
(6)解密时,从密文CT计算明文PT例如以下:
          PT=CTDmodN 这也是SSL中会用一种密钥交换算法。
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3、散列算法: 

主要用于验证数据的完整性,即保证时消息在发送之后和接收之前没有被篡改对于SSL中使用到的散列算法有MD5、SHA-1。

4、数字证书:

 数字证书事实上就是一个小的计算机文件,其作用类似于我们的身份证、护照,用于证明身份,在SSL中,使用数字证书来证明自己的身份,而不是伪造的。

5、简单的总结:

在SSL中会使用密钥交换算法交换密钥;使用密钥对数据进行加密;使用散列算法对数据的完整性进行验证,使用数字证书证明自己的身份。好了,以下開始介绍SSL协议。

SSL介绍:

安全套接字(Secure Socket LayerSSL)协议是Web浏览器与Webserver之间安全交换信息的协议,提供两个主要的安全服务:鉴别与保密。

SSLNetscape1994年开发的,后来成为了世界上最著名的web安全机制,全部基本的浏览器都支持SSL协议

眼下有三个版本号:233.1,最经常使用的是第3版,是1995年公布的。

SSL协议的三个特性

 保密:在握手协议中定义了会话密钥后,全部的消息都被加密。

 鉴别:可选的client认证,和强制的server端认证。

 完整性:传送的消息包含消息完整性检查(使用MAC)。

SSL的位置

SSL介于应用层和TCP层之间。应用层数据不再直接传递给传输层,而是传递给SSL层,SSL层对从应用层收到的数据进行加密,并添加自己的SSL头。

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SSL的工作原理

握手协议(Handshake protocol

记录协议(Record protocol

警报协议(Alert protocol

1、握手协议

握手协议是客户机和server用SSL连接通信时使用的第一个子协议,握手协议包含客户机与server之间的一系列消息。SSL中最复杂的协议就是握手协议。该协议同意server和客户机相互验证,协商加密和MAC算法以及保密密钥,用来保护在SSL记录中发送的数据。握手协议是在应用程序的传输数据之前使用的。

每一个握手协议包括下面3个字段
(1)Type:表示10种消息类型之中的一个
(2)Length:表示消息长度字节数
(3)Content:与消息相关的參数

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握手协议的4个阶段

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1.1建立安全能力

    SSL握手的第一阶段启动逻辑连接,建立这个连接的安全能力。首先客户机向server发出client hello消息并等待server响应,随后server向客户机返回server hello消息,对client hello消息中的信息进行确认。
    Client hello消息包含Version,Random,Session id,Cipher suite,Compression method等信息。

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ClientHello 客户发送CilentHello信息,包括例如以下内容:

(1)client能够支持的SSL最高版本

(2)一个用于生成主秘密的32字节的随机数。(等会介绍主秘密是什么)

(3)一个确定会话的会话ID。

(4)一个client能够支持的password套件列表。

    password套件格式:每一个套件都以“SSL”开头,紧跟着的是密钥交换算法。用“With”这个词把密钥交换算法、加密算法、散列算法分开,比如:SSL_DHE_RSA_WITH_DES_CBC_SHA,表示把DHE_RSA(带有RSA数字签名的临时Diffie-HellMan)定义为密钥交换算法;把DES_CBC定义为加密算法;把SHA定义为散列算法。

(5)一个client能够支持的压缩算法列表。

 ServerHello server用ServerHello信息应答客户,包含下列内容

(1)一个SSL版本。取client支持的最高版本和服务端支持的最高版本中的较低者。

(2)一个用于生成主秘密的32字节的随机数。(client一个、服务端一个)

(3)会话ID

(4)从client的password套件列表中选择的一个password套件

(5)从client的压缩方法的列表中选择的压缩方法

这个阶段之后,client服务端知道了下列内容:

(1)SSL版本号

(2)密钥交换、信息验证和加密算法

(3)压缩方法

(4)有关密钥生成的两个随机数。

1.2 server鉴别与密钥交换

 server启动SSL握手第2阶段,是本阶段全部消息的唯一发送方,客户机是全部消息的唯一接收方。该阶段分为4步:
(a)证书:server将数字证书和到根CA整个链发给client,使client能用server证书中的server公钥认证server。
(b)server密钥交换(可选):这里视密钥交换算法而定
(c)证书请求:服务端可能会要求客户自身进行验证。
(d)server握手完毕:第二阶段的结束,第三阶段開始的信号

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这里重点介绍一下服务端的验证和密钥交换。这个阶段的前面的(a)证书 和(b)server密钥交换是基于密钥交换方法的。而在SSL中密钥交换算法有6种:无效(没有密钥交换)、RSA、匿名Diffie-Hellman、临时Diffie-Hellman、固定Diffie-Hellman、Fortezza。

在阶段1过程client与服务端协商的过程中已经确定使哪种密钥交换算法。

假设协商过程中确定使用RSA交换密钥,那么步骤例如以下图:

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这种方法中,server在它的第一个信息中,发送了RSA加密/解密公钥证书。只是,由于预备主秘密是由client在下一个阶段生成并发送的,所以第二个信息是空的。注意,公钥证书会进行从server到client的验证。当server收到预备主秘密时,它使用私钥进行解密。服务端拥有私钥是一个证据,能够证明server是一个它在第一个信息发送的公钥证书中要求的实体。

其它的几种密钥交换算法这里就不介绍了。能够參考Behrouz A.Forouzan著的《password学与网络安全》。

 1.3 客户机鉴别与密钥交换:

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客户机启动SSL握手第3阶段,是本阶段全部消息的唯一发送方,server是全部消息的唯一接收方。该阶段分为3步:
(a)证书(可选):为了对server证明自身,客户要发送一个证书信息,这是可选的,在IIS中能够配置强制client证书认证。
(b)客户机密钥交换(Pre-master-secret):这里client将预备主密钥发送给服务端,注意这里会使用服务端的公钥进行加密。
(c)证书验证(可选),对预备秘密和随机数进行签名,证明拥有(a)证书的公钥。
以下也重点介绍一下RSA方式的client验证和密钥交换。

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这样的情况,除非server在阶段II明白请求,否则没有证书信息。client密钥交换方法包含阶段II收到的由RSA公钥加密的预备主密钥。
阶段III之后,客户要有server进行验证,客户和server都知道预备主密钥。

1.4 完毕

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客户机启动SSL握手第4阶段,使server结束。该阶段分为4步,前2个消息来自客户机,后2个消息来自server。

1.5密钥生成的过程

这样握手协议完毕,以下看下什么是预备主密钥,主密钥是怎么生成的。为了保证信息的完整性和机密性,SSL须要有六个加密秘密:四个密钥和两个IV。为了信息的可信性,client须要一个密钥(HMAC),为了加密要有一个密钥,为了分组加密要一个IV,服务也是如此。SSL须要的密钥是单向的,不同于那些在其它方向的密钥。假设在一个方向上有攻击,这样的攻击在其它方向是没影响的。生成步骤例如以下:

 

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2、记录协议 

记录协议在客户机和server握手成功后使用,即客户机和server鉴别对方和确定安全信息交换使用的算法后,进入SSL记录协议,记录协议向SSL连接提供两个服务:
(1)保密性:使用握手协议定义的秘密密钥实现
(2)完整性:握手协议定义了MAC,用于保证消息完整性
记录协议的过程:

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 3、警报协议

客户机和server发现错误时,向对方发送一个警报消息。假设是致命错误,则算法马上关闭SSL连接,两方还会先删除相关的会话号,秘密和密钥。每一个警报消息共2个字节,第1个字节表示错误类型,假设是警报,则值为1,假设是致命错误,则值为2;第2个字克制定实际错误类型。
总结
SSL中,使用握手协议协商加密和MAC算法以及保密密钥 ,使用握手协议对交换的数据进行加密和签名,使用警报协议定义传输数据过程中,出现故障怎样去解决。
整个过程比較复杂,假设大家有不理解和我叙述不周的地方,欢迎大家指正出来!

作者:朱祁林
出处:http://zhuqil.cnblogs.com
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