阅读 869

据说这是程序员被黑得最惨的一次 - SSL/TLS协议原理解析

本文系作者学习后巩固知识点,错误之处烦请点出,本文从叙述一个小故事的视角来介绍 SSL/TLS 的原理,希望对读者有所启发。

背景

程序员小明想给隔壁小红写信表白,但是又不想让信件内容被其他人看见,希望只有小红才能看见信件内容,迫不及待的小明的大脑飞快运转起来。

小明
小明

预备基础知识

  • 对称密钥加密(Symmetric Key Cryptography):加密与解密使用相同密钥。对称加密算法的特点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。缺点是交易双方都使用同样钥匙,安全性得不到保证。

  • 非对称密钥加密(Asymmetric Key Cryptography):加密与解密使用不同密钥。非对称加密使用一对秘钥,一个用来加密,一个用来解密,而且公钥是公开的,秘钥是自己保存的,其安全性更好。缺点是加密和解密花费时间长、速度慢,只适合对少量数据进行加密。

  • 哈希算法(Hash Algorithm):又称散列算法,杂凑算法,是一种从任意文件中创造小的数字「指纹」的方法。与指纹一样,散列算法就是一种以较短的信息来保证文件唯一性的标志,这种标志与文件的每一个字节都相关,而且难以找到逆向规律。因此,当原有文件发生改变时,其标志值也会发生改变,从而告诉文件使用者当前的文件已经不是你所需求的文件。

信件加密(对称加密)

小明想到对信件内容进行加密,而加密算法一般分为 对称加密非对称加密 两种。非对称加密对加密性能较差,对加密内容有长度限制,所以加密信件内容我们只能选择对称加密方式。使用对称加密算法和一个 会话秘钥 对信件内容加密,当小明把加密好的信件送给小红,小红收到密信后需要使用同一个会话秘钥进行解密,小明该如何才能安全地把会话秘钥送到小红手上呢?

信件加密
信件加密

会话秘钥加密(非对称加密)

直接将会话秘钥和信件打包一起发出去,如果遇上了和小明一样懂得加密算法的程序员,那信件内容相当于不设防,所以我们也要想办法对秘钥进行加密,因为秘钥的长度一般都不会太长,所以我们可以使用非对称加密算法加密秘钥

非对称加密秘钥有两份,可以任选一把作为 私钥 ,供自己使用,另外一把作为 公钥 ,分发出去供收信方使用。小明用自己的私钥对会话秘钥进行加密,这样会话密钥就可以确保安全了。但是小明仍然无法保证公钥能安全送到小红手中,如果公钥被坏人得到了,甚至可以假冒成小红与小明互相通信,细思恐极之下,小明陷入了深思中。

一对秘钥
一对秘钥

权威机构

N多年过去了,小明通过不懈努力,终于找到了安全传输公钥的办法。小明建立了一个权威机构,该权威机构专门颁布一种数字证书,由于该权威机构驰名海内网并且公认信用可靠,它颁布数字证书基本可以确定证书内容可靠,在其之下还有很多各级证书颁布机构,受大众信任程度各不相同。我们的电脑在安装操作系统时,系统顺带安装了一些受信任的证书颁布机构的证书,证书包含有这些机构秘钥对应的公钥。

权威机构
权威机构

数字证书

小明只要去证书颁布机构申请一个数字证书,数字证书中包含了不少于以下几项内容:

  • 证书的发布机构
  • 证书的有效期
  • 公钥
  • 证书的所有者
  • 签名所使用的算法
  • 指纹以及指纹算法

数字证书
数字证书

然后将数字证书发给小红,小红得到数字证书后,通过证书发布机构的公钥(默认安装在系统中)可以对证书内容解密,如果成功解密,说明该证书来源真实可靠,以该证书颁布机构的名誉保证。数字证书中的 证书所有者 保证了公钥来自于小明,而不是来自于隔壁老王的儿子小王。来源可靠,但是不能保证证书内容没有被别人篡改,这个时候就涉及到了指纹和数字签名。

指纹

1. 指纹加密

证书颁布机构在给小明发证书时,把证书的发布机构证书的有效期公钥证书的所有者等信息以明文的形式写到证书里面,然后用一个指纹算法计算出这些数字证书内容的一个指纹,并把指纹和指纹算法用自己的私钥进行加密得到数字签名,然后这些内容一起打包发给小明,还会将一个专属于小明私钥给到小明,这个私钥和证书中的公钥为一对。

指纹
指纹

2. 指纹验证

而这个证书由小明又转送至小红手中,首先小红读取证书中的证书颁发机构为SecureTrust CA ,然后会在操作系统中受信任的发布机构的证书中去找SecureTrust CA的证书,如果找不到,那说明证书的发布机构是个水货发布机构,小明的证书和内容可能有问题。 如果在系统中找到了SecureTrust CA的证书,那么从证书中取出SecureTrust CA的公钥,然后对小明的证书里面的数字签名用这个公钥进行解密,得到指纹和指纹算法,然后使用这个指纹算法计算小明的证书的指纹,将这个计算出来指纹与放在证书中的指纹对比,如果一致,说明小明的证书肯定没有被修改过并且证书是SecureTrust CA发布的。

指纹验证
指纹验证

握手流程

最终小红可以安全地拿到小明的公钥,每次写信的时候随机生成一个会话秘钥,再使用公钥对会话秘钥加密后发给小明,小明用自己的私钥解密得到会话秘钥,然后对会话秘钥hash后,将hash值加密发回给小红,小红使用公钥解密得到hash值,然后自己也对会话秘钥进行hash计算,对比自己算出的hash值和对方发过来的hash值,如果一直就可以确认对方是持有私钥的小明了。然后双方就可以使用这个会话秘钥进行通信了。

握手过程
握手过程

虽然现在信件如果被第三方持有了也无法得知信件内容,但是遇上无聊的人他仍然可以对信件内容进行破坏。在每次发送信息时,先对信息的内容进行一个hash计算得出一个指纹,将信息的内容和这个指纹一起加密后发送。接收方在收到后进行解密得到明文的内容和指纹,然后接收方再自己对收到信息内容做一次hash计算,与收到的指纹进行对比看是否匹配,如果匹配就说明信息在传输过程中没有被修改过。如果不匹配说明中途有人故意对加密数据进行了修改,立刻中断通话过程后做其它处理。

小红发送信息
小红发送信息

服务端.png
服务端.png

结语

到这里,小明终于可以给小红写信了,然而小红已经和隔壁老王的儿子小王在一起了。小明气急,磨刀霍霍向小王...

欲知后事如何,赶紧点赞。有错误之处烦请指出

参考