SSL协议的工作原理(图解安全套接字)(6页).doc

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1、-SSL协议的工作原理(图解安全套接字)-第 6 页SSL协议的工作原理图解安全套接字SSL协议的工作原理1、密码学的相关概念 密码学（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、接受人和任何访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）：只有发送方和

2、接收方理解的消息对称密钥加密（Symmetric Key Cryptography）：加密与解密使用相同密钥。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。加密过程如下： 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。当然可以选用其他非DES加密算法，视情况而定，后面会详细介绍。 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-Hellma

3、n密钥交换算法原理： （1）Alice与Bob确定两个大素数n和g，这两个数不用保密（2）Alice选择另一个大随机数x，并计算A如下：A=gx mod n（3）Alice将A发给Bob（4）Bob选择另一个大随机数y，并计算B如下：B=gy mod n（5）Bob将B发给Alice（6）计算秘密密钥K1如下：K1=Bx mod n（7）计算秘密密钥K2如下：K2=Ay mod nK1=K2，因此Alice和Bob可以用其进行加解密 RSA加密算法是基于这样的数学事实：两个大素数相乘容易，而对得到的乘积求因子则很难。加密过程如下： (1)选择两个大素数P、Q(2)计算N=P*Q(3)选择一个公

4、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，满足如下条件： (D*E) mod (P-1)(Q-1)=1(5)加密时，明文PT计算密文CT如下： CT=PTE mod N(6)解密时，从密文CT计算明文PT如下： PT=CTDmodN 这也是SSL中会用一种密钥交换算法。 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： 数字证书其实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

5、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，下面开始介绍SSL协议。 SSL介绍： 安全套接字（Secure Socket Layer，SSL）协议是Web浏览器与Web服务器之间安全交换信息的协议，提供两个基本的安全服务：鉴别与保密。 SSL是Netscape于1994年开发的，后来成为了世界上最著名的web安全机制，所有主要的浏览器都支持SSL协议。 目前有三个版本：2、3、3.1，最常用的是第3版，是1995年发布的。 SSL协议的三个特性 保密：在握手协议中定义了会话密钥后，

6、所有的消息都被加密。 鉴别：可选的客户端认证，和强制的服务器端认证。 完整性：传送的消息包括消息完整性检查（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，并增加自己的SSL头。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服务器用SSL连接通信时使用的第一个子协议，握手协议包括客户机与服务器之间的一系列消息。SSL中最复杂的协议就是握手协议。该协议允许

7、服务器和客户机相互验证，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数据传输之前使用的。 每个握手协议包含以下3个字段 （1）Type：表示10种消息类型之一 （2）Length：表示消息长度字节数 （3）Content：与消息相关的参数 握手协议的4个阶段详细出处参考： 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。首先客户机向服务器发出client hello消息并等待服务器响应，随后服务器向客户机返回server hello消息，对client hello消息中的信息进行确认。 Client hello消息包

8、括Version，Random，Session id，Cipher suite，Compression method等信息。 ClientHello 客户发送CilentHello信息，包含如下内容： （1）客户端可以支持的SSL最高版本号 （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）一个客户端可以支持的密码套件列表。 密码套件格式：每个套件都以“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，例如：SSL_DHE_RSA_WITH_DES_CBC_SHA， 表示把DHE_RSA（

9、带有RSA数字签名的暂时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）一个客户端可以支持的压缩算法列表。 ServerHello服务器用ServerHello信息应答客户，包括下列内容 （1）一个SSL版本号。取客户端支持的最高版本号和服务端支持的最高版本号中的较低者。 （2）一个用于生成主秘密的32字节的随机数。（客户端一个、服务端一个） （3）会话ID （4）从客户端的密码套件列表中选择的一个密码套件 （5）从客户端的压缩方法的列表中选择的压缩方法 这个阶段之后，客户端服务端知道了下列内容： （1）SSL版本 （2）密钥交

10、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 服务器鉴别与密钥交换 服务器启动SSL握手第2阶段，是本阶段所有消息的唯一发送方，客户机是所有消息的唯一接收方。该阶段分为4步： （a）证书：服务器将数字证书和到根CA整个链发给客户端，使客户端能用服务器证书中的服务器公钥认证服务器。 （b）服务器密钥交换（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）服务器握手完成：第二阶段的结束，第三阶段开始的信号 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）服务器密钥交换是基于密钥交换方法的。而在S

11、SL中密钥交换算法有6种：无效（没有密钥交换）、RSA、匿名Diffie-Hellman、暂时Diffie-Hellman、固定Diffie-Hellman、Fortezza. 在阶段1过程客户端与服务端协商的过程中已经确定使哪种密钥交换算法。 如果协商过程中确定使用RSA交换密钥，那么过程如下图： 这个方法中，服务器在它的第一个信息中，发送了RSA加密/解密公钥证书。不过，因为预备主秘密是由客户端在下一个阶段生成并发送的，所以第二个信息是空的。注意，公钥证书会进行从服务器到客户端的验证。当服务器收到预备主秘密时，它使用私钥进行解密。服务端拥有私钥是一个证据，可以证明服务器是一个它在第一个信息

12、发送的公钥证书中要求的实体。 其他的几种密钥交换算法这里就不介绍了。可以参考Behrouz A.Forouzan著的密码学与网络安全。 1.3 客户机鉴别与密钥交换： 客户机启动SSL握手第3阶段，是本阶段所有消息的唯一发送方，服务器是所有消息的唯一接收方。该阶段分为3步： （a）证书（可选）：为了对服务器证明自身，客户要发送一个证书信息，这是可选的，在IIS中可以配置强制客户端证书认证。 （b）客户机密钥交换（Pre-master-secret）：这里客户端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

13、公钥。 下面也重点介绍一下RSA方式的客户端验证和密钥交换。 这种情况，除非服务器在阶段II明确请求，否则没有证书信息。客户端密钥交换方法包括阶段II收到的由RSA公钥加密的预备主密钥。 阶段III之后，客户要有服务器进行验证，客户和服务器都知道预备主密钥。 1.4 完成 客户机启动SSL握手第4阶段，使服务器结束。该阶段分为4步，前2个消息来自客户机，后2个消息来自服务器。1.5 密钥生成的过程 这样握手协议完成，下面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需要有六个加密秘密：四个密钥和两个IV.为了信息的可信性，客户端需要一个密钥（HMAC），为了加密

14、要有一个密钥，为了分组加密要一个IV，服务也是如此。SSL需要的密钥是单向的，不同于那些在其他方向的密钥。如果在一个方向上有攻击，这种攻击在其他方向是没影响的。生成过程如下： 2、记录协议 记录协议在客户机和服务器握手成功后使用，即客户机和服务器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： 3、警报协议 客户机和服务器发现错误时，向对方发送一个警报消息。如果是致命错误，则算法立即关闭SSL连接，双方还会先删除相关的会话号，秘密和密钥。每个警报消息共2个字节，第1个字节表示错误类型，如果是警报，则值为1，如果是致命错误，则值为2；第2个字节制定实际错误类型。