SSL

SSL协议结构

如图6-1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协议分为两层：底层是SSL记录协议（SSL record protocol）；上层是SSL握手协议（SSL handshake protocol）、SSL修改密码协议（SSL change cipher spec protocol）和SSL告警协议（SSL alert protocol）。

图6-1 SSL协议栈

• SSL记录协议：主要负责对上层的数据进行分块、计算并添加MAC、加密，最后把记录块传输给对方。
• 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（对称加密算法、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。客户端和服务器通过握手协议建立一个会话，会话包含一组参数，主要有会话ID、对方的证书、加密套件（包括密钥交换算法、数据加密算法和MAC算法）及主密钥。
• 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接收方，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。
• SSL警告协议：用来允许一方向另一方报告告警信息。消息中包含告警的严重级别和描述。

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。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：

• 只验证服务器的SSL握手过程

  图6-2 只验证服务器的SSL握手过程示意图
  
  如图6-2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的握手过程如下：

  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客户端随机生成的密钥，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消息中解密得到密钥，从而间接地实现了SSL客户端对SSL服务器的身份验证。

  • 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。
  • 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。

• 验证服务器和客户端的SSL握手过程

  图6-3 验证服务器和客户端的SSL握手过程示意图
  
  SSL客户端的身份验证是可选的，由SSL服务器决定是否验证SSL客户端的身份。如图6-3中蓝色部分标识的内容所示，如果SSL服务器验证SSL客户端身份，则SSL服务器和SSL客户端除了只验证服务器的SSL握手过程中的消息协商密钥和加密套件外，还需要进行以下操作：

  1. SSL服务器发送CertificateRequest消息，请求SSL客户端将其证书发送给SSL服务器。
  2. SSL客户端通过Certificate消息将携带自己公钥的证书发送给SSL服务器。SSL服务器验证该证书的合法性。
  3. SSL客户端计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值，利用自己的私钥对其进行加密，并通过Certificate Verify消息发送给SSL服务器。
  4. SSL服务器计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值，利用SSL客户端证书中的公钥解密Certificate Verify消息，并将解密结果与计算出的Hash值比较。如果二者相同，则SSL客户端身份验证成功。

• 恢复原有会话的SSL握手过程

  图6-4 恢复原有会话的SSL握手过程示意图
  
  协商会话参数、建立会话的过程中，需要使用非对称密钥算法来加密密钥、验证通信对端的身份，计算量较大，占用了大量的系统资源。为了简化SSL握手过程，SSL允许重用已经协商过的会话，如图6-4所示，具体过程如下：

  1. SSL客户端发送Client Hello消息，消息中的会话ID设置为计划重用的会话的ID。
  2. SSL服务器如果允许重用该会话，则通过在Server Hello消息中设置相同的会话ID来应答。这样，SSL客户端和SSL服务器就可以利用原有会话的密钥和加密套件，不必重新协商。
  3. SSL客户端发送Change Cipher Spec消息，通知SSL服务器后续报文将采用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
  4. SSL客户端计算已交互的握手消息的Hash值，利用原有会话的密钥和加密套件处理Hash值，并通过Finished消息发送给SSL服务器，以便SSL服务器判断密钥和加密套件是否正确。
  5. 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原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
  6. SSL服务器计算已交互的握手消息的Hash值，利用原有会话的密钥和加密套件处理Hash值，并通过Finished消息发送给SSL客户端，以便SSL客户端判断密钥和加密套件是否正确。

连接的私密性

SSL利用对称加密算法对传输数据进行加密，并利用密钥交换算法—RSA（Rivest Shamir and Adleman，非对称密钥算法的一种）加密传输对称密钥算法中使用的密钥。

为了保证更好的安全性，建议不要使用小于2048位的RSA密钥对。

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。SSL服务器和客户端通过PKI（Public Key Infrastructure，公钥基础设施）提供的机制从CA（Certificate Authority，认证机构）获取证书。

内容的可靠性

消息传输过程中使用基于密钥的MAC（Message Authentication Code，消息验证码）来检验消息的完整性。

MAC算法是将密钥和任意长度的数据转换为固定长度数据的一种算法。

• 发送端在密钥参与下，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端。
• 接收端利用同样的密钥和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，接收端将丢弃该报文。