【计算机网络】SSL交互和握手过程

SSL消息按如下顺序发送： 

　　1.Client Hello 

　　客户发送服务器信息，包括它所支持的密码组。密码组中有密码算法和钥匙大小；

　　2.Server Hello 

　　服务器选择客户和服务器都支持的密码组到客户。

　　3.Server Certificate 

　　服务器发送一个证书或一个证书链到客户端，一个证书链开始于服务器公共钥匙证书并结束于证明权威的根证书。这个消息是可选的，但服务器证书需要时，必须使用它。

　　4.Server Certificate request 

　　当服务器需要鉴别客户时，它发送一个证书请求到客户端。在网络程序中，这个消息很少发送。

　　5.Server key exchange 

　　服务器当发送来的公共钥匙对钥匙交换不是很充分时，发送一个服务器钥匙交换消息。

　　6.Server hello done 

　　服务器告诉客户完成它的初始化流通消息。

　　7.Client server certificate verify 

　　客户端验证服务器发送的证书或证书链。

　　8.Client Certificate 

　　假如服务器需要一个客户证书时，客户端发送一个证书链。(只有在服务器需要客户证书时)

　　9.Client key exchange 

　　客户产生一个对称密钥，并用服务器证书的公钥加密这个钥匙信息并把它送到服务器。

　　10.Certificate verify 

　　在网络程序中，这个消息很少发送，它主要是用来允许服务器结束对客户的鉴别处理。首先，服务器检验客户端发送的证书的合法性。然后，客户发送用自己的私钥进行数字签名的信息到服务端，当服务端用客户端证书中的公钥解密这个消息时，服务器能够鉴别客户。

　　11.Client Change cipher spec 

　　客户发送一个消息告诉服务器改变加密模式。

　　12.Client Finished 

　　客户告诉服务器它已准备安全数据通信。

　　13.Server Change cipher spec

　　服务器发送一个消息到客户端并告诉客户修改加密模式。

　　14.Server Finished 

　　服务器告诉客户端它已准备好安全数据通信。这是client-server握手协议最后一步。

　　15.Client Encrypted data 

　　客户同服务器用对称加密算法和密码函数，并用客户发送到服务器的秘密钥匙加密通信。

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SSL握手过程： 

　　目的：

　　　　1. 客户端与服务器需要就一组用于保护数据的算法达成一致； 
　　　　2. 它们需要确立一组由那些算法所使用的加密密钥； 
　　　　3. 握手还可以选择对客户端进行认证。

　　过程： 

　　　　1. 客户端将它所支持的算法列表和一个用作产生密钥的随机数发送给服务器； 
　　　　2. 服务器从算法列表中选择一种加密算法，并将它和一份包含服务器公用密钥的证书发送给客户端；该证书还包含了用于认证目的的服务器标识，服务器同时还提供了一个用作产生密钥的随机数； 
　　　　3. 客户端对服务器的证书进行验证(有关验证证书，可以参考数字签名)，并抽取服务器的公用密钥；然后，再产生一个称作pre_master_secret的随机密码串，并使用服务器的公用密钥对其进行加密(参考非对称加/解密)，并将加密后的信息发送给服务器； 
　　　　4. 客户端与服务器端根据pre_master_secret以及客户端与服务器的随机数值独立计算出加密和MAC密钥(参考DH密钥交换算法)。 
　　　　5. 客户端将所有握手消息的MAC值发送给服务器； 
　　　　6. 服务器将所有握手消息的MAC值发送给客户端。

　　　　

　　　　第5与第6步用以防止握手本身遭受篡改。设想一个攻击者想要控制客户端与服务器所使用的算法。客户端提供多种算法的情况相当常见，某些强度弱而某些强度 强，以便能够与仅支持弱强度算法的服务器进行通信。攻击者可以删除客户端在第1步所提供的所有高强度算法，于是就迫使服务器选择一种弱强度的算法。第5步与第6步的MAC交换就能阻止这种攻击，因为客户端的MAC是根据原始消息计算得出的，而服务器的MAC是根据攻击者修改过的消息计算得出的，这样经过检 查就会发现不匹配。由于客户端与服务器所提供的随机数为密钥产生过程的输入，所以握手不会受到重放攻击的影响。这些消息是首个在新的加密算法与密钥下加密 的消息。

　　　　刚才所描述的每一步都需要通过一条或多条握手消息来实现。在此先简要地描述哪些消息与哪几步相对应，然后详细描述每条消息的内容。下图描述了各条消息：

　　　　

　　　　第1步对应一条单一的握手消息，ClientHello。

　　　　第2步对应一系列SSL握手消息，服务器发送的第一条消息为ServerHello，其中包含了它所选择的算法，接着再在Certificate消息中发 送其证书。

　　　　最后，服务器发送ServerHelloDone消息以表示这一握手阶段的完成。需要ServerHelloDone的原因是一些更为复杂的握手变种还要在Certifacate之后发送其他一些消息。当客户端接收到ServerHelloDone消息时，它就知道不会再有其他类似的消息过来了，于是就可以继续它这一方的握手。

　　　　第3步对应ClientKeyExchange消息。

　　　　第5与第6步对应Finished消息。该消息是第一条使用刚刚磋商过的算法加以保护的消息。为了防止握手过程遭到篡改，该消息的内容是前一阶段所有握手 消息的MAC值。然而，由于Finished消息是以磋商好的算法加以保护的，所以也要与新磋商的MAC密钥—起计算消息本身的MAc值。

　　　　注意，上图中省略了两条ChangeCipherSpec消息。

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SSL记录协议： 

　　在SSL中，实际的数据传输是使用SSL记录协议来实现的。SSL记录协议是通过将数据流分割成一系列的片段并加以传输来工作的，其中对每个片段单独进行 保护和传输。在接收方，对每条记录单独进行解密和验证。这种方案使得数据一经准备好就可以从连接的一端传送到另一端，并在接收到的即刻加以处理。

　　在传输片段之前，必须防止其遭到攻击。可以通过计算数据的MAC来提供完整性保护。MAC与片段一起进行传输，并由接收实现加以验证。将MAC附加到片段 的尾部，并对数据与MAC整合在一起的内容进行加密，以形成经过加密的负载(Payload)。最后给负载装上头信息。头信息与经过加密的负载的连结称作 记录(record)，记录就是实际传输的内容。下图描述了传输过程：

　　

　　1. 记录头消息： 

　　记录头信息的工作就是为接收实现(receiving implementation)提供对记录进行解释所必需的信息。在实际应用中，它是指三种信息：内容类型、长度和SSL版本。长度字段可以让接收方知道 他要从线路上这取多少字节才能对消息进行处理，版本号只是一项确保每一方使用所磋商的版本的冗余性检查。内容类型字段表示消息类型。

　　2. SSL记录类型： 

　　SSL支持四种内容类型：application_data、alert、handshake和change_cipher_spec。

　　使用SSL的软件发送和接收的所有数据都是以application_data类型来发送的，其他三种内容类型用于对通信进行管理，如完成握手和报告错误等。

　　内容类型alert主要用于报告各种类型的错误。大多数alert(警示)用于报告握手中出现的问题，但也有一些指示在对记录试图进行解密或认证时发生的错误，alert消息的其他用途是指示连接将要关闭。

　　内容类型handshake用于承载握手消息。 即便是最初形成连接的握手消息也是通过记录层以handshake类型的记录来承载的。由于加密密钥还未确立，这些初始的消息并未经过加密或认证，但是其 他处理过程是一样的。有可能在现有的连接上初始化一次新的握手，在这种情况下，新的握手记录就像其他的数据一样，要经过加密和认证。

　　change_cipher_spec消息表示记录加密及认证的改变。一旦握手商定了一组新的密钥，就发送change_cipher_spec来指示此刻将启用新的密钥。

　　各种消息协同工作： 

　　　　正如我们所看到的，SSL是一种分层协议，它以一个记录层以及记录层上承裁的个同消息类型组成。而该记录层又会由某种可靠的传输协议如TCP来承载。下图描述了该协以的结构：

　　　　

　　　　一次ssl连接的完整过程：

　　　　

　　　　单向认证：

　　　　　　客户端向服务器发送消息，服务器接到消息后，用服务器端的密钥库中的私钥对数据进行加密，然后把加密后的数据和服务器端的公钥一起发送到 客户端，客户端用服务器发送来的公钥对数据解密，然后在用传到客户端的服务器公钥对数据加密传给服务器端，服务器用私钥对数据进行解密，这就完成了客户端 和服务器之间通信的安全问题，但是单向认证没有验证客户端的合法性。

　　　　双向认证：

　　　　　　（1）客户端向服务器发送消息，首先把消息用客户端证书加密然后连同时把客户端证书一起发送到服务器端

　　　　　　（2）服务器接到消息后用首先用客户端证书把消息解密，然后用服务器私钥把消息加密，把服务器证书和消息一起发送到客户端

　　　　　　（3）客户端用发来的服务器证书对消息进行解密，然后用服务器的证书对消息加密，然后在用客户端的证书对消息在进行一次加密，连同加密消息和客户端证书一起发送到服务器端，

　　　　　　（4）到服务器端首先用客户端传来的证书对消息进行解密，确保消息是这个客户发来的，然后用服务器端的私钥对消息在进行解密这个便得到了明文数据。

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