网络安全协议及分析 第四章 传输层安全SSL和TLS

第四章 传输层安全SSL和TLS

SSL协议概述

设计目的

• 增强HTTP的安全性
• 让普通的HTTP协议和增强安全性的协议之间具有良好的互操作性

安全需求

• 机密性
• 完整性
• 服务器身份认证
• 可选的用户身份认证

SSL协议

• 保护运行于TCP之上的应用协议。
• 与应用层协议无关的。
• 在应用层协议之前就已经完成加密算法、通信密钥的协商以及服务器的认证工作。

SSLv3协议的流程

典型的SSLv3通信过程：

• 在传输应用数据之前，必须首先进行协商，以便客户端验证服务器的身份，并与服务器就算法和密钥达成共识；
• 在数据传输阶段，双方利用协商好的算法和密钥处理应用数据；
• 数据传输完成后，通过可认证的方式断开连接。

更改密码规范协议

• SSL连接（Connection) - 一个连接是一个提供合适类型服务的传输。- SSL的连接是点对点的关系。- 连接是暂时的，每一个连接和一个会话关联。
• SSL会话（Session） - 一个会话是在客户与服务器之间的一个关联。会话定义了一组可供多个连接共享的密码安全参数。- 会话用以避免为每一个连接提供新的安全参数所需昂贵的协商代价。

握手协议

• 协调客户端和服务器的状态，使得通信双方的交互实现同步。
• 当前操作状态和挂起状态分别表示正在使用和正在协商的密码参数。

警告协议

• 无论是在协商还是在应用数据传输阶段，如果通信一方发现了差错，必须向对方报告；应用数据传输完成后，还必须通知对方断开连接。
• 警告级（Warning）、致命级（Fatal）
• SSLv3的断连消息为Close_notify，引入消息验证码机制。

会话和连接

• 会话状态：一组参数，包括会话ID、通信对等端证书、压缩算法、加密算法、散列算法、预主密钥以及可恢复标记。
• 连接状态：一组参数，包括客户端和服务器随机数、服务器MAC密钥、客户端MAC密钥、服务器加密密钥、客户端加密密钥、初始化向量IV以及序号。

会话恢复

• 使用已有的会话保护某个连接，不必再重新协商新参数。
• 使用会话恢复可提高通信效率。

客户端认证

• 服务器认证仅发送证书
• 客户端认证多发送CertificateVerify消息。
• 真正的服务器认证过程隐含在密钥生成过程中。

密钥导出机制

4个用于保护数据的会话密钥

• Esc：服务器写加密密钥
• Msc：服务器写MAC密钥
• Ecs：客户端写加密密钥
• Mcs：客户端写MAC密钥

SSLv3的记录层

规范语言：

• 杂项：/…/表述注释；[[ ]]表述可选项；opaque表述无具体含义的单字节数据
• 数字：uint8、uint16、uint24、uint32、 uint64
• 向量：定长向量、变长向量
• 枚举：某个变量的可能取值
• 结构：某个变量由不同类型数据所组成
• 变体：表示根据实际选择符的不同，可以选择不同的数据
• 赋值：赋值即给一个变量赋予常量值

数据处理过程：

• 分片
• 压缩
• 计算MAC
• 消息加密

TLS协议

协议描述

• 在协议框架描述方面，TLS包括记录层和握手层两个协议，握手、更改密码规范和警告作为记录层协议的子协议描述。

MAC计算

• SSLv3：MD5、SHA-1
• TLSv1：HMAC

密钥导出

• PRF（Pseudo-Random Function，伪随机函数），在定义该函数之前，TLS首先定义数据扩展函数。

散列函数输入

• Certificate Verify和Finished消息中都需要计算散列值

填充长度

• SSLv3的填充数据仅应填满一个分组长度
• TLS的填充则允许在填满一个分组长度后，继续填充成任意个分组。

TLS 握手协议还能细分为 5 个子协议：

1. change_cipher_spec(在 TLS 1.3 中这个协议已经删除，为了兼容TLS 老版本，可能还会存在)
2. alert
3. handshake
4. application_data
5. heartbeat (TLS 1.3 新加的，TLS 1.3 之前的版本没有这个协议)

TLS1.2与TLS1.3在子协议上的区别

协议版本密码切换协议警告协议握手协议心跳协议应用数据协议TLS1.3无此协议根据连接状态不同进行加密，即一部分会加密一部分加密不加密加密TLS1.2不加密不加密不加密无此协议加密

记录层

• 将上层的信息块分段为TLSPlaintext记录，每一条TLS记录以一个短表头开始。原始消息经过分段 (或者合并)、压缩、添加认证码、加密转为 TLS 记录的数据部分。其中对上层应用数据协议进行密码保护，对其他的子协议只是简单封装(即不加密)。

TLS密码切换协议

• 作用：该协议是TLS记录层对应用数据是否进行加密的分界线。客户端或者服务端一旦收到对端发送的密码切换协议，就表明接下来传输数据过程中可以对应用数据进行加密了。

TLS警告协议

• 作用：该协议用来表示关闭信息和错误
• 收到close_notify警告后，表明连接从一个方向开始有序的关闭，收到这个警报后，TLS实现方应表明应用程序的数据结束。

TLS握手协议

• 作用：双方将通过这个协议协商出密码块，这个密码块会交给 TLS 记录层进行密钥加密。也就是说握手协议达成的“共识”(密码块)是整个 TLS 和 HTTPS 安全的基础。

TLS应用数据协议

• 作用：该协议就是TLS上层的各种协议，TLS将主要保护的数据放在该协议里。
• TLS记录层会根据加密模式的不同在应用数据末尾加上MAC检验数据

TLS心跳协议

• 作用：允许在不需要重协商的情况下，使用 keep-alive 功能。

SSL应用

分设端口

• 为不同的访问方式提供不同的监听端口。
• HTTP客户端使用普通方式访问web服务器时，与80号端口建立连接，否则与443号端口建立连接，其他协议的使用方式类似。基于SSL的协议通常在协议后添加一个S作为标识。

从协议时序的角度

• SSL的引入对高层应用的协议时序没有影响，只是比普通访问增加了SSL握手及安全断连步骤；

从语法和语义的角度

• 安全访问方式下的通信数据要经过安全处理和安全验证，应用层的数据不再是字节流，而是记录。

向上协商的策略需要修改应用层协议

• 220：Ready to start TIS；
• 501：Syntax error
• 504：TLS not available due to temporary reason

SSL VPN 技术在校园网中的应用

• 身份鉴别
• 访问策略
• 数据转发

小结

SSL增强传输层的安全性，为高层应用提供较为通用的安全方案。

提供机密性、完整性、服务器认证以及可选的客户端认证服务。

SSL协议套件由握手、更改密码规范、警告和记录协议构成。

• 握手协议实现算法协商、密钥生成和身份认证，支持会话恢复等握手方式。
• 更改密码规范协议用以通告对等端使用新的安全参数来保护数据
• 警告协议则同时具备安全断连和错误通告功能。
• 记录协议是SSL数据承载层，高层应用及其他三个协议的数据都封装在记录中传递。