大家好,又见面了,我是全栈君,祝每个程序员都可以多学几门语言。
关键词:SSL,PKI,MAC
摘 要:SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制,为基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。本文介绍了SSL的产生背景、安全机制、工作过程及典型组网应用。
缩略语:
缩略语 | 英文全名 | 中文解释 |
AES | Advanced Encryption Standard | 高级加密标准 |
CA | Certificate Authority | 证书机构 |
DES | Data Encryption Standard | 数据加密标准 |
HTTPS | Hypertext Transfer Protocol Secure | 安全超文本传输协议 |
MAC | Message Authentication Code | 消息验证码 |
MD5 | Message Digest 5 | 消息摘要算法5 |
PKI | Public Key Infrastructure | 公钥基础设施 |
RSA | Rivest Shamir and Adleman | 非对称密钥算法的一种 |
SHA | Secure Hash Algorithm | 安全散列算法 |
SSL | Secure Sockets Layer | 安全套接层 |
VPN | Virtual Private Network | 虚拟专有网络 |
1 概述
1.1 产生背景
基于万维网的电子商务和网上银行等新兴应用,极大地方便了人们的日常生活,受到人们的青睐。因为这些应用都须要在网络上进行在线交易,它们对网络通信的安全性提出了更高的要求。传统的万维网协议HTTP不具备安全机制——採用明文的形式数据传输、不能验证通信两方的身份、无法防止传输的数据被篡改等,导致HTTP无法满足电子商务和网上银行等应用的安全性要求。
Netscape公司提出的安全协议SSL,利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制,为网络上数据的传输提供安全性保证。SSL能够为HTTP提供安全连接,从而非常大程度上改善了万维网的安全性问题。
1.2 技术长处
SSL具有例如以下长处:
l 提供较高的安全性保证。SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制,保证网络上传输数据的安全性。
l 支持各种应用层协议。尽管SSL设计的初衷是为了解决万维网安全性问题,可是因为SSL位于应用层和传输层之间,它能够为不论什么基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。
l 部署简单。眼下SSL已经成为网络中用来鉴别站点和网页浏览者身份,在浏览器使用者及Webserver之间进行加密通信的全球化标准。SSL协议已被集成到大部分的浏览器中,如IE、Netscape、Firefox等。这就意味着差点儿随意一台装有浏览器的计算机都支持SSL连接,不须要安装额外的client软件。
2 协议安全机制
SSL协议实现的安全机制包含:
l 传输数据的机密性:利用对称密钥算法对传输的数据进行加密。
l 身份验证机制:基于证书利用数字签名方法对server和client进行身份验证,当中client的身份验证是可选的。
l 消息完整性验证:消息传输过程中使用MAC算法来检验消息的完整性。
2.1 传输数据的机密性
网络上传输的数据非常easy被非法用户窃取,SSL採用在通信两方之间建立加密通道的方法保证传输数据的机密性。
所谓加密通道,是指发送方在发送数据前,使用加密算法和加密密钥对数据进行加密,然后将数据发送给对方;接收方接收到数据后,利用解密算法和解密密钥从密文中获取明文。没有解密密钥的第三方,无法将密文恢复为明文,从而保证传输数据的机密性。
加解密算法分为两类:
l 对称密钥算法:数据加密和解密时使用同样的密钥。
l 非对称密钥算法:数据加密和解密时使用不同的密钥,一个是公开的公钥,一个是由用户秘密保存的私钥。利用公钥(或私钥)加密的数据仅仅能用对应的私钥(或公钥)才干解密。
与非对称密钥算法相比,对称密钥算法具有计算速度快的长处,通经常使用于对大量信息进行加密(如对全部报文加密);而非对称密钥算法,一般用于数字签名和对较少的信息进行加密。
SSL加密通道上的数据加解密使用对称密钥算法,眼下主要支持的算法有DES、3DES、AES等,这些算法都能够有效地防止交互数据被窃听。
对称密钥算法要求解密密钥和加密密钥全然一致。因此,利用对称密钥算法加密数据传输之前,须要在通信两端部署同样的密钥。对称密钥的部署方法请參见“2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全”。
2.2 身份验证机制
电子商务和网上银行等应用中必须保证要登录的Webserver是真实的,以免重要信息被非法窃取。SSL利用数字签名来验证通信对端的身份。
非对称密钥算法能够用来实现数字签名。因为通过私钥加密后的数据仅仅能利用相应的公钥进行解密,因此依据解密是否成功,就能够推断发送者的身份,如同发送者对数据进行了“签名”。比如,Alice使用自己的私钥对一段固定的信息加密后发给Bob,Bob利用Alice的公钥解密,假设解密结果与固定信息同样,那么就能够确认信息的发送者为Alice,这个过程就称为数字签名。
SSLclient必须验证SSLserver的身份,SSLserver是否验证SSLclient的身份,则由SSLserver决定。SSLclient和SSLserver的身份验证过程,请參见“3.2 SSL握手过程”。
使用数字签名验证身份时,须要确保被验证者的公钥是真实的,否则,非法用户可能会冒充被验证者与验证者通信。如图1所看到的,Cindy冒充Bob,将自己的公钥发给Alice,并利用自己的私钥计算出签名发送给Alice,Alice利用“Bob”的公钥(实际上为Cindy的公钥)成功验证该签名,则Alice觉得Bob的身份验证成功,而实际上与Alice通信的是冒充Bob的Cindy。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性,具体介绍请參见“2.5 利用PKI保证公钥的真实性”。
图1 伪造公钥
2.3 消息完整性验证
为了避免网络中传输的数据被非法篡改,SSL利用基于MD5或SHA的MAC算法来保证消息的完整性。
MAC算法是在密钥參与下的数据摘要算法,能将密钥和随意长度的数据转换为固定长度的数据。利用MAC算法验证消息完整性的过程如图2所看到的。发送者在密钥的參与下,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者。接收者利用相同的密钥和MAC算法计算出消息的MAC值,并与接收到的MAC值比較。假设二者相同,则报文没有改变;否则,报文在传输过程中被改动,接收者将丢弃该报文。
图2 MAC算法示意图
MAC算法具有例如以下特征,使其可以用来验证消息的完整性:
l 消息的不论什么改变,都会引起输出的固定长度数据产生变化。通过比較MAC值,可以保证接收者可以发现消息的改变。
l MAC算法须要密钥的參与,因此没有密钥的非法用户在改变消息的内容后,无法加入�正确的MAC值,从而保证非法用户无法任意改动消息内容。
MAC算法要求通信两方具有同样的密钥,否则MAC值验证将会失败。因此,利用MAC算法验证消息完整性之前,须要在通信两端部署同样的密钥。MAC密钥的部署方法请參见“2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全”。
2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全
对称密钥算法和MAC算法要求通信两方具有同样的密钥,否则解密或MAC值验证将失败。因此,要建立加密通道或验证消息完整性,必须先在通信两方部署一致的密钥。
SSL利用非对称密钥算法加密密钥的方法实现密钥交换,保证第三方无法获取该密钥。如图3所看到的,SSLclient(如Web浏览器)利用SSLserver(如Webserver)的公钥加密密钥,将加密后的密钥发送给SSLserver,仅仅有拥有相应私钥的SSLserver才干从密文中获取原始的密钥。SSL通常採用RSA算法加密传输密钥。
l 实际上,SSLclient发送给SSLserver的密钥不能直接用来加密数据或计算MAC值,该密钥是用来计算对称密钥和MAC密钥的信息,称为premaster secret。SSLclient和SSLserver利用premaster secret计算出同样的主密钥(master secret),再利用master secret生成用于对称密钥算法、MAC算法等的密钥。premaster secret是计算对称密钥、MAC算法密钥的关键。
l 用来实现密钥交换的算法称为密钥交换算法。非对称密钥算法RSA用于密钥交换时,也能够称之为密钥交换算法。
利用非对称密钥算法加密密钥之前,发送者须要获取接收者的公钥,并保证该公钥确实属于接收者,否则,密钥可能会被非法用户窃取。如图1所看到的,Cindy冒充Bob,将自己的公钥发给Alice,Alice利用Cindy的公钥加密发送给Bob的数据,Bob因为没有相应的私钥无法解密该数据,而Cindy截取数据后,能够利用自己的私钥解密该数据。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性,具体介绍请參见“2.5 利用PKI保证公钥的真实性”。
2.5 利用PKI保证公钥的真实性
PKI通过数字证书来公布用户的公钥,并提供了验证公钥真实性的机制。数字证书(简称证书)是一个包括用户的公钥及其身份信息的文件,证明了用户与公钥的关联。数字证书由权威机构——CA签发,并由CA保证数字证书的真实性。
SSLclient把密钥加密传递给SSLserver之前,SSLserver须要将从CA获取的证书发送给SSLclient,SSLclient通过PKI推断该证书的真实性。假设该证书确实属于SSLserver,则利用该证书中的公钥加密密钥,发送给SSLserver。
验证SSLserver/SSLclient的身份之前,SSLserver/SSLclient须要将从CA获取的证书发送给对端,对端通过PKI推断该证书的真实性。假设该证书确实属于SSLserver/SSLclient,则对端利用该证书中的公钥验证SSLserver/SSLclient的身份。
3 协议工作过程
3.1 SSL的分层结构
图4 SSL协议分层
如图4所看到的,SSL位于应用层和传输层之间,它能够为不论什么基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。SSL协议本身分为两层:
l 上层为SSL握手协议(SSL handshake protocol)、SSLpassword变化协议(SSL change cipher spec protocol)和SSL警告协议(SSL alert protocol);
l 底层为SSL记录协议(SSL record protocol)。
当中:
l SSL握手协议:是SSL协议很重要的组成部分,用来协商通信过程中使用的加密套件(加密算法、密钥交换算法和MAC算法等)、在server和client之间安全地交换密钥、实现server和client的身份验证。
l SSLpassword变化协议:client和server端通过password变化协议通知对端,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。
l SSL警告协议:用来向通信对端报告告警信息,消息中包括告警的严重级别和描写叙述。
l SSL记录协议:主要负责对上层的数据(SSL握手协议、SSLpassword变化协议、SSL警告协议和应用层协议报文)进行分块、计算并加入�MAC值、加密,并把处理后的记录块传输给对端。
3.2 SSL握手过程
SSL通过握手过程在client和server之间协商会话參数,并建立会话。会话包括的主要參数有会话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(master secret)。通过SSL会话传输的数据,都将採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。以下将分别描写叙述以下三种情况下的握手过程:
l 仅仅验证server的SSL握手过程
l 验证server和client的SSL握手过程
l 恢复原有会话的SSL握手过程
3.2.1 仅仅验证server的SSL握手过程
如图5所看到的,仅仅须要验证SSLserver身份,不须要验证SSLclient身份时,SSL的握手过程为:
(1) SSLclient通过Client Hello消息将它支持的SSL版本号、加密算法、密钥交换算法、MAC算法等信息发送给SSLserver。
(2) SSLserver确定本次通信採用的SSL版本号和加密套件,并通过Server Hello消息通知给SSLclient。假设SSLserver同意SSLclient在以后的通信中重用本次会话,则SSLserver会为本次会话分配会话ID,并通过Server Hello消息发送给SSLclient。
(3) SSLserver将携带自己公钥信息的数字证书通过Certificate消息发送给SSLclient。
(4) SSLserver发送Server Hello Done消息,通知SSLclient版本号和加密套件协商结束,開始进行密钥交换。
(5) SSLclient验证SSLserver的证书合法后,利用证书中的公钥加密SSLclient随机生成的premaster secret,并通过Client Key Exchange消息发送给SSLserver。
(6) SSLclient发送Change Cipher Spec消息,通知SSLserver兴许报文将採用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(7) SSLclient计算已交互的握手消息(除Change Cipher Spec消息外全部已交互的消息)的Hash值,利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值(计算并加入�MAC值、加密等),并通过Finished消息发送给SSLserver。SSLserver利用相同的方法计算已交互的握手消息的Hash值,并与Finished消息的解密结果比較,假设二者相同,且MAC值验证成功,则证明密钥和加密套件协商成功。
(8) 相同地,SSLserver发送Change Cipher Spec消息,通知SSLclient兴许报文将採用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(9) SSLserver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(计算并加入�MAC值、加密等),并通过Finished消息发送给SSLclient。SSLclient利用相同的方法计算已交互的握手消息的Hash值,并与Finished消息的解密结果比較,假设二者相同,且MAC值验证成功,则证明密钥和加密套件协商成功。
SSLclient接收到SSLserver发送的Finished消息后,假设解密成功,则能够推断SSLserver是数字证书的拥有者,即SSLserver身份验证成功,由于仅仅有拥有私钥的SSLserver才干从Client Key Exchange消息中解密得到premaster secret,从而间接地实现了SSLclient对SSLserver的身份验证。
& 说明:
l Change Cipher Spec消息属于SSLpassword变化协议,其它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。
l 计算Hash值,指的是利用Hash算法(MD5或SHA)将随意长度的数据转换为固定长度的数据。
3.2.2 验证server和client的SSL握手过程
SSLclient的身份验证是可选的,由SSLserver决定是否验证SSLclient的身份。如图6中蓝色部分标识的内容所看到的,假设SSLserver验证SSLclient身份,则SSLserver和SSLclient除了交互“3.2.1 仅仅验证server的SSL握手过程”中的消息协商密钥和加密套件外,还须要进行下面操作:
(1) SSLserver发送Certificate Request消息,请求SSLclient将其证书发送给SSLserver。
(2) SSLclient通过Certificate消息将携带自己公钥的证书发送给SSLserver。SSLserver验证该证书的合法性。
(3) SSLclient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SSLserver。
(4) SSLserver计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值,利用SSLclient证书中的公钥解密Certificate Verify消息,并将解密结果与计算出的Hash值比較。假设二者同样,则SSLclient身份验证成功。
3.2.3 恢复原有会话的SSL握手过程
图7 恢复原有会话的SSL握手过程
协商会话參数、建立会话的过程中,须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同意重用已经协商过的会话,详细过程为:
(1) SSLclient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) SSLserver假设同意重用该会话,则通过在Server Hello消息中设置同样的会话ID来应答。这样,SSLclient和SSLserver就能够利用原有会话的密钥和加密套件,不必又一次协商。
(3) SSLclient发送Change Cipher Spec消息,通知SSLserver兴许报文将採用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(4) SSLclient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SSLserver,以便SSLserver推断密钥和加密套件是否正确。
(5) 相同地,SSLserver发送Change Cipher Spec消息,通知SSLclient兴许报文将採用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(6) SSLserver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SSLclient,以便SSLclient推断密钥和加密套件是否正确。
4 典型组网应用
4.1 HTTPS
HTTPS是基于SSL安全连接的HTTP协议。HTTPS通过SSL提供的数据加密、身份验证和消息完整性验证等安全机制,为Web訪问提供了安全性保证,广泛应用于网上银行、电子商务等领域。
图8为HTTPS在网上银行中的应用。某银行为了方便客户,提供了网上银行业务,客户能够通过訪问银行的Webserver进行帐户查询、转帐等。通过在客户和银行的Webserver之间建立SSL连接,能够保证客户的信息不被非法窃取。
图8 HTTPS在网上银行中的应用
4.2 SSL VPN
SSL VPN是以SSL为基础的VPN技术,利用SSL提供的安全机制,为用户远程訪问公司内部网络提供了安全保证。如图9所看到的,SSL VPN通过在远程接入用户和SSL VPN网关之间建立SSL安全连接,同意用户通过各种Web浏览器,各种网络接入方式,在不论什么地方远程訪问企业网络资源,并可以保证企业网络的安全,保护企业内部信息不被窃取。
图9 SSL VPN的典型组网环境
发布者:全栈程序员-用户IM,转载请注明出处:https://javaforall.cn/118357.html原文链接:https://javaforall.cn
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