HTTPS 与 TLS

2023-05-11 20:54| 来源: 网络整理| 查看: 265

在实际工作中，涉及到X.509证书结构与 TLS证书校验链的场景便是 HTTPS 网络请求。这篇文章从HTTPS网络请求开始，详细介绍HTTPS秘钥协商的详细流程、TLS证书的校验流程、TLS证书链的校验流程。

HTTPS HTTPS简介。 TLS握手 HTTPS秘钥协商流程详细说明。 TLS证书校验 TLS证书链校验一、HTTPS简介

HTTPS （Secure Hypertext Transfer Protocol）安全超文本传输协议，是一种通过计算机网络进行安全通信的传输协议。 HTTPS 利用 SSL/TLS 来加密数据包，经由 HTTP 进行通信。其设计的主要目的是，提供对网站服务器的身份认证、保护交换数据的隐私与完整性。

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TLS/SSL

TLS 与 SSL某种程度上指的是同一个概念：

SSL（Secure Socket Layer） 1994年由浏览器开发商Netscape（美国网景通信公司）率先倡导研发，为数据通讯提供安全支持，开发了最初的几个版本SSL 1.0、SSL 2.0、SSL 3.0。 TLS（Transport LayerSecurity）前身为SSL，1999年从 3.1 开始被 IETF（Internet Engineering Task Force，Internet 工程任务组）标准化并改名，发展至今已经有 TLS 1.0、TLS 1.1、TLS 1.2 三个版本。

SSL3.0、TLS1.0由于存在安全漏洞，已经很少被使用到。TLS 1.3 因改动会比较大，目前尚处在草案阶段。当前被广泛使用的是是TLS 1.1、TLS 1.2；

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如上图所示，TLS/SSL是介于TCP和HTTP之间的一层安全协议。

HTTP

HTTP（HyperText Transfer Protocol）超文本传输协议。 HTTP是一个客户端（用户）和服务端之间请求和应答的标准，其最初的设计目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法。

二、SSL/TLS 握手

SSL/TLS握手过程用一句话总结就是：用非对称加密的手段传递密钥，然后用密钥进行对称加密传递数据。 SSL/TLS握手，秘钥协商的过程大致可分为以下几个步骤：

1、Client Hello Client——>Server 客户端向服务端发送 Client Hello 消息。 2、Server Hello Server——>Client 服务端向客户端发送 Server Hello 消息。 3、Certificate Server——>Client 服务端下发公钥证书。 4、Server Key Exchange Server——>Client 服务端下发秘钥交换的额外数据。 5、Server Hello Done Server——>Client 服务端握手信息发送完毕。 6、证书合法性校验 Client 对 Server下发的公钥证书进行合法性校验。 7、协商加密秘钥 Client——>Server 协商计算客户端、服务端通信的加密秘钥enc_key。 8、Change Cipher Spec Protocol Server——>Client 服务端告知客户端后续的通信都采用协商的秘钥enc_key与算法进行加密通信。 9、Encrypted Handshake Message Server——>Client 服务端用秘钥enc_key加密，发出的第一条加密消息。 10、Application Data Client——>Server SSL/TLS 握手完成，所有后续通信均采用秘钥enc_key加密。

SSL/TLS握手，秘钥协商的流程图如下图所示：

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这里以客户端向百度主页发起Https请求为例，用 Wireshark抓包对SSL/TLS握手的各个环节进行介绍，抓包示意图如下图所示：

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2.1、Client Hello

Client Hello（ Client——>Server ）：客户端向服务端发送 Client Hello 消息。消息中包含客户端的 TSL版本信息、秘钥随机数、加密套件候选列表、压缩算法候选列表、扩展字段等信息，相关信息抓包如下：

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各字段详细描述如下：

Version : 支持的最高TSL协议版本，从低到高依次 SSLv2 SSLv3 TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2； Random：随机数 random_C 用于后续的密钥协商; Session ID：有或者无，有则客户端传上一次session的id可以恢复session； Cipher Suite：客户端支持的密码算法列表，供服务器选择； Compression Methods：客户端支持的压缩算法列表，用于后续的信息压缩传输； extensions：扩展字段； 2.2、Server Hello

Server Hello（ Server——>Client ）：服务端向客户端发送 Server Hello 消息。消息中包括服务端选择使用的TSL协议版本、选择的加密套件、选择的压缩算法、服务端生成的随机数等，相关信息抓包如下：

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Version：服务器选择的版本； Random：随机数 random_S 用于后续的密钥协商; Session ID：有或者无，有则客户端传上一次session的id可以恢复session； Cipher Suite：服务端选择的密钥算法； Compression Methods：服务端选择的压缩算法；

注：到此客户端和服务端都拥有了两个随机数（random_C+ random_S），这两个随机数会在后续生成对称秘钥时会用到。

2.3、Certificate

Certificate（ Server——>Client ）：服务端下发公钥证书给客户端。相关信息抓包如下：

image.png Certificate: 服务端的公钥证书；

注：Certificate 公钥证书的详细结构会在下文进行详细举例说明。

2.4、Server Key Exchange

Server Key Exchange（ Server——>Client ）: 该消息的目的是携带密钥交换的额外数据。

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该消息内容对于不同的协商算法套件会存在差异：

对于使用DHE/ECDHE非对称密钥协商算法的SSL握手，服务器发送其使用的DH参数； RSA算法不会继续该握手流程（DH、ECDH也不会发送server key exchange）。 2.5、Server Hello Done

Server Hello Done（ Server——>Client ）: 通知客户端，Server端已经将所有握手消息发送完毕。

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2.6、证书校验

客户端拿到服务端的公钥证书后，需对该证书的合法性进行校验。校验内容如下：

证书链的可信性；证书是否吊销；证书有效期；证书域名校验，核查证书域名是否与当前的访问域名匹配;

注：证书的详细校验过程将在下文进行详细介绍

2.7、协商加密秘钥

Client——>Server：这一步包含三个步骤，主要是协商计算客户端、服务端通信的加密秘钥。

image.png Client Key Exchange 证书合法性验证通过之后，客户端产生随机数字Pre-master。计算生成秘钥enc_key { enc_key=Fuc(random_C, random_S, Pre-Master) } 。将Pre-master与enc_key用证书公钥加密（非对称加密算法）发送给服务端; Change Cipher Spec Protocol 客户端通知服务端后续的通信都采用协商的密钥enc_key和加密算法进行加密通信; Encrypted Handshake Message 客户端：客户端将之前所有的握手数据（包括接受、发送）生成摘要；然后用秘钥enc_key加密（对称加密算法），发送给对应的服务端。服务端：服务端收到消息后，会用秘钥enc_key解密客户端的摘要信息；然后用与客户端相同的算法生成服务端摘要信息，最后对比两个摘要信息相同，则验证通过。 2.8、Change Cipher Spec Protocol

Change Cipher Spec Protocol（ Server——>Client ）: 服务器同样发送 Change Cipher Spec Protocol 以告知客户端后续的通信都采用协商的秘钥enc_key与算法进行加密通信;

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2.9、Encrypted Handshake Message

Encrypted Handshake Message（ Server——>Client ）：服务端：服务端会将握手过程的消息生成摘要再用秘钥enc_key加密，这是服务端发出的第一条加密消息; 客户端：客户端接收后会用秘钥enc_key解密，能解出来说明协商的秘钥是一致的。

image.png 2.10、Application Data （ Client——>Server ）

Application Data Client——>Server ）：双方已安全地协商出了同一份秘钥enc_key，所有的应用层数据都会用这个秘钥加密后再通过 TCP 进行可靠传输。

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SANs证书

SANs是Subject Alternate Names的简称，SANs证书是一种SSL证书，它支持添加多个域名，允许将多个域名写入同一个证书中，这样就可以保护多个域名，从而降低了运维人员的管理成本，提高了证书管理效率。SAN证书有时也称为统一通信证书(统一通信证书)、多域名证书等。

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沃通CA出售的SSL证书大都支持SANs特性：

1，一张证书最多可保护 250-1000 个域名；

2，可同时使用的服务器数不限，不另付费用；

3，可以支持增加、删除或修改域名等功能。

4，部分 SANs 证书还支持将公网 IP 地址作为 SAN 直接添加到证书中。

通过http 的 header host 来进行判断

2.11 总结

SSL/TLS握手协商：用非对称加密的手段传递密钥，然后用密钥进行对称加密传递数据。

三、证书校验 1、X.509数字证书结构举例 2、客户端如何校验服务端下发的公钥证书？ 3.1、X.509数字证书

了解证书校验原理之前，先认识一下X.509证书的结构。

X.509是密码学里公钥证书的格式标准，当前X.509证书已应用在包括TLS/SSL在内的众多网络协议里。一个具体的X.509 v3数字证书结构大致如下 :

// X.509数字证书Certificate // 版本号 Version Number // 序列号 Serial Number // 证书签名算法ID Signature Algorithm ID // 证书发行者 Issuer Name // 证书有效时间 Validity period // 证书主体名称 Subject name // 证书主体公钥信息 Subject Public Key Info // 证书公钥算法 Public Key Algorithm // 证书公钥 Subject Public Key // 发行商唯一ID Issuer Unique Identifier (optional) // 主体唯一ID Subject Unique Identifier (optional) // 扩展 Extensions (optional) // 证书签名算法Certificate Signature Algorithm// 证书签名值Certificate Signature

这里以百度的Tls证书进行举例：

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image.png 3.2、证书校验

客户端验证服务端下发的证书，主要包括以下几个方面：

1、校验证书是否是受信任的CA根证书颁发机构颁发； 2、校验证书是否在上级证书的吊销列表； 3、校验证书是否过期； 4、校验证书域名是否一致。

3.2.1、证书可信性

校验证书是否可信：校验证书是否是由受信任的CA根证书颁发机构颁发。

为了确保客户端获取到的服务端公钥不被篡改，需引入权威的第三方CA机构。 CA机构负责核实公钥拥有者信息、颁发证书(对服务端公钥进行签名)、同时为使用者提供证书验证服务。

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CA机构颁发证书的基本原理：

服务端生成一对公钥、私钥。服务端将自己的公钥提供给CA机构。 CA机构核实服务端公钥拥有者信息：核实申请者提供信息的真实性：如组织是否存在、企业是否合法、是否拥有域名的所有权等。 CA机构签发证书： CA机构计算服务器公钥摘要信息，然后利用CA机构私钥（CA机构有一对公钥、私钥）加密摘要信息。加密后的包含加密摘要信息的服务端公钥即CA机构颁发的证书。

客户端验证服务端公钥的基本原理为：

客户端获取到服务端的公钥： Https请求 TLS握手过程中，服务器公钥会下发到请求的客户端。客户端用存储在本地的CA机构的公钥，对服务端公钥中对应的摘要信息进行解密，获取到服务端公钥的摘要信息A；客户端根据对服务端公钥进行摘要计算，得到摘要信息B；对比摘要信息A与B，相同则证书验证通过；

3.2.2、证书吊销

CA机构能够签发证书，同样也存在机制宣布以往签发的证书无效。若证书的申请主体出现：私钥丢失、申请证书无效等情况，CA机构需要废弃该证书。

主要存在两类机制：CRL 与 OCSP。

CRL（Certificate Revocation List）证书吊销列表：是一个单独的文件，该文件包含了 CA机构已经吊销的证书序列号与吊销日期；证书中一般会包含一个 URL 地址 CRL Distribution Point，通知使用者去哪里下载对应的 CRL 以校验证书是否吊销。该吊销方式的优点是不需要频繁更新，但是不能及时吊销证书，因为 CRL 更新时间一般是几天，这期间可能已经造成了极大损失。 OCSP（Online Certificate Status Protocol）证书状态在线查询协议：一个实时查询证书是否吊销的方式。请求者发送证书的信息并请求查询，服务器返回正常、吊销或未知中的任何一个状态。证书中一般也会包含一个 OCSP 的 URL 地址，要求查询服务器具有良好的性能。部分 CA 或大部分的自签 CA (根证书)都是未提供 CRL 或 OCSP 地址的，对于吊销证书会是一件非常麻烦的事情。

3.2.3、证书过期

校验证书的有效期是否已经过期：主要判断证书中Validity period字段是否过期。

3.2.4、证书域名

校验证书域名是否一致：核查证书域名是否与当前的访问域名匹配。

举例中：我们请求的域名 www.baidu.com 是否与证书文件中DNS标签下所列的域名相匹配；

四、证书链校验

上一节介绍证书校验场景，适用于服务器证书的签发机构就是Ca机构。实际证书申请中，由于权威的CA机构数量不多，若所有的服务器证书都向权威CA机构申请，那么CA机构的工作量就会非常大。因此CA机构采取授权二级机构的方式来管理证书申请，经授权的二级机构也可以签发服务器证书。

image.png 4.1、证书链校验

证书签发：

根证书CA机构使用自己的私钥对中间证书进行签名，授权中间机构证书；中间机构使用自己的私钥对服务器证书进行签名，从而授权服务器证书。

证书校验：

客户端通过服务器证书中签发机构信息，获取到中间证书公钥；利用中间证书公钥进行服务器证书的签名验证。 a、中间证书公钥解密服务器签名，得到证书摘要信息； b、摘要算法计算服务器证书摘要信息； c、然后对比两个摘要信息。客户端通过中间证书中签发机构信息，客户端本地查找到根证书公钥；利用根证书公钥进行中间证书的签名验证。 image.png 4.2、中间证书怎么获取？

这里可能大家有一个疑问，根证书是内置在终端设备上或浏览器中的，那中间机构证书怎么获取？

这里仍以百度的Tls证书进行举例，百度服务器证书签发者公钥（中间机构公钥）通过下图中的URI获取：

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