TSL 传输层安全性协议

一. 介绍

传输层安全性协议 Transport Layer Security，TLS 及其前身安全套接层 Secure Sockets Layer，SSL是一种安全协议，目的是为互联网通信提供安全及数据完整性保障。网景公司（Netscape）在1994年推出首版网页浏览器－网景导航者时，推出HTTPS协议，以SSL进行加密，这是SSL的起源。IETF将SSL进行标准化，1999年公布第一版TLS标准文件。随后又公布RFC 5246 （2008年8月）与 RFC 6176 （2011年3月）。在浏览器、电子邮件、即时通信、VoIP、网络传真等应用程序中，广泛支持这个协议。主要的网站，如Google、Facebook等也以这个协议来创建安全连线，发送数据。当前已成为互联网上保密通信的工业标准。

SSL包含记录层（Record Layer）和传输层，记录层协议确定传输层数据的封装格式。传输层安全协议使用X.509认证，之后利用非对称加密演算来对通信方做身份认证，之后交换对称密钥作为会谈密钥（Session key）。这个会谈密钥是用来将通信两方交换的数据做加密，保证两个应用间通信的保密性和可靠性，使客户与服务器应用之间的通信不被攻击者窃听。

TLS协议采用主从式架构模型，用于在两个应用程序间透过网络创建起安全的连线，防止在交换数据时受到窃听及篡改。

TLS协议的优势是与高层的应用层协议（如HTTP、FTP、Telnet等）无耦合。应用层协议能透明地运行在TLS协议之上，由TLS协议进行创建加密通道需要的协商和认证。应用层协议传送的数据在通过TLS协议时都会被加密，从而保证通信的私密性。

TLS协议是可选的，必须配置客户端和服务器才能使用。主要有两种方式实现这一目标：一个是使用统一的TLS协议通信端口（例如：用于HTTPS的端口443）；另一个是客户端请求服务器连接到TLS时使用特定的协议机制（例如：邮件、新闻协议和STARTTLS）。一旦客户端和服务器都同意使用TLS协议，他们通过使用一个握手过程协商出一个有状态的连接以传输数据。通过握手，客户端和服务器协商各种参数用于创建安全连接：

当客户端连接到支持TLS协议的服务器要求创建安全连接并列出了受支持的密码组合（加密密码算法和加密哈希函数），握手开始。
服务器从该列表中决定加密和散列函数，并通知客户端。
服务器发回其数字证书，此证书通常包含服务器的名称、受信任的证书颁发机构（CA）和服务器的公钥。
客户端确认其颁发的证书的有效性。
为了生成会话密钥用于安全连接，客户端使用服务器的公钥加密随机生成的密钥，并将其发送到服务器，只有服务器才能使用自己的私钥解密。
利用随机数，双方生成用于加密和解密的对称密钥。这就是TLS协议的握手，握手完毕后的连接是安全的，直到连接（被）关闭。如果上述任何一个步骤失败，TLS握手过程就会失败，并且断开所有的连接。

二. TSL演变以及为什么会取代SSL

 

安全网络编程

早期的研究工作，为方便改造原有网络应用程序，在1993年已经有了相似的Berkeley套接字安全传输层API方法。

SSL 1.0、2.0和3.0

SSL（Secure Sockets Layer）是网景公司（Netscape）设计的主要用于Web的安全传输协议，这种协议在Web上获得了广泛的应用。

基础算法由作为网景公司的首席科学家塔希尔·盖莫尔（Taher Elgamal）编写，所以他被人称为“SSL之父”。

2014年10月，Google发布在SSL 3.0中发现设计缺陷，建议禁用此一协议。攻击者可以向TLS发送虚假错误提示，然后将安全连接强行降级到过时且不安全的SSL 3.0，然后就可以利用其中的设计漏洞窃取敏感信息。Google在自己公司相关产品中陆续禁止回溯兼容，强制使用TLS协议。Mozilla也在11月25日发布的Firefox 34中彻底禁用了SSL 3.0。微软同样发出了安全通告。

• 1.0版本从未公开过，因为存在严重的安全漏洞。
• 2.0版本在1995年2月发布，但因为存在数个严重的安全漏洞而被3.0版本替代。
• 3.0版本在1996年发布，是由网景工程师Paul Kocher、Phil Karlton和Alan Freier完全重新设计的。较新版本的SSL/TLS基于SSL 3.0。SSL 3.0作为历史文献IETF通过 RFC 6101 发表。

TLS 1.0

IETF将SSL标准化，即 RFC 2246 ，并将其称为TLS（Transport Layer Security）。从技术上讲，TLS 1.0与SSL 3.0的差异非常微小。但正如RFC所述"the differences between this protocol and SSL 3.0 are not dramatic, but they are significant enough to preclude interoperability between TLS 1.0 and SSL 3.0"（本协议和SSL 3.0之间的差异并不是显著，却足以排除TLS 1.0和SSL 3.0之间的互操作性）。TLS 1.0包括可以降级到SSL 3.0的实现，这削弱了连接的安全性:1–2。

TLS 1.1

TLS 1.1在 RFC 4346 中定义，于2006年4月发表，它是TLS 1.0的更新。在此版本中的差异包括：

• 添加对CBC攻击的保护：
  • 隐式IV被替换成一个显式的IV。
  • 更改分组密码模式中的填充错误。
• 支持IANA登记的参数。

TLS 1.2

TLS 1.2在 RFC 5246 中定义，于2008年8月发表。它基于更早的TLS 1.1规范。主要区别包括：

• 可使用密码组合选项指定伪随机函数使用SHA-256替换MD5-SHA-1组合。
• 可使用密码组合选项指定在完成消息的哈希认证中使用SHA-256替换MD5-SHA-1算法，但完成消息中哈希值的长度仍然被截断为96位。
• 在握手期间MD5-SHA-1组合的数字签名被替换为使用单一Hash方法，默认为SHA-1。
• 增强服务器和客户端指定Hash和签名算法的能力。
• 扩大经过身份验证的加密密码，主要用于GCM和CCM模式的AES加密的支持。
• 添加TLS扩展定义和AES密码组合。所有TLS版本在2011年3月发布的RFC 6176中删除了对SSL的兼容，这样TLS会话将永远无法协商使用的SSL 2.0以避免安全问题。

TLS 1.3

参见：来回通信延迟

TLS 1.3在 RFC 8446 中定义，于2018年8月发表。它基于更早的TLS 1.2规范，与TLS 1.2的主要区别包括：

• 将密钥协商和认证算法从密码包中分离出来。
• 移除脆弱和较少使用的命名椭圆曲线支持（参见椭圆曲线密码学）。
• 移除MD5和SHA-224密码散列函数的支持。
• 请求数字签名，即便使用之前的配置。
• 集成HKDF和半短暂DH提议。
• 替换使用PSK和票据的恢复。
• 支持1-RTT握手并初步支持0-RTT。
• 通过在(EC)DH密钥协议期间使用临时密钥来保证完善的前向安全性。
• 放弃许多不安全或过时特性的支持，包括数据压缩、重新协商、非AEAD密码本、静态RSA和静态DH密钥交换、自定义DHE分组、点格式协商、更改密码本规范的协议、UNIX时间的Hello消息，以及长度字段AD输入到AEAD密码本。
• 禁止用于向后兼容性的SSL和RC4协商。
• 集成会话散列的使用。
• 弃用记录层版本号和冻结数以改进向后兼容性。
• 将一些安全相关的算法细节从附录移动到标准，并将ClientKeyShare降级到附录。
• 添加带有Poly1305消息验证码的ChaCha20流加密。
• 添加Ed25519和Ed448数字签名算法。
• 添加x25519和x448密钥交换协议。
• 将支持加密服务器名称指示（Encrypted Server Name Indication, ESNI）。

网络安全服务（NSS）是由Mozilla开发并由其网络浏览器Firefox使用的加密库，自2017年2月起便默认启用TLS 1.3。随后TLS 1.3被添加到2017年3月发布的Firefox 52.0中，但它由于某些用户的兼容性问题，默认情况下禁用。直到Firefox 60.0才正式默认启用。

Google Chrome曾在2017年短时间将TLS 1.3设为默认，然而由于类似Blue Coat Systems等不兼容组件而被取消。

wolfSSL在2017年5月发布的3.11.1版本中启用了TLS 1.3。作为第一款支持TLS 1.3部署，wolfSSL 3.11.1 支持 TLS 1.3 Draft 18（ 现已支持到Draft 28），同时官方也发布了一系列关于TLS 1.2和TLS 1.3性能差距的博客。

三. TSL的作用、实现

TLS的作用

TLS协议主要解决如下三个网络安全问题。

1. 保密(message privacy)，保密通过加密encryption实现，所有信息都加密传输，第三方无法嗅探；
2. 完整性(message integrity)，通过MAC校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现；
3. 认证(mutual authentication)，双方认证,双方都可以配备证书，防止身份被冒充；

TLS是怎样实现的

TLS协议可以分为两部分：

记录协议（Record Protocol）
通过使用客户端和服务端协商后的秘钥进行数据加密传输。

握手协议（Handshake Protocol）
客户端和服务端进行协商，确定一组用于数据传输加密的秘钥串。

握手过程

• 步骤 1. ClientHello – 客户端发送所支持的 SSL/TLS 最高协议版本号和所支持的加密算法集合及压缩方法集合等信息给服务器端。

• 步骤 2. ServerHello – 服务器端收到客户端信息后，选定双方都能够支持的 SSL/TLS 协议版本和加密方法及压缩方法，返回给客户端。

• 步骤 3（可选）. SendCertificate – 服务器端发送服务端证书给客户端。

• 步骤 4（可选）. RequestCertificate – 如果选择双向验证，服务器端向客户端请求客户端证书。

• 步骤 5. ServerHelloDone – 服务器端通知客户端初始协商结束。

• 步骤 6（可选）. ResponseCertificate – 如果选择双向验证，客户端向服务器端发送客户端证书。

• 步骤 7. ClientKeyExchange – 客户端使用服务器端的公钥，对客户端公钥和密钥种子进行加密，再发送给服务器端。

• 步骤 8（可选）. CertificateVerify – 如果选择双向验证，客户端用本地私钥生成数字签名，并发送给服务器端，让其通过收到的客户端公钥进行身份验证。

• 步骤 9. CreateSecretKey – 通讯双方基于密钥种子等信息生成通讯密钥。

• 步骤 10. ChangeCipherSpec – 客户端通知服务器端已将通讯方式切换到加密模式。

• 步骤 11. Finished – 客户端做好加密通讯的准备。

• 步骤 12. ChangeCipherSpec – 服务器端通知客户端已将通讯方式切换到加密模式。

• 步骤 13. Finished – 服务器做好加密通讯的准备。

• 步骤 14. Encrypted/DecryptedData – 双方使用客户端密钥，通过对称加密算法对通讯内容进行加密。

• 步骤 15. ClosedConnection – 通讯结束后，任何一方发出断开 SSL 连接的消息。