传输层安全协议TLS——密码学概述

一、TLS1.3基础理论知识

TLS 1.3 是一种用于保障网络通信安全的协议，它是 TLS（Transport Layer Security）协议的最新版本。TLS 1.3 通过提供更强大的安全性、更快的握手过程和更好的性能来改进先前的版本。以下是 TLS 1.3 的一些关键知识点：

1. 握手协议的简化： TLS 1.3 的握手过程相较于 TLS 1.2 更为简化，减少了往返次数，提高了握手速度。在 TLS 1.3 中，只需要一轮往返（1-RTT）即可建立安全连接。

2. 支持零往返握手（0-RTT）： TLS 1.3 引入了 0-RTT 握手模式，允许客户端在第一次连接时发送数据，从而加速连接建立。但要注意，0-RTT 模式存在一些安全性的考虑，需要谨慎使用。

3. 强制使用 Perfect Forward Secrecy（PFS）： TLS 1.3 强制使用 PFS，确保每个会话都具有独一无二的密钥材料，即使长期密钥泄漏，也不会影响过去的通信安全。

4. 删除不安全的密码套件： TLS 1.3 移除了一些不安全的密码套件，例如弱的散列算法和对称加密算法。只支持安全性更高的算法，如 AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）。

5. 支持0-RTT重放保护： 为了防止 0-RTT 数据的重放攻击，TLS 1.3 引入了 PSK（Pre-Shared Key）绑定，确保 0-RTT 数据只能在特定的连接上被接受一次。

6. 更强大的密钥交换算法： TLS 1.3 引入了更现代的密钥交换算法，如基于椭圆曲线的 Diffie-Hellman（ECDHE）和有限域的 Diffie-Hellman（DHE）。

7. 强制使用数字签名： TLS 1.3 强制使用数字签名算法，包括支持的哈希函数和公钥密码算法，以提高通信的完整性和可验证性。

8. 支持更多的密码套件： TLS 1.3 提供了更多密码套件的选择，以适应不同的安全性和性能需求。

9. 提高隐私保护： 通过删除不必要的握手消息，减少了泄漏客户端和服务器信息的风险，提高了通信的隐私保护。

总体而言，TLS 1.3 引入了许多安全性和性能上的改进，使得加密通信更为快速和可靠。在实际应用中，推荐尽早迁移到 TLS 1.3，以提高通信的安全性。

二、TLS机密性

TLS 1.3 在机密性方面引入了多项改进，主要体现在加密算法、握手过程、以及密钥交换等方面：

1. 前向保密性（Forward Secrecy）： TLS 1.3 强制使用前向保密性，确保每个会话都有独一无二的密钥材料。即使长期密钥泄漏，也不会对过去的通信产生影响。这是通过使用 Ephemeral Diffie-Hellman（ECDHE）或有限域的 Diffie-Hellman（DHE）密钥交换算法实现的。

2. 更强大的对称加密算法： TLS 1.3 引入了 Authenticated Encryption with Associated Data（AEAD）模式，支持更安全的对称加密算法，如 AES-GCM 和 ChaCha20-Poly1305。这些算法提供了认证和加密，并且在 TLS 1.3 中成为默认的加密算法。

3. 删除不安全的密码套件： TLS 1.3 移除了一些不安全的密码套件，包括弱的散列算法和对称加密算法，以提高整体的机密性。

4. 零往返握手（0-RTT）的保护： 0-RTT 握手模式允许客户端在第一次连接时发送数据，以加速连接建立。为了保护免受重放攻击，TLS 1.3 引入了 PSK（Pre-Shared Key）绑定，确保 0-RTT 数据只能在特定的连接上被接受一次。

5. 数字签名的强制使用： TLS 1.3 强制使用数字签名算法，包括支持的哈希函数和公钥密码算法，以提高通信的完整性和可验证性。

6. 密钥交换的优化： TLS 1.3 改进了密钥交换的方式，使用更现代的 Diffie-Hellman 算法，提高了密钥交换的安全性。

7. 隐私保护的提升： TLS 1.3 删除了一些不必要的握手消息，减少了可能泄漏客户端和服务器信息的风险，提高了通信的隐私保护。

综合来看，TLS 1.3 在多个方面提高了机密性，强制使用更安全的加密算法和协议设计，以适应不断演进的安全威胁和攻击手法。

三、TLS1.3 密钥配送

TLS 1.3 使用了一种先进的密钥协商机制，主要通过 Diffie-Hellman 密钥交换算法和预共享密钥来实现密钥配送。以下是 TLS 1.3 密钥配送的主要机制：

1. Ephemeral Diffie-Hellman（ECDHE）： 对于普通的服务器认证和密钥交换，TLS 1.3 使用 Ephemeral Diffie-Hellman 密钥交换算法。这意味着客户端和服务器在每个握手过程中都会生成一次性的 Diffie-Hellman 公私钥对，用于交换密钥材料。这样的设计提供了前向保密性，即使长期密钥泄漏，之前的通信也仍然是安全的。

2. 有限域的 Diffie-Hellman（DHE）： 当使用 ECDHE 不太适用或不可用时，TLS 1.3 还支持有限域的 Diffie-Hellman（DHE）密钥交换。与 ECDHE 类似，DHE 也提供了前向保密性，但由于使用了更大的数学问题，可能会导致一些性能开销。

3. 预共享密钥（PSK）： TLS 1.3 引入了预共享密钥的概念，允许客户端和服务器在握手之前共享一些密钥材料。这种情况下，握手可以使用这些预共享密钥（PSK）进行快速的重连接，以及在 0-RTT 模式中允许客户端在第一次连接时发送数据。

4. 安全性参数的交换： 在握手的过程中，客户端和服务器还会交换其他安全性参数，包括所选的加密算法、哈希函数、数字签名算法等。这确保双方在握手完成后都具备相同的加密套件和协议参数。

整体而言，TLS 1.3 使用先进的密钥协商机制，通过 ECDHE 和 DHE 提供前向保密性，通过 PSK 允许更快的连接建立。这样的设计有助于提高密钥配送的安全性和性能。

四、TLS1.3 消息完整性

TLS 1.3 通过使用加密算法和消息认证码（MAC）来保障通信的消息完整性。以下是 TLS 1.3 中保障消息完整性的主要机制：

1. 加密算法： TLS 1.3 强制使用 Authenticated Encryption with Associated Data（AEAD）模式的加密算法，例如 AES-GCM 和 ChaCha20-Poly1305。这些加密算法不仅提供加密功能，还通过认证数据（Associated Data，AD）确保消息的完整性。如果消息在传输过程中被篡改，解密时会导致认证失败，从而保护消息的完整性。

2. HMAC（Hash-based Message Authentication Code）： 在握手过程中，TLS 1.3 使用 HMAC 算法生成 Finished 消息的认证码，确保握手完成消息的完整性。HMAC 使用所选的哈希函数（通常是 SHA-256 或 SHA-384）和密钥对消息进行认证。

3. 数字签名： 在握手过程中，服务器证书通常会包含服务器的公钥和数字签名。客户端通过验证数字签名来确保服务器证书的完整性。类似地，服务器可以要求客户端提供数字签名以验证客户端身份。

4. 安全参数的交换： 在握手过程中，客户端和服务器会交换一系列安全参数，包括所选的加密算法、哈希函数和数字签名算法等。这确保双方使用相同的参数来保障通信的完整性。

总体而言，TLS 1.3 使用现代的加密算法和认证机制来保障通信的消息完整性。通过使用 AEAD 加密算法，TLS 1.3 不仅提供了机密性，还同时保护了消息的完整性，从而增强了通信的安全性。

五、TLS1.3 身份验证与中间人攻击

TLS 1.3 使用公开密钥基础设施（PKI）和数字证书来进行身份验证，以防范中间人攻击。以下是 TLS 1.3 中身份验证和防范中间人攻击的主要机制：

1. 数字证书： 在 TLS 1.3 中，服务器通常会提供数字证书，其中包含了服务器的公钥和相关信息。客户端使用这个证书验证服务器的身份。数字证书由可信的证书颁发机构（CA）签发，客户端会检查证书的有效性和是否与目标服务器的域名匹配。

2. 证书链验证： 服务器证书通常包含一个证书链，包括服务器证书和中间 CA 证书。客户端会验证证书链的每个部分，确保其有效性，直至根证书。这确保了整个证书链的信任。

3. 在线证书状态协议（OCSP）： 客户端可以使用 OCSP 来检查服务器证书的实时状态。OCSP 允许客户端查询 CA 以获取证书的撤销状态。这有助于防范使用已撤销证书的中间人攻击。

4. 预共享密钥（PSK）： 当使用 PSK 时，客户端和服务器之间共享一些密钥材料。这个密钥材料可以用于验证双方的身份，防范中间人攻击。PSK 的使用还可以提供更快的连接建立。

5. TLS 1.3 的 0-RTT 模式： 0-RTT 模式允许客户端在第一次连接时发送数据，以提高连接速度。但为了防范重放攻击，0-RTT 模式引入了 PSK 绑定，确保 0-RTT 数据只能在特定的连接上被接受一次。

通过这些机制，TLS 1.3 提供了强大的身份验证和防范中间人攻击的能力。使用数字证书、证书链验证和在线证书状态协议等技术，TLS 1.3 构建了一个可信任的通信环境，确保客户端和服务器的身份是合法的，从而减缓中间人攻击的风险。