传输层安全---SSL

传输层安全

在传输层之上实现数据的安全传输是另一种安全解决方案。一般SSL都是可执行协议软件包的一部分，从而对应用是透明的，可以也。嵌入到特殊软件包中（IE浏览器都配置了SSL）。

SSL / TLS协议

1994年Netscape开发了安全套接层协议SSL（安全套接字层），专门用于保护Web通讯

版本和历史

• 1.0，不成熟
• 2.0，基本上解决了网络通讯的安全问题

      Microsoft公司发布了PCT（私人通信技术），并在IE中支持

• 3。0，1996年发布，增加了一些算法，修改了一些缺陷
• IETF内部成立传输层安全（TLS）工作组制定通用标准时，达成一致选择SSL.TLS 1.0（传输层安全性，也被称为SSL 3.1），1997年IETF发布草案，同时，Microsoft宣布放弃PCT，与Netscape一起支持TLS 1.0。1999年正式发布RFC 2246（The TLS Protocol v1.0）。

协议的设计目标

• 为两个通讯个体之间提供保密性和完整性（身份认证）
• 考虑互操作性，可扩展性，相对效率等

SSL体系结构

SSL协议的目标就是在通信双方利用加密的SSL信道建立安全的连接。它不是一个单独的协议，而是两层协议

• 一次会话从握手开始，协商双方**等参数信息;
• 握手完成时用密码变更规则协议发送密码变更规格消息;
• 利用开始记录协议封装应用数据进行通信;
• 通信中出现错误时，利用报警协议进行协调。

SSL两个主要的协议

SSL记录协议

• 建立在可靠的传输协议（如TCP）之上
• 它提供连接安全性，有两个特点

      保密性，使用了对称加密算法

      完整性，使用HMAC算法

• 用来封装高层的协议

SSL握手协议

• 客户和服务器之间相互鉴别
• 协商加密算法和**
• 它提供连接安全性，有三个特点

      身份鉴别，至少对一方实现鉴别，也可以是双向鉴别

      协商得到的共享**是安全的，中间人不能够知道

      协商过程是可靠的

1）SSL记录协议

①fragmentation

- 上层消息的数据被分片成214字节大小的块，或者更小

②compression（可选） - 必须是无损压缩。有时候数据量很少，压缩反而会增加数据，则增加部分的长度不超过1024字节

③MAC计算：

④加密

可供选择的加密算法

IDEA 128 RC-40 40

RC2-40 40 RC4-128 128

DES-40 40

DES 56

3DES 168

福尔泰扎80

⑤最后添加SSL控制头

SSL记录格式

1. ContentType-- 8位，上层协议类型【4种】：密码变更规格，报警，握手，应用数据
2. 主要版本Minnor版本 - 16位，主次版本
3. 压缩长度：16位 - 加密后数据的长度，不超过2 ^ 14 + 2048字节
4. EncryptedData片段; - 密文数据

SSL的有效载荷 - 封装的数据

有效载荷-即SSL里记录封装的上层数据有【4种】

①ChangeCipherSpec

只有1字节，值为1.用以将握手时的延迟状态转至当前状态，更新了在当前连接上的密码机制。     

②Alert

2字节第一个字节表明报警的等级（1 - 警告; 2 - 致命的）;第二个字节则是具体警告的编码。     

③handshake

1字节（握手消息的类型）3字节（握手消息的长度）+ N字节（本条握手消息的相关参数）     

④应用数据

上层应用数据

 

2）SSL握手协议

SSL握手协议在记录协议之上，记录协议是一种保密的数据封装，而记录协议加密用的**来自握手协议。

SSL握手消息是明文还是密文？

SSL握手消息前期是明文，握手协商过程中逐渐变为密文.SSL记录协议有了**后才能开始密文封装。

握手协议使用的消息

消息	参数
hello_request	空值
CLIENT_HELLO	版本，随机数，会话ID，密码参数，压缩方法
server_hello
证书	X.509 v3证书链
server_key_exchange	参数，签名
certificate_request	类型，CA的
server_done	空值
certificate_verify	签名
客户端**	参数，签名
完	哈希值

SSL握手协议的流程

第一阶段：建立起安全协商

①客户发送一个CLIENT_HELLO消息：

• 版本（版本）：客户端SSL最高版本
• 随机数（随机）：32位时间戳28字节随机序列
• 会话ID（会话ID）：一个会话状态对应一组参数
• 密码构件（CipherSuite）：客户支持的密码算法列表，包括**交换算法和密码算法等。以优先选用递减顺序给出。
• 压缩方法（Compression Mehod）：客户支持的压缩方法表然后，客户等待服务器的server_hello消息

②服务器发送server_hello消息：

包括客户建议的低版本以及服务器支持的最高版本，服务器产生的随机数，会话ID，**构件域，压缩域

• **构建域（服务器从客户建议的密码算法中挑出一套，包括包以下内容）

①**交换方法：RSA，固定/暂态/匿名的Diffie-Hellman，以及福尔泰扎方法

②CipherSpec：密码算法，MAC算法，密码类型（流/分组），可否出口，散列码大小，**材料（用于产生写**的数据），IV大小

• 压缩域包括

（服务器从客户建议的压缩方法中挑出一个）

第二阶段：服务器鉴别和**交换

• 以服务器发送自己的证书为标志，开始第二阶段，该消息包含一个X.509证书，或者一条证书链（可选的，除匿名的Diffie-Hellman交换之外的**交换方法都需要证书）
• 服务器发送server_key_exchange消息消息包含签名，被签名的内容包括两个随机数以及服务器参数。可选的，只有当服务器的证书没有包含必需的数据的时候才发送此消息
• 服务器发送certificate_request消息 - 可选的，非匿名服务器可以向客户请求一个证书 - 包含证书类型和Cas（可接收的认证机构名称列表）
• 服务器发送server_hello_done，然后等待应答

第三阶段：客户鉴别和**交换

• 客户收到server_done消息后，它根据需要检查服务器提供的证书，并判断server_hello的参数是否可以接受，如果都没有问题的话，发送一个或多个消息给服务器
• 如果服务器请求证书的话，则客户首先发送一个证书消息，若客户没有证书，则发送一个no_certificate警告
• 然后客户发送client_key_exchange消息，消息的内容取决于**交换的类型（若是RSA方式，客户端产生一个48字节的预备主**预先主**）
• 最后，若客户端证书具有签名功能，发送一个certificate_verify消息，该消息是对客户端启动CLIENT_HELLO后发送或接收到的所有握手协议消息填充MAC处理后进行的签名。

第四阶段：结束

• 第四阶段建立起一个安全的连接
• 客户发送一个change_cipher_spec（密码变更规格）消息，并把协商得到的密文拷贝到当前连接的状态之中
• 客户用新的算法，**参数发送一个完成消息，包括一个校验值，对所有握手以来的消息（不包括本消息）进行校验。该消息可以检查**交换和鉴别过程是否已经成功。
• 服务器同样发送change_cipher_spec消息和完成消息。
• 握手过程完成，客户和服务器可以交换应用层数据。

如何协商实现保密通信的

• 第一阶段，设CLIENT_HELLO给服务器提供的**交换方法有RSA方式：即用接收者公钥加***服务器也选择并回送server_hello。
• 第二阶段，服务器传递自己的证书（这以后就可以单方向加密了）
• 第三阶段，客户端的**交换消息中就可以用服务器的公钥将生成的**（预备主**KPRE）加密后发给服务器。（至此，双方都掌握了一个密秘信息K.这以后就可双方加密）
• 第四阶段，发送密码规格变更消息，双方确认一下。

 

关于双方共享的**

• 加密，鉴别很多地方需要**和秘密初始向量等，一个秘密KPRE是不够的。
• 第三阶段双方都知道KPRE后，各自会根据KPRE利用SSL设定的算法计算得到主**。然后按顺序从主**生成客户端写MAC**，服务器写MAC**，客户端写**，服务器端写**，客户端写初始向量IV，服务器端写初始向量IV。

 

思考整个过程

一次会话从握手开始，协商双方**等参数信息;

握手完成时用密码变更规则协议发送密码变更规格消息（双方都把会话，链接相关的参数存储在合适的位置）;

开始利用记录协议封装应用数据进行通信;

通信中出现错误时，利用报警协议进行协调。

SSL的两个重要概念

SSL会话（会话）

•  一个SSL会话是在客户与服务器之间的一个关联。会话由SSL握手协议创建。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。

SSL连接（连接）  

• 一个连接是一个提供一种合适类型服务的传输（OSI分层的定义）。  
• 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

SSL会话由握手协议创建，定义了一系列相应的安全参数，最终建立客户机和服务器之间的一个关联。对于每个SSL连接，可利用SSL会话避免对新的安全参数进行代码繁多协商。

。每个SSL会话都有许多与之相关的状态一旦建立了会话，就有一个当前操作状态.SSL会话状态参数包括：

（1）会话标志符（Session Identifier）用来确定活动或可回复的会话状态;

（2）对等实体证书（Peer Certificate），是对等实体X.509 v3证书;

（3）压缩方法（Compression Method）;

（4）加密规范（Cipher Spec）包括加密算法DES，3DES和IDEA等，消息摘要算法MD5和SHA-1等，以及相关参数;

（5）主密码（Master Secret），由客户机和服务器共享的密码;

（6）是否可恢复（可恢复）会话是否可用于初始化新连接的标志。

SSL连接

SSL连接是一个双向连接，每个连接都和一个SSL会话相关.SSL连接成功后，可以进行安全保密通信.SSL连接状态的参数包括7个：

（1）服务器和客户机随机数（Server and Client Random）：Server和Client为每一个连接所选择的字节序列。

（2）服务器写MAC秘密（Server Write MAC Secret）：一个**，用来对服务器送出的数据进行MAC操作。

（3）客户机写MAC秘密（Client Write MAC Secret）：一个**，用来对客户送出的数据进行MAC操作。

（4）服务器写**（Server Write Key）：用于服务器进行数据加密，客户端进行数据解密的对称保***。

（5）客户机写**（Client Write Key）：用于客户进行数据加密，服务器进行数据解密的对称保***;

（6）初始化向量（Initialization Vectors）：当数据加密采用CBC方式时，每一个**保持一个IV。该字段首先由SSL握手协议，以后保留每次最后的密文数据块作为IV。

（7）***（***）：每一方为每一个连接的数据发送与接收维护单独的顺序号。当一方发送或接收一个改变的密码规范消息时，序号置为0，最大264-1

对SSL攻击的启示

历史上有不少针对SSL的攻击，有的并不是SSL协议本身的缺陷，而是实现上导致的缺陷，一些启示：

• 随机数对于安全协议或者安全系统的重要性
• 对待错误消息如何响应Contiune？

      会不会招致DOS？返回精确的错误容易被分析

• 为防止明文模式被分析，可进行随机数填充

 

OpenSSL - 开发自己的支持SSL的应用

目前实现SSL / TLS的软件虽然不多，但都很优秀。除了SSL标准提出者网景实现的，OpenSSL的是一个非常优秀的实现SSL / TLS的开放源代码软件包，主要是作为提供SSL算法的函数库供其他软件调用而出现的，可给任何TCP / IP应用提供SSL功能。

1995年，Eric A. Young和Tim J. Hudson开始开发OpenSSL，后来不断发展更新，直到现在，SSL还在不断的修改和完善，新版本也不断的推出。最新的版本可以从OpenSSL的官方网站http ：//www.openssl.org下载。