SSL/TLS 雙向認證(一) -- SSL/TLS工作原理
一: SSL/TLS介紹
什麼是SSL,什麼是TLS呢？官話說SSL是安全套接層(secure sockets layer)，TLS是SSL的繼任者，叫傳輸層安全(transport layer security)。說白點，就是在明文的上層和TCP層之間加上一層加密，這樣就保證上層資訊傳輸的安全。如HTTP協議是明文傳輸，加上SSL層之後，就有了雅稱HTTPS。它存在的唯一目的就是保證上層通訊安全的一套機制。它的發展依次經歷了下面幾個時期，像手機軟體升級一樣，每次更新都新增或去除功能，比如引進新的加密演算法，修改握手方式等。 SSL1.0: 已廢除 SSL2.0: RFC6176,已廢除 SSL3.0: RFC6101,基本廢除 TLS1.0
二: CA & SSL Server & SSL Client 介紹
如何保證安全呢？你說安全就安全嗎，究竟是怎麼實現的呢？絕對安全嗎？ 哈，有人的地方就有江湖，有江湖的地方就沒有絕對的安全。但SSL/TLS確實可以極大程度保證資訊保安。下面根據圖一 SSL/TLS 工作流來一覽實現過程。
2.1 SSL/TLS 工作流
CA 的證書 ca.crt 和 SSL Server的證書 server.crt 是什麼關係呢？
2.2 單向認證雙向認證
何為SSL/TLS單向認證，雙向認證？ 單向認證指的是隻有一個物件校驗對端的證書合法性。 通常都是client來校驗伺服器的合法性。那麼client需要一個ca.crt,伺服器需要server.crt,server.key 雙向認證指的是相互校驗，伺服器需要校驗每個client,client也需要校驗伺服器。 server 需要 server.key 、server.crt 、ca.crt client 需要 client.key 、client.crt 、ca.crt
2.3 證書詳細工作流
2.4 SSL/TLS單向認證流程
(1)client_hello
客戶端發起請求，以明文傳輸請求資訊，包含版本資訊，加密套件候選列表，壓縮演算法候選列表，隨機數，擴充套件欄位等資訊，相關資訊如下：
- 支援的最高TSL協議版本version，從低到高依次 SSLv2 SSLv3 TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2，當前基本不再使用低於 TLSv1 的版本;
- 客戶端支援的加密套件 cipher suites 列表， 每個加密套件對應前面 TLS 原理中的四個功能的組合：認證演算法 Au (身份驗證)、金鑰交換演算法 KeyExchange(金鑰協商)、對稱加密演算法 Enc (資訊加密)和資訊摘要 Mac(完整性校驗);
- 支援的壓縮演算法 compression methods 列表，用於後續的資訊壓縮傳輸;
- 隨機數 random_C，用於後續的金鑰的生成;
- 擴充套件欄位 extensions，支援協議與演算法的相關引數以及其它輔助資訊等，常見的 SNI 就屬於擴充套件欄位，後續單獨討論該欄位作用。
(2).server_hello+server_certificate+sever_hello_done
- server_hello, 服務端返回協商的資訊結果，包括選擇使用的協議版本 version，選擇的加密套件 cipher suite，選擇的壓縮演算法 compression method、隨機數 random_S 等，其中隨機數用於後續的金鑰協商;
- server_certificates, 伺服器端配置對應的證書鏈，用於身份驗證與金鑰交換;
- server_hello_done，通知客戶端 server_hello 資訊傳送結束;
(3).證書校驗
- [證書鏈]的可信性 trusted certificate path，方法如前文所述;
- 證書是否吊銷 revocation，有兩類方式離線 CRL 與線上 OCSP，不同的客戶端行為會不同;
- 有效期 expiry date，證書是否在有效時間範圍;
- 域名 domain，核查證書域名是否與當前的訪問域名匹配，匹配規則後續分析;
(4).client_key_exchange+change_cipher_spec+encrypted_handshake_message
- client_key_exchange，合法性驗證通過之後，客戶端計算產生隨機數字 Pre-master，並用證書公鑰加密，傳送給伺服器;
- 此時客戶端已經獲取全部的計算協商金鑰需要的資訊：兩個明文隨機數 random_C 和 random_S 與自己計算產生的 Pre-master，計算得到協商金鑰; enc_key=Fuc(random_C, random_S, Pre-Master)
- change_cipher_spec，客戶端通知伺服器後續的通訊都採用協商的通訊金鑰和加密演算法進行加密通訊;
- encrypted_handshake_message，結合之前所有通訊引數的 hash 值與其它相關資訊生成一段資料，採用協商金鑰 session secret 與演算法進行加密，然後傳送給伺服器用於資料與握手驗證;
(5).change_cipher_spec+encrypted_handshake_message
- 伺服器用私鑰解密加密的 Pre-master 資料，基於之前交換的兩個明文隨機數 random_C 和 random_S，計算得到協商金鑰:enc_key=Fuc(random_C, random_S, Pre-Master);
- 計算之前所有接收資訊的 hash 值，然後解密客戶端傳送的 encrypted_handshake_message，驗證資料和金鑰正確性;
- change_cipher_spec, 驗證通過之後，伺服器同樣傳送 change_cipher_spec 以告知客戶端後續的通訊都採用協商的金鑰與演算法進行加密通訊;
- encrypted_handshake_message, 伺服器也結合所有當前的通訊引數資訊生成一段資料並採用協商金鑰 session secret 與演算法加密併發送到客戶端;
(6).握手結束
客戶端計算所有接收資訊的 hash 值，並採用協商金鑰解密 encrypted_handshake_message，驗證伺服器傳送的資料和金鑰，驗證通過則握手完成;
(7).加密通訊
開始使用協商金鑰與演算法進行加密通訊。
2.5 實際wireshark分析
2.6 SSL/TLS雙向認證流程
和單向認證幾乎一樣，只是在client認證完伺服器證書後，client會將自己的證書client.crt傳給伺服器。伺服器驗證通過後，開始祕鑰協商。
實際wireshark分析：
和單向認證一樣: 我們搭建的SSL/TLS伺服器是192.168.111.100,client是192.168.111.101. client 需要認證 server的合法性，server也需要認證client的合法性！ 我們只看 TLSv1.1 的資料包： 第一包(No. 55) Client Hello 包，即SSL/TLS單向認證流程的(1) 第二包(No. 57) Server Hello 包，包含伺服器證書等。即SSL/TLS單向認證流程的(2) 第三包(No. 60) 伺服器證書驗證完成，同時傳送客戶端的證書client.crt ,同時包含client key exchange+change cipher spec + encrypted handshake message.即SSL/TLS單向認證流程的(4) 第四包(No. 61)伺服器驗證客戶端證書的合法性。通過後進行祕鑰協商，change cipher spec + encrypted hanshake message.即SSL/TLS單向認證流程的(5) 重傳包(No. 62)由於網路原因，TCP重傳第No. 60包。 第五包(No. 64)握手完成。開始上層資料傳輸。SSL/TLS單向認證流程的(7)
2.7 證書等格式說明
crt/key/req/csr/pem/der等拓展名都是什麼東東？ 1) .crt 表示證書, .key表示私鑰, .req 表示請求檔案,.csr也表示請求檔案, .pem表示pem格式，.der表示der格式。 檔案拓展名你可以隨便命名。只是為了理解需要而命名不同的拓展名。但檔案中的資訊是有格式的，和exe，PE格式一樣,證書有兩種格式。 pem格式和der格式。所有證書，私鑰等都可以是pem,也可以是der格式，取決於應用需要。 pem和der格式可以互轉:
openssl x509 -in ca.crt -outform DER -out ca.der //pem -> der
openssl x509 -inform der -in ca.der -out ca.pem // der -> pempem格式：經過加密的文字檔案，一般有下面幾種開頭結尾：
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
-----END RSA PRIVATE KEY-----
or:
-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
-----END CERTIFICATE REQUEST-----
or:
----BEGIN CERTIFICATE-----
-----END CERTIFICATE-----der格式: 經過加密的二進位制檔案。
2) 證書中含有 申請者公鑰、申請者的組織資訊和個人資訊、簽發機構 CA的資訊、有效時間、證書序列號等資訊的明文，同時包含一個簽名。如檢視百度證書詳細資訊。 a) 先下載百度證書 火狐瀏覽器訪問https://www.baidu.com/, 點選左上角綠色小鎖，點擊向右箭頭，點選更多資訊，點選檢視證書，點選詳細資訊，點選匯出。即可匯出百度的證書 baiducom.crt
b) 命令檢視證書詳細資訊
openssl x509 -noout -text -in baiducom.crt
詳細資訊中，有一個欄位： X509v3 Basic Constraints: CA: FALSE 該欄位指出該證書是否是 CA證書，還是一般性的非 CA 證書。詳細描述見 RFC5280#section-4.2.1.9，同時 RFC5280 也詳細描述證書工作方式等。
3) 私鑰加密，公鑰解密！
2.8 SSL/TLS和 Openssl,mbedtls是什麼關係？
SSL/TLS是一種工作原理，openssl和mbedtls是SSL/TLS的具體實現，很類似於 TCP/IP協議和socket之間的關係。
三: 本地生成SSL相關檔案
3.1 證書生成指令碼
我們自己本地使用 makefile.sh 指令碼建立一個CA(ca.crt + ca.key)，用這個CA給server和client分別頒發證書。
makefile.sh
# * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
# notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
# documentation and/or other materials provided with the distribution.
# * Neither the name of the axTLS project nor the names of its
# contributors may be used to endorse or promote products derived
# from this software without specific prior written permission.
#
# THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
# "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
# LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
# A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT OWNER OR
# CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
# SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED
# TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
# DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY
# OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING
# NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF
# THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
#
#
# Generate the certificates and keys for testing.
#
PROJECT_NAME="TLS Project"
# Generate the openssl configuration files.
cat > ca_cert.conf << EOF
[ req ]
distinguished_name = req_distinguished_name
prompt = no
[ req_distinguished_name ]
O = $PROJECT_NAME Dodgy Certificate Authority
EOF
cat > server_cert.conf << EOF
[ req ]
distinguished_name = req_distinguished_name
prompt = no
[ req_distinguished_name ]
O = $PROJECT_NAME
CN = 192.168.111.100
EOF
cat > client_cert.conf << EOF
[ req ]
distinguished_name = req_distinguished_name
prompt = no
[ req_distinguished_name ]
O = $PROJECT_NAME Device Certificate
CN = 192.168.111.101
EOF
mkdir ca
mkdir server
mkdir client
mkdir certDER
# private key generation
openssl genrsa -out ca.key 1024
openssl genrsa -out server.key 1024
openssl genrsa -out client.key 1024
# cert requests
openssl req -out ca.req -key ca.key -new \
-config ./ca_cert.conf
openssl req -out server.req -key server.key -new \
-config ./server_cert.conf
openssl req -out client.req -key client.key -new \
-config ./client_cert.conf
# generate the actual certs.
openssl x509 -req -in ca.req -out ca.crt \
-sha1 -days 5000 -signkey ca.key
openssl x509 -req -in server.req -out server.crt \
-sha1 -CAcreateserial -days 5000 \
-CA ca.crt -CAkey ca.key
openssl x509 -req -in client.req -out client.crt \
-sha1 -CAcreateserial -days 5000 \
-CA ca.crt -CAkey ca.key
openssl x509 -in ca.crt -outform DER -out ca.der
openssl x509 -in server.crt -outform DER -out server.der
openssl x509 -in client.crt -outform DER -out client.der
mv ca.crt ca.key ca/
mv server.crt server.key server/
mv client.crt client.key client/
mv ca.der server.der client.der certDER/
rm *.conf
rm *.req
rm *.srl 將上述程式碼儲存為makefile.sh 做如下修改，終端執行。
- 修改 CN 域中 IP 地址為你主機/裝置的 IP 地址 - [可選]加密位數 1024 修改為你需要的加密位數
將會看到：
ca目錄：儲存ca的私鑰ca.key和證書ca.crt certDER目錄:將證書儲存為二進位制檔案 ca.der client.der server.der client目錄: client.crt client.key server目錄:server.crt server.key
3.2 刪除指令碼
$./makefile.sh刪除指令碼rmfile.sh:
rm ca/ -rf
rm certDER/ -rf
rm client/ -rf
rm server/ -rf將上述程式碼儲存為rmfile.sh,終端執行，將會刪除產生過的目錄和檔案：
$./rmfile.sh3.3 CA校驗證書測試
我們可在本地使用 CA證書來分別校驗由自己頒發的伺服器證書 server.crt 和客戶端證書 client.crt .
$openssl verify -CAfile ca/ca.crt server/server.crt$openssl verify -CAfile ca/ca.crt client/client.crt