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分类: 网络与安全

2016-06-07 16:56:16

SSL协议的身份认证和对称加密密钥的协商

 TSL协议交互过程

TSL的身份认证和密钥协商大致过程如下(下面只考虑新建会话的情况,而不考虑重启存在会话的情况):

Step1:客户端往服务器端发ClientHello消息

消息特点:该消息是客户端连接服务器端时发送的第一个消息。

消息构成:

(1).   使用的TLS协议版本。

(2).    随机数;用于计算对称加密时的“主密码”。

(3).   会话ID;重连时有用,可为空。

(4).   加密算法列表;客户端支持的加密算法列表,并按照客户端的偏好从前往后排。

(5).   压缩算法列表;客户端支持的压缩算法列表,并按照客户端的偏好从前往后排。

(6).   扩展信息。

消息作用:用于发起会话、交换随机数、协商加密算法、压缩算法等。

 

Step2:服务器端验证ClientHello消息,主要验证:

(1)   消息格式是否合法;

(2)   能否至少支持客户端所列举的一个加密算法和一个压缩算法等。

验证不通过则发送消息断开会话,验证通过则执行下一步。

 

Step3:服务器往客户端发送ServerHello消息。

消息特点:该消息是服务器收到ClientHello后返回给客户端的第一个消息。

消息构成:

(1).   使用的TLS协议版本。

(2).    随机数;用于计算对称加密时的“主密码”(这个随机数是服务器发送给客户端的,跟第一步骤的随机数不同,第一个是客户端发送给服务的)

(3).   一个加密算法;服务器从客户端的加密算法列表中选中的一个加密算法。

(4).   一个压缩算法;服务器从客户端的压缩算法列表中选中的一个压缩算法。

(5).    会话ID;新建的唯一的会话ID

(6).   扩展信息。

消息作用:用于交换随机数、确定加密算法、压缩算法等。

 

Step4:服务器往客户端发送Certificate消息。

消息特点:该消息必须在ServerHello发送完后立即发送。如果是匿名协商,则无须发该消息。

消息构成:

(1).   证书列表;服务器的证书必须为证书列表的第一个,其后为签发服务器证书的证书,依次类推,最后一个证书为根证书签署的证书。根证书不在证书列表中,它是通过其他途径给到客户端的。(好多时候是浏览器预装好的)

消息作用:发送服务器证书,或者证书链。

 

Step5:服务器往客户端发送ServerKeyExchange消息。

消息特点:

(1).   该消息必须在Certificate发送完后立即发送(如果是匿名协商,则该消息紧跟在ServerHello后)。

(2).    该消息只有当Certificate消息无法提供足够信息让客户端完成“预主密码”交换时才需要。

 

消息构成:

(1).   密钥交换算法

消息作用:该消息用于发送密钥交换算法给客户端。客户端可利用这些算法和服务器端完成“预主密码”的交换。

 

Step6:服务器往客户端发送CertificateRequest消息。

消息特点:

(1).    非匿名的服务器可通过该消息来要求客户端发送证书验证其身份。

(2).   如果发送该消息则该消息在ServerKeyExchange发送完后立即发送(如果该次交互不发送ServerKeyExchange,则该消息紧跟Certificate消息)

消息构成:

(1).   证书类型列表;客户端的证书类型必须是证书类型列表中一种。

(2).   签名和哈希算法列表;列举服务器所支持的签名算法和哈希算法。

(3).   CA名字列表;服务器只接受的列表中所列出的CA所发行的证书,其他证书无法验证。

消息作用:请求客户端发送证书验证其身份。(只有双向认证才需要,即服务器也需要认证客户端)

 

Step7:服务器往客户端发送ServerHelloDone消息。

消息特点:

消息构成:

(1).   无消息内容。

消息作用:该消息用来告诉客户端ServerHello以及附属消息都已发送完毕。发完该消息后服务器等待客户端消息。

 

Step8:客户端往服务器端发送ClientCertificate消息。

消息特点:

(1).    该消息仅当收到服务器CertificateRequest时才发送,即服务器要求验证客户端。

(2).   如果发送该消息,则该消息必须是客户端收到ServerHelloDone消息后发往服务器的第一个消息。

消息构成:

(1).   证书列表。

消息作用:发送客户端证书让服务器认证。(只有双向认证才需要,即服务器也需要认证客户端)

 

 

Step9:客户端往服务器端发送ClientKeyExchange消息。

消息特点:

(1).   如果有ClientCertificate消息,则该消息必须紧跟其后发送;如果无ClientCertificate消息,则该消息是收到ServerHelloDone消息后发往服务器的第一个消息。

(2).   消息用RSA算法或者 Diffie-Hellman参数来协商预主密码。

(3).    采用RAS加密的协商预主密码时,先生成一个长的随机数,由该随机数和客户端的TSL版本号构成一个结构体,用服务器证书的公钥(从服务器证书获得)对结构体进行加密,并把加密后的数据发给服务器。

(4).   Diffie-Hellman参数协商比较复杂,暂不讨论。

消息构成:因加密算法而异。

消息作用:协商预主密码

 

Step10:客户端往服务器端发送CertificateVerify消息。

消息特点:

(1).   该消息只有当客户端证书有签名能力时(Tenfy:即有客户端证书,且证书是公钥和私钥都有的)发送,其它情况不发送(不含固定Diffie-Hellman参数的证书都有签名能力)。

(2).   该消息必须在ClientKeyExchange发送完后立即发送。

(3).   该消息采用客户端证书中的私钥信息进行加密

消息构成:

(1).   把该消息之前的所有消息作为参数,用私钥对其进行签名得出一份数据,该数据即为消息体。

消息作用:通过签名方式,验证客户端身份。

 

Step 11:服务器用服务器私钥解密ClientKeyExchange消息得 “预主密码”。服务器和客户端用相同的算法计算“主密码”。主密码计算是根据预主密码、ClientHello中的随机数、ServerHello中的随机数得到的。计算好主密码后双方各向对方发送一个ChangeCipherSpec消息:

消息特点:

(1).   该消息必须在所有握手消息发送完之后,在Finished消息发送之前发送。

(2).   该消息必须在接收完所有握手消息之后,在接收Finished消息之前收到。

消息构成:

(1).   确认消息。

消息作用:确认采用刚才协商好的压缩算法、加密算法、主密码等来传输后继数据。

 

Step12:任意一方收到ChangeCipherSpec消息后告诉自己的Record Layer由读等待状态转为读状态,并采用新方式来传递数据。并往另外一端往发送Finished消息。

消息特点:

(1).   该消息是收到ChangeCipherSpec后立即发送的。

(2).    该消息是首次采用刚才协商好的压缩算法、加密算法、主密码等来传输的数据。

消息构成:

(1).   把前面大部分的握手消息作为参数,用相同的算法计算得到的一个值。

消息作用:完成压缩算法、加密算法等的协商,开始转入应用层数据传输。   

 

Step13:双方验证收到的消息,验证通过则开始应用层数据传输,否则断开。

 

TSL通讯时分为单向认证和双向认证。单向认证时只需要服务器端拥有证书(公钥是证书的一部分)和私钥,其中证书公开,私钥自己保管;双向加密时需要服务器和客户端都提供证书和私钥,证书都公开,私钥都自己保管。这两个对证书、私钥对无必然联系,实际编程时把它们作为两对独立的证书、私钥对来处理。

单向认证时,服务器端不会验证客户证书。故服务器无须发送CertificateRequest消息请求客户端证书,客户端无须发与证书相关的ClientCertificate和CertificateVerify消息。

 

4.5.2. TSL协议中的消息验证

通讯过程中必须严格按上述说明来发送和接收消息。接收方接收消息后一旦发现:(1)消息遗漏,(2) 消息次序不对,(3) 消息格式(如加密格式)有误,(4) 消息内容有误,(5) 自身致命错误等,接收方立即通过Alert Protocol往发送方发送ErrorAlert消息,告诉对方终止此次会话。如果是能容忍的错误,则不发任何消息,以免对方主动断开会话。

若干重要验证说明:

1.        客户端验证服务器的Certificate消息。主要验证内容为:

(1).    服务器证书使用日期是否有效。

(2).    发行服务器证书的CA是否可靠。

(3).    发行者的公钥能否解开服务器证书上的“发行者数字签名”。

(4).    服务器证书上的名称(如域名)是否和服务器实际名称匹配等(PHP中可以选择是否验证该选项)。

(Tenfy: 这里可以看出,客户端验证服务的时候,只需要验证对应服务器证书的有效性即可,无需验证对应服务器是否拥有跟该证书一致的私钥)

 

 

2.        服务器验证客户端的CertificateVerify消息。主要验证内容为:

(1).    用客户端公钥能否解开客户端私钥加密的消息。

(Tenfy:服务器验证客户端时候,还需要验证是否拥有跟证书对应的私钥)

 

3.        服务器验证客户端的ClientCertificate消息。主要验证内容为:

(1).    客户的证书使用日期是否有效。

(2).    为客户提供证书的CA 是否可靠。

(3).    发行CA 的公钥能否正确解开客户证书的发行CA的数字签名。

(4).    检查客户的证书是否在证书废止列表(CRL)中。


附:常见的证书格式

1.1. PEM 

Openssl使用PEM(RFC 1421-1424)文档格式。PEM全称是PrivacyEnhanced Mail,该标准定义了加密一个准备要发送邮件的标准。它的基本流程是这样的:

1、信息转换为ASCII码或其它编码方式;

2、使用对称算法加密转换了的邮件信息;

3、使用BASE64对加密后的邮件信息进行编码;

4、使用一些头定义对信息进行封装,这些头信息格式如下(不一定都需要,可选的):

Proc-Type,4:ENCRYPTED

DEK-Info:cipher-name, ivec

其中,第一个头信息标注了该文件是否进行了加密,该头信息可能的值包括ENCRYPTED(信息已经加密和签名)、MIC-ONLY(信息经过数字 签名但没有加密)、MIC-CLEAR(信息经过数字签名但是没有加密、也没有进行编码,可使用非PEM格式阅读)以及CLEAR(信息没有签名和加密并 且没有进行编码,该项好象是openssl自身的扩展,但是并没有真正实现);;第二个头信息标注了加密的算法以及使用的ivec参量,ivec其实在这 儿提供的应该是一个随机产生的数据序列,与块加密算法中要使用到的初始化变量(IV)不一样。

5、在这些信息的前面加上如下形式头标注信息:

-----BEGINPRIVACY-ENHANCED MESSAGE-----

在这些信息的后面加上如下形式尾标注信息:

-----ENDPRIVACY-ENHANCED MESSAGE-----

上面是openssl的PEM文件的基本结构,需要注意的是,Openssl并没有实现PEM的全部标准,它只是对openssl中需要使用的一些选项做了实现,详细的PEM格式,请参考RFC1421-1424。

The Public-KeyCryptography Standards (PKCS)是由美国RSA数据安全公司及其合作伙伴制定的一组公钥密码学标准,其中包括证书申请、证书更新、证书作废表发布、扩展证书内容以及数字签 名、数字信封的格式等方面的一系列相关协议。

1.2. PFX 

PFX(Personal Information Exchange)证书文件是采用PKCS(The Public-KeyCryptography Standards)标准生成的证书。PKCS是由美国RSA数据安全公司及其合作伙伴制定的一组公钥密码学标准,其中包括证书申请、证书更新、证书作废 表发布、扩展证书内容以及数字签名、数字信封的格式等方面的一系列相关协议。

PFX文件通常包含一个证书和与之对应的私钥,现阶段证书采用PKCS #12 标准[14]。这类文件是高度敏感的,在导出密钥对时,Windows 提供用密码加密 .pfx 文件;而在导入密钥对时,您必须再次提供此密码方可导入。

1.3. CER 

扩展名为 .cer 的文件采用 X.509v3 格式ASN.1 ,并由CA签名。这些文件中包含着一个公钥和额外的信息。这些文件一般用来提供给业务合作伙伴,以便他们能够使用公钥加密数据。

1.4. Java Key Store

Java Key Store(JKS)是Java语言中给出的一种密码保护的文件,可存储密钥和证书。JKS文件好比一个仓库,为防范别人随便乱拿,仓库可以设置一把锁, 即JKS文件的密码(storepass)。仓库里可存放多种密钥,如公钥、私钥和密钥对(由配对公钥和私钥组成)。每个密钥都有一个名字,称为别名 (alias)。仓库里的公钥只要你能进入仓库你就可以随便查看拿走,私钥则是有密码的(keypass),只允许有权限的人查看拿走。所以从JKS文件 中读取公钥只需要知道JKS文件(仓库)的密码即可,但读取私钥时则还必须有私钥的密码[1]。

 转自:http://blog.csdn.net/tenfyguo/article/details/40958727

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