SSL/TLS协议简介

目录

[1 概述](#1 概述)

[2 主要功能](#2 主要功能)

[3 技术演化](#3 技术演化)

[3.1 明文时代](#3.1 明文时代)

[3.2 对称加密时代](#3.2 对称加密时代)

[3.3 非对称加密时代](#3.3 非对称加密时代)

[3.4 公证时代](#3.4 公证时代)

[2.5 SSL/TLS协议时代](#2.5 SSL/TLS协议时代)

[4 组件协议](#4 组件协议)

[4.1 握手协议（Handshake Protocol）](#4.1 握手协议（Handshake Protocol）)

[4.2 加密协议（Record Protocol）](#4.2 加密协议（Record Protocol）)

[4.3 警报协议（Alert Protocol）](#4.3 警报协议（Alert Protocol）)

[5 主要应用](#5 主要应用)

[6 Python示例](#6 Python示例)

[6.1 服务器端代码 (server.py)](#6.1 服务器端代码 (server.py))

[6.2 客户端代码 (client.py)](#6.2 客户端代码 (client.py))

[6.3 生成自签名的证书](#6.3 生成自签名的证书)

[6.4 测试](#6.4 测试)

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1 概述

SSL（Secure Sockets Layer） 是一种网络安全协议，用于在互联网中保护数据的传输。SSL 协议最初由网景公司（Netscape）开发，旨在为通过互联网传输的数据提供加密保护。由于 SSL 协议存在一些安全问题，它在 1999 年被其继任者 TLS（Transport Layer Security） 取代。尽管 TLS 是 SSL 的继任者，但 SSL 和 TLS 常常被统称为 SSL/TLS，尤其在日常用语中。

直白点说，就是在明文的上层和TCP层之间加上一层加密，这样就保证上层信息传输的安全。如HTTP协议是明文传输，加上SSL层之后，就有了雅称HTTPS。它存在的唯一目的就是保证上层通讯安全的一套机制。

2 主要功能

• 加密：SSL/TLS 使用加密算法确保数据在传输过程中不会被窃取或篡改。加密使得数据只能由授权的接收者解密和读取。

• 认证：SSL/TLS 通过证书验证通信双方的身份，确保数据的接收者和发送者都是合法的。

• 数据完整性：SSL/TLS 使用消息认证码（MAC）来检测数据在传输过程中是否被篡改，确保数据的完整性。

3 技术演化

熟悉一套技术的演化过程，比直接看最新版本，更容易理解。

3.1 明文时代

Bob向Alice发送信息，直接以明文形式发送。

缺点显而易见，第三方黑客很容易就窃取到信息，也可以进行篡改后发给Alice，而且Alice收到后并不知情，以为是Bob发来的。

3.2 对称加密时代

Bob和Alice保存一份相同的秘钥，Bob发出的信息先经过加密，Alice收到后使用同样的密码进行解密。这种加密和解密使用同一个密钥的算法称为对称加密算法。

短期内黑客对加密数据无能为力，但是每次变更秘钥需要事先协商，如果协商出问题，Bob告知Alice新秘钥时，秘钥被黑客截取，那后续的密文对黑客来说，他也可以解密成明文。也可以篡改明文信息后，再使用同样的密钥加密后发给Alice。

3.3 非对称加密时代

既然进行密钥交换存在风险，Bob和Alice采用非对称加密算法。双方各自保存私钥、公钥，两者配对，私钥自己保存，公钥由私钥运算生成发给对方，不能由公钥反推算出私钥；但是使用公钥加密的密文，却可以使用私钥解密；使用私钥签名，使用公钥验证；这种加密和解密使用不同的密钥的算法成为非对称加密算法。

通信前，双发先将自己的公钥发给对方，私钥保密；Bob先使用Alice提供的公钥加密数据，同时也使用自己的私钥进行签名标记，一起打包后发给Alice，Alice使用自己的私钥进行解密，再使用Bob的公钥进行验证，确认收到的信息是否来自Bob。

这种形式的加密通信，协商传输的是公钥，即使被黑客截取，他也不能解密后续的信息，因为解密得使用私钥。

但是百密一疏，如果黑客在最初交互公钥时，截取公钥，把Bob发给Alice的公钥截取，把自己的假公钥发给Alice；截取Alice发出的数据，黑客用自己的私钥解密，然后再使用自己的私钥加密后发给Bob。

整了这么复杂的一套加密协议，结果还是存在隐患。

3.4 公证时代

问题就出在公钥交换，Alice收到一份公钥，如何证明这公钥确实是Bob发出的？譬如买房，只有房管局确认盖章导入系统的房产证，才是真的房产证，才能放心进行交易。通过CA（Certificate Authority）证书颁发机构来保证公钥的真实性，为公钥的真实性进行担保公证。

CA也是基于非对称加密算法，Bob先先把自己的公钥交给CA，CA用自己的私钥加密这些数据，加密完的数据称为Bob的数字证书，先前Bob发给Alice的公钥，改为发送CA加密之后的数字证书。Alice收到以后，通过CA发布的CA证书（包含了CA的公钥），来解密Bob的数字证书，从而获得Bob的公钥。

问题是Alice怎么确保CA证书不是黑客伪造的？CA证书是提前预置在浏览器或操作系统，或者嵌入式设备内，不需要联网获取，自然也不存在劫持篡改的问题。

虽然黑客还是可以拦截带公钥的数字签名证书，可以用CA公钥解密看到内容；但是他没CA的秘钥，无法伪造出正确的数字签名证书，也就是Bob的真实公钥黑客可见不可改，改了Alice会发现异常，但只有公钥并没什么价值。

2.5 SSL/TLS协议时代

公证时代的解决方案就是SSL/TLS协议加密通信基础。

因为使用非对称加密算法比对称加密算法要复杂，消耗运算资源，为考虑效率，非对称加密只会用来传递一条信息，即对称加密的密钥。对称加密的密钥确定，后续有效信息使用对称加密算法进行网络传输。既保证了网络通信的安全性，又不影响效率。

SSL/TLS协议的基本过程：

1、通过CA体系交换公钥

2、使用非对称加密算法，交换用于对称加密的密钥

3、有效数据使用对称加密算法，进行密文传输

前两步又称为"握手阶段"（handshake）,是SSL/TLS加密通信的基础。

4 组件协议

SSL/TLS 协议的架构主要包括以下几个组件：

4.1 握手协议（Handshake Protocol）

握手协议用于在客户端和服务器之间建立安全连接。握手协议的主要任务是协商加密算法、密钥和验证双方的身份。握手协议的过程包括以下步骤：

1. 客户端Hello：客户端发送一个 "Hello" 消息到服务器，包含客户端支持的 SSL/TLS 版本、加密套件（cipher suites）、会话 ID 等信息。

2. 服务器Hello：服务器回复一个 "Hello" 消息，选择一个加密套件并确认使用的 SSL/TLS 版本。服务器还会发送其证书，以便客户端进行身份验证。

3. 证书交换：服务器将其数字证书（通常由受信任的证书颁发机构签发）发送给客户端。客户端使用证书中的公钥来验证服务器的身份。

4. 密钥交换：客户端和服务器交换密钥信息以生成对称加密密钥。密钥交换可以通过多种方式进行，如 Diffie-Hellman 或 RSA。

5. 完成握手：双方交换 "Finished" 消息，确认握手过程已成功完成。此时，双方开始使用协商好的加密算法和密钥进行加密通信。

4.2 加密协议（Record Protocol）

加密协议用于在 SSL/TLS 会话中加密和解密实际传输的数据。它负责将应用层数据分割成块，进行加密，并在接收端解密。加密协议包括以下步骤：

1. 数据分块：将应用层数据分割成适当大小的数据块。

2. 加密：使用对称密钥对数据块进行加密，确保数据在传输过程中的机密性。

3. 数据传输：将加密的数据块发送到接收端。

4. 解密：接收端使用相同的对称密钥解密数据块，恢复原始数据。

4.3 警报协议（Alert Protocol）

警报协议用于在 SSL/TLS 连接中报告错误或异常情况。警报协议的消息包括：

• 警报消息：包含错误的详细信息，如解密失败、证书过期等。

• 关闭通知：用于正常关闭连接，告知对方即将断开连接。

5 主要应用

在SSL/TLS出现之前，很多应用层协议（http、ftp、smtp等）都存在着网络安全问题。最常见的http协议，在传输过程中使用的是明文信息，传输报文一旦被截获便会泄露传输内容；传输过程中报文如果被篡改，对方无法轻易发现；无法保证消息交换的对端身份的可靠性。为了解决此类安全问题，在应用层和传输层之间加入了SSL/TLS协议，升级为https。SSL/TLS目前已经广泛用于数据安全协议。关于SSL/TLS有很多开源软件包，如OpenSSL,mbedtls等。OpenSSL功能更强大，mbedtls小巧更适合嵌入式设备。

6 Python示例

以下是一个简单的Python SSL/TLS服务器和客户端的示例代码。

6.1 服务器端代码 (server.py)

import socket
import ssl
 
# 服务器端的SSL/TLS证书和私钥
certfile = 'server.crt'   # SSL/TLS证书文件
keyfile  = 'server.key'   # 私钥文件
 
# 创建TCP socket
tcp_server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
tcp_server_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
 
# 绑定地址和端口
tcp_server_socket.bind(('localhost', 10023))
tcp_server_socket.listen(5)
 
# 创建SSL/TLS socket
ssl_context = ssl.SSLContext(ssl.PROTOCOL_TLS_SERVER)
ssl_context.load_cert_chain(certfile, keyfile)
ssl_server_socket = ssl_context.wrap_socket(tcp_server_socket, server_side=True)
 
print("Waiting for client connection...")
while True:
    # 接受客户端连接
    client_socket, addr = ssl_server_socket.accept()
    print(f"Client connected: {addr}")
 
    # 接收客户端消息
    data = client_socket.recv(1024).decode()
    print(f"Client sent: {data}")
 
    # 发送响应到客户端
    client_socket.sendall(b"Hello, Client!")
 
    # 关闭客户端连接
    client_socket.close()

6.2 客户端代码 (client.py)

import socket
import ssl
 
# 服务器IP和端口
server_address = ('localhost', 10023)
 
# 创建一个socket
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
 
# 创建SSL套接字上下文
context = ssl.create_default_context()
 
# 连接到服务器
with context.wrap_socket(sock, server_hostname=server_address[0]) as s:
    s.connect(server_address)
    
    # 发送消息到服务器
    s.send(b'Hello from client!')
    
    # 接收服务器响应
    response = s.recv(1024)
    print('Received:', response.decode())

6.3 生成自签名的证书

在运行这些示例之前，你需要生成SSL/TLS证书。可以使用OpenSSL来生成自签名的证书，例如：

openssl req -new -x509 -days 365 -nodes -out server.crt -keyout server.key

6.4 测试

然后，运行服务器端 (python server.py)，随后运行客户端 (python client.py)，你将看到客户端和服务器之间通过SSL/TLS安全地传输数据。