消息队列篇--通信协议篇--SSL/TLS协议

概述：

SSL（Secure Sockets Layer）和TLS（Transport Layer Security）是用于在网络通信中提供安全性的加密协议。TLS是SSL的后继版本，目前广泛使用的主要是TLS协议。它们的主要功能包括加密通信、身份验证和数据完整性检查，确保数据在传输过程中不被窃听、篡改或伪造。

HTTPS就是基于SSL/TLS实现的加密传输。

主要功能：

1、加密：确保数据在传输过程中不被窃听。

2、身份验证：通过数字证书验证服务器的身份，防止中间人攻击。

3、完整性检查：通过消息认证码（MAC）确保数据未被篡改。

1、SSL和TLS的历史

• SSL（Secure Sockets Layer）：

  • SSL是由Netscape公司在1994年开发的第一个安全协议。
  • SSL 1.0版本从未公开发布，因为存在严重的安全漏洞。
  • SSL 2.0在1995年发布，但很快被发现有安全问题。
  • SSL 3.0在1996年发布，修复了SSL 2.0中的许多问题，但在2014年被发现存在POODLE漏洞，不再推荐使用。

• TLS（Transport Layer Security）：

  • TLS是IETF（Internet Engineering Task Force）基于SSL 3.0开发的标准协议。
  • TLS 1.0在1999 年发布，与SSL 3.0非常相似，但有一些改进。
  • TLS 1.1在2006年发布，增加了对填充长度攻击的防御。
  • TLS 1.2在2008年发布，引入了更强大的加密算法（如AES和SHA-256），并修复了许多已知的安全问题。
  • TLS 1.3在2018年发布，简化了握手过程，提高了性能，并增强了安全性。

2、SSL/TLS握手过程

SSL/TLS握手是客户端和服务器之间建立安全连接的过程。握手的目标是生成一个共享的秘密密钥（会话密钥），用于后续的加密通信。

具体步骤：
（1）、客户端发起请求

客户端向服务器发送一个"Client Hello"消息，包含以下信息：

• 支持的TLS版本。
• 支持的加密套件列表（Cipher Suites）。
• 客户端生成的一个随机数（Client Random）。
• 可选的支持扩展（如Server Name Indication, SNI）。

示例：

Client Hello:
    Version: TLS 1.2
    Cipher Suites: [TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256, ...]
    Client Random: <random bytes>
    Extensions: SNI (Server Name Indication)

（2）、服务器响应

服务器回应一个"Server Hello"消息，包含以下信息：

• 选择的TLS版本。
• 选择的加密套件（从客户端提供的列表中选择）。
• 服务器生成的一个随机数（Server Random）。
• 服务器的数字证书（包含公钥）。
• 可选的会话ID（用于会话恢复）。

示例：

Server Hello:
    Version: TLS 1.2
    Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256
    Server Random: <random bytes>
    Certificate: <server certificate with public key>

（3）、客户端验证证书

客户端验证服务器提供的数字证书，确保其真实性。验证步骤包括：

• 检查证书是否由受信任的 CA（Certificate Authority）签发。（即：使用CA的公钥验证签名）
• 检查证书的有效期。
• 检查证书是否已被吊销（通过CRL或OCSP）。

如果验证失败，握手终止；如果验证成功，继续下一步。

（4）、生成预主密钥

客户端生成一个预主密钥（Pre-Master Secret），并使用服务器的公钥对其进行加密，然后发送给服务器。

示例：

Client Key Exchange:
    Encrypted Pre-Master Secret: <encrypted pre-master secret>

（5）、计算会话密钥

• 客户端：使用Client Random、Server Random和Pre-Master Secret计算出会话密钥。
• 服务器：使用相同的Client Random、Server Random和Pre-Master Secret计算出会话密钥。

双方计算出的会话密钥相同，用于后续的加密通信。

（6）、完成握手

客户端和服务器交换"Finished"消息，确认握手成功。这些消息使用会话密钥进行加密，确保握手过程的完整性。

示例：

Client Finished:
    Encrypted Message: <encrypted finished message>

Server Finished:
    Encrypted Message: <encrypted finished message>

3、加密套件（Cipher Suites）

加密套件定义了在SSL/TLS握手中使用的具体加密算法。

每个加密套件由以下部分组成：

• 密钥交换算法：用于生成会话密钥（如RSA、ECDHE）。
• 对称加密算法：用于加密实际传输的数据（如AES、ChaCha20）。
• 消息认证码算法（MAC）：用于确保数据的完整性（如HMAC-SHA256）。
• 伪随机函数（PRF）：用于生成会话密钥。

常见的加密套件示例：

• TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256：
  • 密钥交换：ECDHE（椭圆曲线 Diffie-Hellman）
  • 数字签名：RSA
  • 对称加密：AES-128-GCM
  • MAC：SHA-256

4、数字证书

数字证书是由可信的第三方机构（CA，Certificate Authority）签发的电子文档，用于验证服务器的身份 。
（1）、证书包含以下信息

• 持有者信息：服务器的域名、组织名称等。
• 公钥：服务器证书的公钥。
• 签发者信息：签发证书的CA信息。
• 有效期：证书的有效时间范围。
• 签名：CA使用其私钥对证书内容进行签名，确保证书的真实性。

客户端在握手过程中会验证服务器的数字证书，确保其由可信的CA签发，并且未被篡改。

（2）、证书链

为了提高效率和安全性，CA通常会签发中间证书。客户端验证证书时，需要沿着证书链追溯到根证书。例如：

• 服务器证书：由中间CA签发。
• 中间证书：由根CA签发。
• 根证书：由全球可信的根CA签发，通常预装在操作系统或浏览器中。

5、通过openssl 生成证书示例

（1）、生成CA证书

命令示例：

openssl req -new -x509 -days 365 -nodes -out ca.pem -keyout ca-key.pem

作用解释：

• 这个命令生成了一个自签名的CA证书（ca.pem）和对应的私钥（ca-key.pem）。CA证书将用于签发服务器和客户端的证书。
• 服务端和客户端：CA证书本身不会直接用于服务端或客户端，但它用于验证服务器和客户端证书的真实性。客户端和服务端都需要信任这个CA证书。

命令参数解释：

• openssl req：这是OpenSSL的请求（Request）命令，用于生成证书签名请求（CSR）或直接生成自签名证书。
• -new：表示这是一个新的证书请求。
• -x509：表示生成的是一个自签名证书（X.509 格式），而不是证书签名请求（CSR）。自签名证书是不需要其他CA签发的证书，它自己就是自己的根证书。
• -days 365：指定证书的有效期为365天。你可以根据需要调整这个值。
• -nodes：表示私钥不进行加密（No DES）。如果不加这个选项，生成的私钥会要求输入密码进行加密。对于自动化部署或服务启动时，通常不希望每次都需要输入密码，因此使用-nodes选项。
• -out ca.pem：指定输出的自签名证书文件名为ca.pem。
• -keyout ca-key.pem：指定输出的私钥文件名为ca-key.pem。

简单理解下：

需要实现SSL（即网络加密通信），就需要在服务端和客户端都配置相关的证书。如果想要两个证书之间彼此能够信任，就要求两个证书都必须使用同一个CA证书进行签发。这样两个证书就可以彼此信任，两台机器就可以正常建立SSL连接了。

（2）、生成服务器证书

第一步：生成服务器的私钥和证书签名请求（CSR）
命令示例：

openssl req -newkey rsa:2048 -days 365 -nodes -keyout server-key.pem -out server-req.pem

作用：

• 这个命令生成了服务器的私钥（server-key.pem）和证书签名请求（server-req.pem）。CSR 是一个包含公钥和其他信息（如域名、组织名称等）的文件，用于向CA申请签发证书。

参数解释：

• openssl req：同上，用于生成证书签名请求（CSR）。
• -newkey rsa:2048：生成一个新的2048位RSA私钥。你可以根据需要选择不同的密钥长度（如4096位）。
• -days 365：指定证书的有效期为365天。
• -nodes：同上，表示私钥不进行加密。
• -keyout server-key.pem：指定输出的服务器私钥文件名为server-key.pem。
• -out server-req.pem：指定输出的证书签名请求（CSR）文件名为server-req.pem。

第二步：使用CA证书签发服务器证书
命令示例：

openssl x509 -req -in server-req.pem -days 365 -CA ca.pem -CAkey ca-key.pem -set_serial 01 -out server-cert.pem

作用：

• 这个命令使用CA证书和私钥对服务器的CSR进行签名，生成服务器的正式证书（server-cert.pem）。
• 服务端：服务器将使用server-cert.pem和server-key.pem来与客户端建立加密连接。客户端会验证服务器证书是否由可信的CA签发（即ca.pem）。

解释：

• openssl x509：这是OpenSSL的X.509证书处理命令，用于生成和操作X.509证书。
• -req：表示输入是一个证书签名请求（CSR），即server-req.pem。
• -in server-req.pem：指定输入的CSR文件为server-req.pem。
• -days 365：指定生成的服务器证书有效期为365天。
• -CA ca.pem：指定用于签发证书的CA证书为ca.pem。
• -CAkey ca-key.pem：指定用于签发证书的CA私钥为 ca-key.pem。
• -set_serial 01：为证书设置一个唯一的序列号。每个证书都应该有一个唯一的序列号，以确保其唯一性。这里使用01作为序列号，实际应用中可以根据需要递增。
• -out server-cert.pem：指定输出的服务器证书文件名为server-cert.pem。

（3）、生成客户端证书

第一步：生成客户端的私钥和证书签名请求（CSR）
示例：

openssl req -newkey rsa:2048 -days 365 -nodes -keyout client-key.pem -out client-req.pem

作用：

• 生成客户端的私钥和CSR，准备向CA申请签发客户端证书。

解释：

• 这个命令与生成服务器证书的第一步类似，生成了客户端的私钥（client-key.pem）和证书签名请求（client-req.pem）。

第二步：使用CA证书签发客户端证书
示例：

openssl x509 -req -in client-req.pem -days 365 -CA ca.pem -CAkey ca-key.pem -set_serial 01 -out client-cert.pem

作用：

• 客户端：客户端将使用client-cert.pem和client-key.pem来与服务器建立加密连接。服务器会验证客户端证书是否由可信的CA签发（即ca.pem）。
  解释：
• 这个命令与生成服务器证书的第二步类似，使用CA证书和私钥对客户端的CSR进行签名，生成客户端的正式证书（client-cert.pem）。

（4）、整体说明

从上面配置服务器的过程可以看出，签发服务器的过程都是一样的。

第一步都是先生成机器的私钥和CSR的请求文件（请求文件主要用于第二步配置CA证书）。

第二步，使用上一步的请求文件，生成正式的服务器证书。

两步执行后，最终给我们提供了适用于SSL连接的秘钥和客户端证书文件。

注意：

除了上诉手动创建和配置证书外，你也可以从商业证书颁发机构（如Let's Encrypt、DigiCert）购买SSL证书，以获得更高的信任度。

6、TLS 1.3的改进

TLS 1.3是TLS协议的最新版本，带来了多项改进，主要包括：

（1）、简化握手过程

TLS 1.3将握手过程简化为两个往返（2-RTT），而在某些情况下（如会话恢复）可以减少到一次往返（1-RTT）。这显著减少了握手延迟，特别是在高延迟网络中。

（2）、更强的加密算法

TLS 1.3强制要求使用现代加密算法，如AES-GCM、ChaCha20-Poly1305和SHA-256。它还禁止使用弱加密算法（如RC4、MD5）。

（3）、前向保密（Forward Secrecy）

TLS 1.3要求所有密钥交换算法必须支持前向保密，这意味着即使攻击者获得了服务器的长期私钥，也无法解密过去的通信记录。常用的前向保密算法包括ECDHE和DHE。

（4）、零往返时间（0-RTT）

TLS 1.3引入了0-RTT功能，允许客户端在第一次握手时缓存会话密钥，并在后续连接中直接使用该密钥发送数据，从而减少握手延迟。然而，0-RTT存在重放攻击的风险，因此仅适用于幂等操作（如GET请求）。

7、常见攻击及预防

（1）、中间人攻击（Man-in-the-Middle Attack, MITM）

中间人攻击是指攻击者拦截并篡改客户端和服务器之间的通信。防御措施包括：

• 使用HTTPS（TLS加密）确保通信的机密性和完整性。
• 验证服务器的数字证书，确保其由可信的CA签发。

（2）、降级攻击（Downgrade Attack）

降级攻击是指攻击者迫使客户端和服务器协商使用较弱的加密套件。TLS 1.3通过强制要求使用强加密算法，有效防御了此类攻击。

（3）、心脏出血漏洞（Heartbleed Bug）

心脏出血漏洞是OpenSSL实现中的一个严重漏洞，允许攻击者读取服务器内存中的敏感数据。该漏洞已在后续版本中修复。

（4）、POODLE攻击

POODLE攻击针对SSL 3.0的CBC模式加密，允许攻击者解密部分加密数据。建议禁用SSL 3.0，使用更安全的TLS版本。

8、总结

• SSL/TLS是用于在网络通信中提供安全性的加密协议，主要功能包括加密通信、身份验证和数据完整性检查。
• 握手过程是客户端和服务器之间建立安全连接的关键步骤，涉及密钥交换、证书验证和会话密钥生成。
• 数字证书由可信的CA签发，用于验证服务器的身份，确保通信的安全性。
• TLS 1.3是最新的TLS版本，带来了多项改进，包括简化握手过程、更强的加密算法和前向保密机制。
• 防御措施包括使用HTTPS、验证服务器证书、禁用弱加密算法等，以应对常见的安全威胁。

逆风翻盘，Dare To Be！！！