【HTTPS基础概念与原理】TLS握手过程详解

以下是 TLS握手过程的详细拆解，涵盖客户端与服务器之间的关键交互步骤，包括ClientHello、ServerHello、证书验证、密钥交换等核心阶段，并对比TLS 1.2与TLS 1.3的差异：

---

一、TLS握手的核心目标

1. 协商协议版本：确定双方支持的TLS版本（如TLS 1.2或1.3）。
2. 选择加密套件：确定对称加密算法（如AES-GCM）、密钥交换算法（如ECDHE）等。
3. 交换密钥：通过非对称加密生成共享的对称密钥。
4. 验证身份：服务器证明自身合法性，客户端可选验证（双向认证时）。
5. 建立安全通道：后续数据通过对称加密传输。

---

二、TLS 1.3 握手流程（精简版）

TLS 1.3 标准化后，握手步骤从 两次RTT（Round-Trip Time）优化为一次RTT，并支持0-RTT握手。以下是详细步骤：

1. ClientHello（客户端问候）

• 发送内容：

• 支持的TLS版本（优先TLS 1.3）。

• 客户端随机数（Client Random，32字节）。

• 支持的加密套件列表（按优先级排序，如TLS_AES_256_GCM_SHA384）。

• 支持的密钥交换算法（如ECDHE-ECDSA、X25519）。

• 扩展字段（如SNI、Session ID）。

• 目的：告知服务器客户端的支持能力，启动握手。

2. ServerHello（服务器响应）

• 发送内容：

• 确认的TLS版本（如TLS 1.3）。

• 服务器随机数（Server Random，32字节）。

• 选择的加密套件（如TLS_AES_128_GCM_SHA256）。

• 选择的密钥交换算法（如ECDHE with X25519）。

• 扩展字段（如证书链、OCSP Stapling）。

• 目的：确认协议版本和加密参数，进入密钥交换阶段。

3. 证书交换

• 服务器发送证书链：

• 服务器证书（由中间CA签发）。

• 中间CA证书（根CA通常不发送，预装在客户端中）。

• 客户端验证证书：

• 检查证书链有效性（颁发机构、有效期、域名匹配）。

• 检查吊销状态（CRL或OCSP）。

• 验证证书签名（使用内置根CA公钥）。

4. 密钥交换（ECDHE）

• 步骤：

1. 生成临时密钥对：客户端和服务器各自生成ECDHE临时密钥对（如X25519）。
2. 交换公钥：客户端发送自己的临时公钥，服务器回复自己的临时公钥。
3. 计算共享密钥：双方用对方的公钥和己方的私钥计算出相同的共享密钥（Pre-Master Secret）。
   • 特点：

• 前向保密：即使长期私钥泄露，历史会话无法解密。

• 密钥长度短：X25519密钥仅需256位，安全性等效RSA 3072位。

5. 生成会话密钥

• 公式：

Master Secret = PRF(Pre-Master Secret, Client Random + Server Random)

• PRF：伪随机函数（基于HMAC-SHA256）。

• 使用Client Random和Server Random生成主密钥（Master Secret）。

• 衍生对称密钥：

• 客户端写MAC密钥、服务器写MAC密钥。

• 客户端写加密密钥、服务器写加密密钥。

• 初始化向量（IV）等。

6. 完成握手（Finished）

• 双方发送Finished消息：

• 内容包含握手过程中所有消息的哈希值（使用Master Secret加密）。

• 验证握手过程的完整性和密钥正确性。

• 后续通信：使用对称加密算法（如AES-GCM）传输数据。

---

三、TLS 1.2 握手流程（对比）

TLS 1.2 握手需两次RTT，且密钥交换与身份验证耦合，步骤如下：

1. ClientHello

• 与TLS 1.3类似，但支持旧版加密套件（如RSA、RC4）。

2. ServerHello

• 选择加密套件（如TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA）。

3. 证书交换

• 同TLS 1.3。

4. 密钥交换（RSA）

• 步骤：

1. 服务器发送RSA公钥。
2. 客户端生成预主密钥（Pre-Master Secret），用服务器公钥加密后发送。
3. 服务器用私钥解密，获取预主密钥。
   • 缺陷：无前向保密，私钥泄露可解密历史会话。

5. 生成会话密钥

• 使用预主密钥和随机数生成主密钥，后续步骤同TLS 1.3。

---

四、关键安全机制
1. 证书验证

• 信任链：客户端验证证书是否由受信任根CA签发。

• 吊销检查：

• CRL（证书吊销列表）：下载CA发布的吊销列表，检查证书序列号。

• OCSP（在线状态协议）：实时查询证书状态。

• OCSP Stapling：服务器缓存OCSP响应，减少客户端延迟。

2. 密钥交换安全

• ECDHE：抗量子计算，支持前向保密。

• RSA密钥交换（已淘汰）：易受中间人攻击，无前向保密。

---

五、TLS 1.3的改进与优势

特性	TLS 1.2	TLS 1.3
握手延迟	两次RTT	一次RTT（0-RTT可选）
加密套件数量	多（含弱算法）	精简（仅AEAD+现代算法）
前向保密	可选（需ECDHE）	强制支持
密钥导出	PRF基于SHA-256	HKDF，更安全
0-RTT握手	不支持	支持（需会话复用）

---

六、实际应用与优化

1. 服务器配置：

   • 优先启用TLS 1.3，禁用弱密码套件（如RC4、SHA-1）。

   • 使用ECDSA证书（比RSA更短、更快）。

2. 性能优化：

   • 启用OCSP Stapling，减少证书验证延迟。

   • 使用Session Resumption（会话复用）减少握手开销。

3. 安全加固：

   • 强制HSTS头部，防止降级攻击。

   • 配置CSP（内容安全策略）防御XSS。

---

总结

TLS握手是HTTPS通信的核心，通过协商加密参数、验证身份、生成共享密钥，确保数据传输的机密性与完整性。TLS 1.3通过精简协议、强制前向保密和0-RTT握手，显著提升了安全性与性能，成为现代网站的标配。