讓SSL_TLS協(xié)議流行起來：深度解讀SSL_TLS實(shí)現(xiàn)

1、讓SSL/TLS協(xié)議流行起來：深度解讀SSL/TLS實(shí)現(xiàn)一 前言SSL/TLS協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)安全通信的重要基石，本系列將簡單介紹SSL/TLS協(xié)議，主要關(guān)注SSL/TLS協(xié)議的安全性，特別是SSL規(guī)范的正確實(shí)現(xiàn)。 本系列的文章大體分為3個(gè)部分：SSL/TLS協(xié)議的基本流程典型的針對SSL/TLS協(xié)議的攻擊SSL/TLS協(xié)議的安全加固措施本文對SSL/TLS協(xié)議概況做基本介紹，包括SSL/TLS協(xié)議的版本變遷，協(xié)議的詳細(xì)流程以及流行的SSL/TLS協(xié)議實(shí)現(xiàn)。文章的主要內(nèi)容翻譯自波鴻魯爾大學(xué)Christopher Meyer的文章20 Years of SSL/TLS Research An Anal

2、ysis of the Internets Security Foundation，同時(shí)也根據(jù)作者自己的理解增加了部分內(nèi)容，以使對SSL/TLS協(xié)議的介紹更為完整。二 什么是SSL/TLS?SSL全稱是Secure Sockets Layer，安全套接字層，它是由網(wǎng)景公司(Netscape)設(shè)計(jì)的主要用于Web的安全傳輸協(xié)議，目的是為網(wǎng)絡(luò)通信提供機(jī)密性、認(rèn)證性及數(shù)據(jù)完整性保障。如今，SSL已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)保密通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。SSL最初的幾個(gè)版本(SSL 1.0、SSL2.0、SSL 3.0)由網(wǎng)景公司設(shè)計(jì)和維護(hù)，從3.1版本開始，SSL協(xié)議由因特網(wǎng)工程任務(wù)小組(IETF)正式接管，并更名為TLS

3、(Transport Layer Security)，發(fā)展至今已有TLS 1.0、TLS1.1、TLS1.2這幾個(gè)版本。如TLS名字所說，SSL/TLS協(xié)議僅保障傳輸層安全。同時(shí)，由于協(xié)議自身特性(數(shù)字證書機(jī)制)，SSL/TLS不能被用于保護(hù)多跳(multi-hop)端到端通信，而只能保護(hù)點(diǎn)到點(diǎn)通信。SSL/TLS協(xié)議能夠提供的安全目標(biāo)主要包括如下幾個(gè)：認(rèn)證性借助數(shù)字證書認(rèn)證服務(wù)器端和客戶端身份，防止身份偽造機(jī)密性借助加密防止第三方竊聽完整性借助消息認(rèn)證碼(MAC)保障數(shù)據(jù)完整性，防止消息篡改重放保護(hù)通過使用隱式序列號防止重放攻擊為了實(shí)現(xiàn)這些安全目標(biāo)，SSL/TLS協(xié)議被設(shè)計(jì)為一個(gè)兩階段協(xié)議，

4、分為握手階段和應(yīng)用階段：握手階段也稱協(xié)商階段，在這一階段，客戶端和服務(wù)器端會認(rèn)證對方身份(依賴于PKI體系，利用數(shù)字證書進(jìn)行身份認(rèn)證)，并協(xié)商通信中使用的安全參數(shù)、密碼套件以及MasterSecret。后續(xù)通信使用的所有密鑰都是通過MasterSecret生成。在握手階段完成后，進(jìn)入應(yīng)用階段。在應(yīng)用階段通信雙方使用握手階段協(xié)商好的密鑰進(jìn)行安全通信。SSL/TLS協(xié)議有一個(gè)高度模塊化的架構(gòu)，分為很多子協(xié)議，如下圖所示：Handshake協(xié)議：包括協(xié)商安全參數(shù)和密碼套件、服務(wù)器身份認(rèn)證(客戶端身份認(rèn)證可選)、密鑰交換;ChangeCipherSpec 協(xié)議：一條消息表明握手協(xié)議已經(jīng)完成;Alert

5、 協(xié)議：對握手協(xié)議中一些異常的錯(cuò)誤提醒，分為fatal和warning兩個(gè)級別，fatal類型的錯(cuò)誤會直接中斷SSL鏈接，而warning級別的錯(cuò)誤SSL鏈接仍可繼續(xù)，只是會給出錯(cuò)誤警告;Record 協(xié)議：包括對消息的分段、壓縮、消息認(rèn)證和完整性保護(hù)、加密等。三 協(xié)議流程詳解本節(jié)對SSL/TLS協(xié)議的流程進(jìn)行詳細(xì)介紹。一個(gè)典型的TLS 1.0協(xié)議交互流程如下圖所示：每一個(gè)SSL/TLS鏈接都是從握手開始的，握手過程包含一個(gè)消息序列，用以協(xié)商安全參數(shù)、密碼套件，進(jìn)行身份認(rèn)證以及密鑰交換。握手過程中的消息必須嚴(yán)格按照預(yù)先定義的順序發(fā)生，否則就會帶來潛在的安全威脅。今年頂級安全會議CCS 有文章提

6、出了建立綜合狀態(tài)機(jī)來檢查SSL鏈接中消息序列3.1 握手過程中的消息序列ClientHello：ClientHello通常是握手過程中的第一條消息，用于告知服務(wù)器客戶端所支持的密碼套件種類、最高SSL/TLS協(xié)議版本以及壓縮算法。ClientHello中還包含一個(gè)隨機(jī)數(shù)，這個(gè)隨機(jī)數(shù)由4個(gè)字節(jié)的當(dāng)前GMT UNIX時(shí)間以及28個(gè)隨機(jī)選擇的字節(jié)組成，共32字節(jié)。該隨機(jī)數(shù)會在密鑰生成過程中被使用。另外，ClientHello中還可能包含客戶端支持的TLS擴(kuò)展。(TLS擴(kuò)展可以被用來豐富TLS協(xié)議的功能或者增強(qiáng)協(xié)議的安全性)ServerHello：服務(wù)器接受到ClientHello后，會返回Serve

7、rHello。服務(wù)器從客戶端在ClientHello中提供的密碼套件、SSL/TLS版本、壓縮算法列表里選擇它所支持的項(xiàng)，并把它的選擇包含在ServerHello中告知客戶端。接下來SSL協(xié)議的建立就基于服務(wù)器選擇的密碼套件類型、SSL/TLS協(xié)議版本以及壓縮算法。ServerHello中同樣會包含一個(gè)隨機(jī)數(shù)，同樣4+28 字節(jié)類型，由服務(wù)器生成。Certificate：客戶端和服務(wù)器都可以發(fā)送證書消息來證明自己的身份，但是通?？蛻舳俗C書不被使用。 服務(wù)器一般在ServerHello后會接一條Certificate消息，Certificate消息中會包含一條證書鏈，從服務(wù)器證書開始，到Cert

8、ificate authority(CA)或者最新的自簽名證書結(jié)束。下圖形象地描述了證書鏈：SSL中使用的證書通常是X.509類型證書，X.509證書的內(nèi)容如下表所示：在用的X.509證書包含Version 1和Version 3兩種版本，其中v1版本的證書存在安全隱患，同時(shí)不支持TLS擴(kuò)展，被逐漸棄用?，F(xiàn)在大多數(shù)在用的SSL證書都是V3版本。同時(shí)證書會附帶與協(xié)商好的密鑰交換算法對應(yīng)的密鑰。密鑰交換算法以及它們所要求的密鑰類型如下表所示。ServerKeyExchange：該消息僅當(dāng)以下密鑰交換算法被使用時(shí)由服務(wù)器發(fā)出：RSA_EXPORT(僅當(dāng)服務(wù)器的公鑰大于512bit時(shí))、DHE_DSS

9、、DHE_DSS_EXPORT、DHE_RSA、DHE_RSA_EXPORT、DH_anon 使用其它密鑰交換算法時(shí)，服務(wù)器不能發(fā)送此消息。ServerkeyExchange消息會攜帶這些密鑰交換算法所需要的額外參數(shù)，以在后續(xù)步驟中協(xié)商PreMasterSecret。這些參數(shù)需要被簽過名。CertificateRequest：這個(gè)消息通常在要求認(rèn)證客戶端身份時(shí)才會有。消息中包含了證書類型以及可接受的CA列表。ServerHelloDone：服務(wù)器發(fā)送這條消息表明服務(wù)器部分的密鑰交換信息已經(jīng)發(fā)送完了，等待客戶端的消息以繼續(xù)接下來的步驟。這條消息只用作提醒，不包含數(shù)據(jù)域。ClientKeyExch

10、ange：這條消息包含的數(shù)據(jù)與所選用的密鑰交換算法有關(guān)。如果選擇的密鑰交換算法是RSA，那么消息包含的參數(shù)為用服務(wù)器RSA公鑰(包含在之前證書中的或者是ServerKeyExchange中的)加密過的PreMasterSecret，它有48個(gè)字節(jié)，前2個(gè)字節(jié)表示客戶端支持的最高協(xié)議版本，后46個(gè)字節(jié)是隨機(jī)選擇的。如果選擇的密鑰交換算法是DH或者DHE，則可能有兩種情況：隱式DH公開值：包含在Certificate消息里;顯示DH公開值：公開值是本消息的一部分。CertificateVerify：這條消息用來證明客戶端擁有之前提交的客戶端證書的私鑰。Finished：表明握手階段結(jié)束。這是第一條

11、用協(xié)商的算法和密鑰保護(hù)的消息。因?yàn)槭怯脜f(xié)商好的密鑰加密的消息，它可以用來確認(rèn)已經(jīng)協(xié)商好的密鑰。同時(shí)Finished消息包含一個(gè)verify_data域，可以用來校驗(yàn)之前發(fā)送和接收的信息。Verify_data域是一個(gè)PRF函數(shù)的輸出(pseudo-random function)。這個(gè)偽隨機(jī)函數(shù)的輸入為：(1)兩個(gè)hash值：一個(gè)SHA-1，一個(gè)MD5，對之前握手過程中交換的所有消息做哈希;(2)the MasterSecret，由預(yù)備主密鑰生成;(3)finished_label，如果客戶端發(fā)送的則是”client finished”，服務(wù)器發(fā)送的則是”server finished”。關(guān)于

12、這個(gè)PRF的細(xì)節(jié)在3.3節(jié)中會具體描述。 此外，F(xiàn)inished 消息不能夠在ChangeCipherSpec前發(fā)送。3.2 不同密鑰交換算法對應(yīng)的握手過程不同的密鑰交換算法對應(yīng)的握手過程中的消息序列是不同的，相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式也不同，本節(jié)介紹幾個(gè)常見密鑰交換算法對應(yīng)的握手過程。TLS-RSA：在這個(gè)場景下，PreMasterSecret是由客戶端指定的，并用RSA公鑰加密發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器不影響PReMasterSecret的生成。TLS-DH：基于DH的密鑰交換也被稱為靜態(tài)Diffie-Hellman。在這種場景下，可能是雙方各自提交一個(gè)證書包含DH公開值，或者服務(wù)器端提交證書包含DH公開值

13、，客戶端在每次會話中選擇一個(gè)值。協(xié)商好的DH值被用作PreMasterSecret。顯然證書中的參數(shù)是固定的，那么每次鏈接的PreMasterSecret也是相同的。TLS-DH不能提供前向安全性。TLS-DHE：基于DHE的TLS握手中會有ServerKeyExchange消息。握手過程中交換參數(shù)的認(rèn)證通過數(shù)字簽名來實(shí)現(xiàn)，支持的簽名算法包括RSA和DSS。DH參數(shù)會有它的數(shù)字簽名一起被包含在ServerKeyExchange中被發(fā)送出去?？蛻舳嗽贑lientKeyExchange中返回它的公開DH參數(shù)，但沒有簽名保護(hù)。同樣協(xié)商出來的DH密鑰被用作PreMasterSecret。3.3 密鑰生

14、成Pseudo-random Function(PRF)：偽隨機(jī)函數(shù)是SSL協(xié)議中的一個(gè)重要組成部分，它被用來秘密擴(kuò)展以及生成密鑰。在3.1節(jié)講解Finished消息時(shí)已經(jīng)簡單提及PRF，在這里我們詳細(xì)討論P(yáng)RF的工作原理。SSL/TLS協(xié)議中的PRF如下圖所示：這個(gè)PRF基于兩個(gè)hash函數(shù)：MD5和SHA-1，它有3個(gè)輸入，一個(gè)Secret(比如PreMasterSecret)，一個(gè)標(biāo)志符(比如”client finished”, “server finished”)，還有一個(gè)種子值(比如客戶端隨機(jī)數(shù)+服務(wù)器端隨機(jī)數(shù))。Secret在使用時(shí)被分為長度相同的兩半：S1和S2，分別作為P_MD

15、5和P_SHA-1的輸入。PRF的輸出按如下方式處理得到：PRF( secret , label , seed ) = P_MD5( S1 , label + seed ) XOR P_SHA1(S2 , label + seed ) ;P_MD5和P_SHA-1都是擴(kuò)展函數(shù)，用來擴(kuò)展秘密值以用于密鑰生成，它們的計(jì)算方式如下：P hash ( secret , seed ) = HMAC hash(secret , A( 1 ) + seed ) +HMAC hash(secret , A( 2 ) + seed ) +HMAC hash(secret , A( 3 ) + seed ) +

16、. . .其中A(0) = seed, A(i) = HMAC hash( secret, A( i 1) )這個(gè)秘密擴(kuò)展會一直進(jìn)行直到得到足夠多的擴(kuò)展數(shù)據(jù)。 Key Derivation：主密鑰(MasterSecret)是利用上述PRF從預(yù)備主密鑰(PreMasterSecret)生成的。每個(gè)MasterSecret為48字節(jié)，生成方式如下：mastersecret = PRF( pre mastersecret , ” mastersecret ” , ClientHello.random + ServerHello.random)得到MasterSecret后，它會被進(jìn)一步處理最后生成

17、4個(gè)不同的密鑰和2個(gè)初始向量(IV)。處理過程如下：keyblock = PRF( SecurityParameters.mastersecret , ”key expansion ” , SecurityParameters.server random +SecurityParameters.client random ) ;處理過程一直持續(xù)到足夠多的輸出被生成，然后把輸出分為4個(gè)key和2個(gè)IV：client_write_MAC_secret，server_write_MAC_secret, client_wriete_key, server_write_key, client_write

18、_IV, server_write_IV.下圖完整闡述了SSL/TLS協(xié)議中的密鑰生成過程。四 從SSL到TLS本節(jié)介紹SSL/TLS協(xié)議的版本變遷，不同版本的區(qū)別以及安全特性等。SSL 1.0由于從來沒有被公開過，并且存在嚴(yán)重安全漏洞，我們就不討論了。SSL 2.0：SSL 2.0于1995年4月被發(fā)布。SSL 2.0中主要存在的問題如下：MAC不能覆蓋填充長度域，攻擊者可能利用這點(diǎn)破壞消息完整性;缺乏握手認(rèn)證，攻擊者可以篡改密碼套件列表，誘騙通信雙方使用較弱的密碼套件;使用較弱的或有問題的密碼算法(如MD5，RC4等)，或者使用不安全的分組模式(如CBC模式);對于不同的密碼學(xué)基元使用相同

19、的密鑰，違背基本安全常識。由于以上安全問題，RFC 6176已經(jīng)明確提出避免使用SSL 2.0，但是現(xiàn)實(shí)生活中還有少量客戶端和服務(wù)器支持SSL 2.0.SSL 3.0：SSL 3.0引入了一些新的特性和機(jī)制解決了很多之前版本存在的漏洞。此外，SSL 3.0中引入了ChangeCipherSpec子協(xié)議。SSL 3.0向后兼容SSL 2.0，相對于SSL 2.0，它的主要改變包括以下幾點(diǎn)：支持更多的密碼套件(支持更多的密碼算法如DSS，SHA-1)在握手階段支持密鑰協(xié)商(DH和FORTEZZA)支持密碼學(xué)參數(shù)的重協(xié)商增加了消息壓縮選項(xiàng)MAC能夠覆蓋填充長度域了，同時(shí)MAC可以使用MD5或者SHA

20、-1不同的密碼學(xué)基元使用不同的keyAlert子協(xié)議能對任何錯(cuò)誤給出兩種提示：Warning和Fatal中止鏈接的時(shí)候會用一個(gè)close_notify警告通知通信雙方支持證書鏈，而非單個(gè)證書通過Finished消息認(rèn)證所有發(fā)送和接收的消息加密了的PreMasterSecret包含當(dāng)前使用的協(xié)議版本，防止協(xié)議回滾TLS 1.0：TLS 1.0和SSL 3.0差別非常小。實(shí)際上，TLS 1.0是SSL 3.1，在IETF接手后改名為TLS。TLS 1.0版本是目前使用最廣泛的SSL/TLS協(xié)議版本。TLS 1.0不再支持使用FORTEZZA的密碼套件。TLS 1.0中MAC被替換成HMAC。之前提

21、到ChangeCipherSpec消息必須在Finished消息前發(fā)送，在TLS 1.0中，如果消息序列不符合這個(gè)要求，會產(chǎn)生FATAL警告并終止鏈接。TLS 1.1：這個(gè)版本相比之前改動(dòng)也很小。最重要的改動(dòng)是預(yù)防了針對CBC分組模式的一些攻擊?，F(xiàn)在的填充錯(cuò)誤變的和非法MAC錯(cuò)誤不可區(qū)分了，防止攻擊者利用可區(qū)分錯(cuò)誤響應(yīng)建立解密預(yù)言機(jī)對密文進(jìn)行攻擊。在每次加密過程中，使用CBC分組模式時(shí)，都需要顯示給出IV，而不用再密鑰生成時(shí)使用PRF生成IV。此外，TLS 1.1禁止為適應(yīng)之前出口限制而使用弱化的密碼套件。TLS 1.2：這是最新的版本，部署的還比較少。這個(gè)版本禁用了PRF中的MD5和SHA-

22、1，而用一個(gè)可配置的hash函數(shù)取代了它們，這樣的修改簡化了計(jì)算過程。修改后的PRF風(fēng)格如下：此外，TLS 1.2的一個(gè)重要變化是支持認(rèn)證加密模式(支持GCM等)。但是由于一些AEAD(Authenticated Encryption with Associated Data)密碼算法要求IV為隱式的，所以IV又恢復(fù)到由MasterSecret生成，即TLS 1.0以前的風(fēng)格。TLS 1.2支持使用GCM、CCM的新密碼套件。同時(shí)SSL 2.0被宣布放棄，不再向后兼容SSL 2.0.下圖五 SSL/TLS的流行實(shí)現(xiàn)本節(jié)簡單介紹一下流行的SSL/TLS實(shí)現(xiàn)庫，SSL協(xié)議非常復(fù)雜，由開發(fā)者自己實(shí)現(xiàn)

23、常常會出錯(cuò)，開發(fā)者在具體實(shí)現(xiàn)SSL協(xié)議時(shí)通常會依賴于這些密碼學(xué)庫。5.1 常見的SSL/TLS 實(shí)現(xiàn)OpenSSL：這是非常流行的開源SSL/TLS實(shí)現(xiàn)。OpenSSLim完全用C語言實(shí)現(xiàn)，支持SSL 2.0/3.0，TLS 1.0/1.1/1.2以及DTLS 1.0。OpenSSL 近年來出現(xiàn)了很多的安全漏洞，比如2014年曝出的著名的Heartbleed漏洞等。JSSE：這是使用Java實(shí)現(xiàn)的，支持SSL 3.0，TLS 1.0/1.1/1.2.Bouncy Castle：它不僅僅支持SSL/TLS，它是一個(gè)完整的密碼學(xué)庫，支持各種密碼學(xué)算法和協(xié)議。不過它僅僅支持TLS 1.0版本。Android平臺主要使用這個(gè)密碼學(xué)庫。GnuTLS：這是另一個(gè)用C語言實(shí)現(xiàn)的庫，支持SSL 3.0，TLS 1.0/1.1/1.2以及DTLS 1.0。主要在Unix世界被使用。同時(shí)以各種安全漏洞多而聞名。NSS：這是最初由網(wǎng)景公司(Netscape)開發(fā)的庫，支持SSL 2.0/3.0，TLS 1.0/1.