SSL通信原理

SSL单双向验证原理

为了便于更好的认识和理解SSL 协议，这里着重介绍SSL 协议的握手协议。SSL协议既用到了公钥加密技术又用到了对称加密技术，对称加密技术虽然比公钥加密技术的速度快，可是公钥加密技术提供了更好的身份认证技术。SSL的握手协议非常有效的让客户和服务器之间完成相互之间的身份认证，其主要过程如下：

①客户端的浏览器向服务器传送客户端SSL 协议的版本号，加密算法的种类，产生的随机数，以及其他服务器和客户端之间通讯所需要的各种信息。

②服务器向客户端传送SSL 协议的版本号，加密算法的种类，随机数以及其他相关信息，同时服务器还将向客户端传送自己的证书。

③客户利用服务器传过来的信息验证服务器的合法性，服务器的合法性包括：证书是否过期，发行服务器证书的CA是否可靠，发行者证书的公钥能否正确解开服务器证书的“发行者的数字签名”，服务器证书上的域名是否和服务器的实际域名相匹配。如果合法性验证没有通过，通讯将断开；如果合法性验证通过，将继续进行第四步。(身份认证)

④用户端随机产生一个用于后面通讯的“对称密码”，然后用服务器的公钥（服务器的公钥从步骤②中的服务器的证书中获得）对其加密，然后将加密后的“预主密码”传给服务器。

⑤如果服务器要求客户的身份认证（在握手过程中为可选），用户可以建立一个随机数然后对其进行数据签名，将这个含有签名的随机数和客户自己的证书以及加密过的“预主密码”一起传给服务器。

⑥如果服务器要求客户的身份认证，服务器必须检验客户证书和签名随机数的合法性，具体的合法性验证过程包括：客户的证书使用日期是否有效，为客户提供证书的CA 是否可靠，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，检查客户的证书是否在证书废止列表（CRL）中。检验如果没有通过，通讯立刻中断；如果验证通过，服务器将用自己的私钥解开加密的“预主密码”，然后执行一系列步骤来产生主通讯密码（客户端也将通过同样的方法产生相同的主通讯密码）。

⑦服务器和客户端用相同的主密码即“通话密码”，一个对称密钥用于SSL 协议的安全数据通讯的加解密通讯。同时在SSL 通讯过程中还要完成数据通讯的完整性，防止数据通讯中的任何变化。

⑧客户端向服务器端发出信息，指明后面的数据通讯将使用的步骤⑦中的主密码为对称密钥，同时通知服务器客户端的握手过程结束。

⑨服务器向客户端发出信息，指明后面的数据通讯将使用的步骤⑦中的主密码为对称密钥，同时通知客户端服务器端的握手过程结束。

⑩SSL 的握手部分结束，SSL 安全通道的数据通讯开始，客户和服务器开始使用相同的对称密钥进行数据通讯，同时进行通讯完整性的检验。

双向认证SSL 协议的具体过程

①浏览器发送一个连接请求给安全服务器。

②服务器将自己的证书，以及同证书相关的信息发送给客户浏览器。

③客户浏览器检查服务器送过来的证书是否是由自己信赖的CA 中心所签发的。如果是，就继续执行协议；如果不是，客户浏览器就给客户一个警告消息：警告客户这个证书不是可以信赖的，询问客户是否需要继续。

④接着客户浏览器比较证书里的消息，例如域名和公钥，与服务器刚刚发送的相关消息是否一致，如果是一致的，客户浏览器认可这个服务器的合法身份。

⑤服务器要求客户发送客户自己的证书。收到后，服务器验证客户的证书，如果没有通过验证，拒绝连接；如果通过验证，服务器获得用户的公钥。

⑥客户浏览器告诉服务器自己所能够支持的通讯对称密码方案。

⑦服务器从客户发送过来的密码方案中，选择一种加密程度最高的密码方案，用客户的公钥加过密后通知浏览器。

⑧浏览器针对这个密码方案，选择一个通话密钥，接着用服务器的公钥加过密后发送给服务器。

⑨服务器接收到浏览器送过来的消息，用自己的私钥解密，获得通话密钥。

⑩服务器、浏览器接下来的通讯都是用对称密码方案，对称密钥是加过密的。

上面所述的是双向认证SSL 协议的具体通讯过程，这种情况要求服务器和用户双方都有证书。单向认证SSL 协议不需要客户拥有CA证书，具体的过程相对于上面的步骤，只需将服务器端验证客户证书的过程去掉，以及在协商对称密码方案，对称通话密钥时，服务器发送给客户的是没有加过密的（这并不影响SSL 过程的安全性）密码方案。这样，双方具体的通讯内容，就是加过密的数据，如果有第三方攻击，获得的只是加密的数据，第三方要获得有用的信息，就需要对加密的数据进行解密，这时候的安全就依赖于密码方案的安全。而幸运的是，目前所用的密码方案，只要通讯密钥长度足够的长，就足够的安全。这也是我们强调要求使用128位加密通讯的原因。

1 SSL通讯示意图

SSL通讯示意图如图1所示：

2 SSL通讯说明

在该部分，将对图1所示的示意图进行说明。为了说明的方便，在本文中称客户端为B，服务器端为S。

STEP 1: B——〉S（发起对话，协商传送加密算法）

你好,S！我想和你进行安全对话，我的对称加密算法有DES,RC5，我的密钥交换算法有RSA和DH，摘要算法有MD5和SHA。

STEP2: S——〉B（发送服务器数字证书）

你好,B！那我们就使用DES－RSA－SHA这对组合进行通讯，为了证明我确实是S，现在发送我的数字证书给你，你可以验证我的身份。

STEP 3: B——〉S（传送本次对话的密钥）

（检查S的数字证书是否正确，通过CA机构颁发的证书验证了S证书的真实有效性后。生成了利用S的公钥加密的本次对话的密钥发送给S）

S, 我已经确认了你的身份，现在将我们本次通讯中使用的对称加密算法的密钥发送给你。

STEP4: S——〉B（获取密钥）

（S用自己的私钥解密获取本次通讯的密钥）。

B, 我已经获取了密钥。我们可以开始通信了。

STEP5: S<——>B（进行通讯）

说明：一般情况下，当B是保密信息的传递者时，B不需要数字证书验证自己身份的真实性，如电子银行的应用，客户需要将自己的账号和密码发送给银行，因此银行的服务器需要安装数字证书来表明自

己身份的有效性。在某些B2B应用，服务器端也需要对客户端的身份进行验证，这时客户端也需要安装数

字证书以保证通讯时服务器可以辨别出客户端的身份，验证过程类似于服务器身份的验证过程。

此外需要说明的是，在一些电子商务的应用中，可能还会使用到电子签名，或者为了信息交换的更加安全，会增加电子签名和消息校验码（MAC）。

3 相关知识介绍

随着电子商务的不断发展，SSL协议得到了越来越广泛的使用。SSL协议是介于HTTP协议与TCP之间的一个可选层，可以将其表示如下

下面我们通过一个例子来讲解一下如何通过SSL协议来访问安全网页，假如我们在网上购买游戏卡，在游戏网页上我们点击了付款，将进入如下界面：

这时我们注意到在浏览器的地址栏的开头是HTTPS而不是HTTP，在浏览器的右下角有一把锁，说明已经建立起SSL加密通道。在如上过程中HTTP层首先将请求转换成HTTP请求，然后SSL层通过TCP和IP层实现了浏览器和服务器的握手（HANDSHAKE），服务器层获得密钥，最后TCP层与服务器之间建立了加密通道，实现了双方安全交换信息的目的。

为了便于了解SSL，下面在简要介绍一下信息加密相关知识。使用密钥类型加密信息的加密算法可以分为以下几类：HASH 编码、对称加密和非对称加密三类。

HASH 编码是使用HASH算法从任意长度的消息中计算HASH值的一个过程，HASH值可以说是消息的指纹，因为对于任何不同的消息，几乎总有不同的HASH值。因此在SSL通讯过程中，可以对消息的HASH 值进行加密，确保传递的消息在传输过程中没有被修改。

非对称加密或称之为公钥加密使用数学上相关的两个数值来对信息进行编码（加密），其中一个数字称为公钥，另一个称为私钥。公钥加密的信息可以用私钥解密，私钥加密的信息可以用公钥解密。由于公钥可以大面积发放，因此公钥加密在SSL加密通信中应用于对密钥的加密或者进行数字签名。

对称加密和非对称加密相比的区别在于对称加密中，加密信息和解密信息使用同样的密钥，因此该密钥无法公开。但是其具有加密、解密快速的特点。

在SSL通讯中，首先采用非对称加密交换信息，使得服务器获得浏览器端提供的对称加密的密钥，然后利用该密钥进行通讯过程中信息的加密和解密。为了保证消息在传递过程中没有被篡改，可以加密HASH 编码来确保信息的完整性。

服务器数字证书主要颁发给Web站点或其他需要安全鉴别的服务器，证明服务器的身份信息，同样客户端数字证书用于证明客户端的身份。在广东省电子商务认证中心网站上，可以看到对该机构颁发的各种数字证书详细的功能描述。

SSL 协议的握手和通讯

为了便于更好的认识和理解 SSL 协议，这里着重介绍 SSL 协议的握手协议。SSL 协议既用到了公钥加密技术又用到了对称加密技术，对称加密技术虽然比公钥加密技术的速度快，可是公钥加密技术提供了更好的身份认证技术。SSL 的握手协议非常有效的让客户和服务器之间完成相互之间的身份认证，其主要过程如下：

①客户端的浏览器向服务器传送客户端 SSL 协议的版本号，加密算法的种类，产生的随机数，以及其他服务器和客户端之间通讯所需要的各种信息。

②服务器向客户端传送 SSL 协议的版本号，加密算法的种类，随机数以及其他相关信息，同时服务器还将向客户端传送自己的证书。

③客户利用服务器传过来的信息验证服务器的合法性，服务器的合法性包括：证书是否过期，发行服务器证书的 CA 是否可靠，发行者证书的公钥能否正确解开服务器证书的“发行者的数字签名”，服务器证书上的域名是否和服务器的实际域名相匹配。如果合法性验证没有通过，通讯将断开；如果合法性验证通过，将继续进行第四步。

④用户端随机产生一个用于后面通讯的“对称密码”，然后用服务器的公钥（服务器的公钥从步骤②中的服务器的证书中获得）对其加密，然后将加密后的“预主密码”传给服务器。

⑤如果服务器要求客户的身份认证（在握手过程中为可选），用户可以建立一个随机数然后对其进行数据签名，将这个含有签名的随机数和客户自己的证书以及加密过的“预主密码”一起传给服务器。

⑥如果服务器要求客户的身份认证，服务器必须检验客户证书和签名随机数的合法性，具体的合法性验证过程包括：客户的证书使用日期是否有效，为客户提供证书的 CA 是否可靠，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，检查客户的证书是否在证书废止列表（CRL）中。检验如果没有通过，通讯立刻中断；如果验证通过，服务器将用自己的私钥解开加密的“预主密码”，然后执行一系列步骤来产生主通讯密码（客户端也将通过同样的方法产生相同的主通讯密码）。

⑦服务器和客户端用相同的主密码即“通话密码”，一个对称密钥用于 SSL 协议的安全数据通讯的加解密通讯。同时在 SSL 通讯过程中还要完成数据通讯的完整性，防止数据通讯中的任何变化。

⑧客户端向服务器端发出信息，指明后面的数据通讯将使用的步骤⑦中的主密码为对称密钥，同时通知服务器客户端的握手过程结束。

⑨服务器向客户端发出信息，指明后面的数据通讯将使用的步骤⑦中的主密码为对称密钥，同时通知客户端服务器端的握手过程结束。

⑩ SSL 的握手部分结束，SSL 安全通道的数据通讯开始，客户和服务器开始使用相同的对称密钥进行数据通讯，同时进行通讯完整性的检验。

双向认证 SSL 协议的具体过程

①浏览器发送一个连接请求给安全服务器。

②服务器将自己的证书，以及同证书相关的信息发送给客户浏览器。

③客户浏览器检查服务器送过来的证书是否是由自己信赖的 CA 中心所签发的。如果是，就继续执行协议；如果不是，客户浏览器就给客户一个警告消息：警告客户这个证书不是可以信赖的，询问客户是否需要继续。

④接着客户浏览器比较证书里的消息，例如域名和公钥，与服务器刚刚发送的相关消息是否一致，如果是一致的，客户浏览器认可这个服务器的合法身份。

⑤服务器要求客户发送客户自己的证书。收到后，服务器验证客户的证书，如果没有通过验证，拒绝连接；如果通过验证，服务器获得用户的公钥。

⑥客户浏览器告诉服务器自己所能够支持的通讯对称密码方案。

⑦服务器从客户发送过来的密码方案中，选择一种加密程度最高的密码方案，用客户的公钥加过密后通知浏览器。

⑧浏览器针对这个密码方案，选择一个通话密钥，接着用服务器的公钥加过密后发送给服务器。

⑨服务器接收到浏览器送过来的消息，用自己的私钥解密，获得通话密钥。

⑩服务器、浏览器接下来的通讯都是用对称密码方案，对称密钥是加过密的。

上面所述的是双向认证 SSL 协议的具体通讯过程，这种情况要求服务器和用户双方都有证书。单向认证 SSL 协议不需要客户拥有 CA 证书，具体的过程相对于上面的步骤，只需将服务器端验证客户证书的过程去掉，以及在协商对称密码方案，对称通话密钥时，服务器发送给客户的是没有加过密的（这并不影响 SSL 过程的安全性）密码方案。这样，双方具体的通讯内容，就是加过密的数据，如果有第三方攻击，获得的只是加密的数据，第三方要获得有用的信息，就需要对加密的数据进行解密，这时候的安全就依赖于密码方案的安全。而幸运的是，目前所用的密码方案，只要通讯密钥长度足够的长，就足够的安全。这也是我们强调要求使用 128 位加密通讯的原因。

证书各部分的含义

Version 证书版本号，不同版本的证书格式不同

Serial Number 序列号，同一身份验证机构签发的证书序列号唯一

Algorithm Identifier 签名算法，包括必要的参数 Issuer 身份验证机构的标识信息

Period of Validity 有效期

Subject 证书持有人的标识信息

Subject’s Public Key 证书持有人的公钥

Signature 身份验证机构对证书的签名

证书的格式认证中心所发放的证书均遵循 X.509 V3 标准，其基本格式如下：

证书版本号（Certificate Format Version）含义：用来指定证书格式采用的 X.509 版本号。

证书序列号（Certificate Serial Number）含义：用来指定证书的唯一序列号，以标识 CA 发出的所有公钥证书。

签名（Signature）算法标识（Algorithm Identifier）含义：用来指定 CA 签发证书所用的签名算法。

签发此证书的 CA 名称（Issuer ）含义：用来指定签发证书的 CA 的 X.500 唯一名称（DN， Distingu ished Name）。

证书有效期（Validity Period）起始日期（notBefore）终止日期（notAfter）含义：用来指定证书起

始日期和终止日期。

用户名称（Subject）含义：用来指定证书用户的 X.500 唯一名称（DN，Distinguished Name）。

用户公钥信息（Subject Public Key Information）算法（algorithm）算法标识（Algorithm Identi fier）用户公钥（subject Public Key）含义：用来标识公钥使用的算法，并包含公钥本身。

证书扩充部分（扩展域）（Extensions）含义：用来指定额外信息。

X.509 V3 证书的扩充部分（扩展域）及实现方法如下： CA 的公钥标识（Authority Key Identifier）公钥标识（SET 未使用）（Key Identifier）签发证书者证书的签发者的甄别名（Certificate Issu er）签发证书者证书的序列号（Certificate Serial Number）

X.509 V3 证书的扩充部分（扩展域）及实现CA 的公钥标识（Authority Key Identifier）公钥标

识（SET 未使用）（Key Identifier）签发证书者证书的签发者的甄别名（Certificat签发证书者证书

的序列号（Certificate Serial N含义：CA 签名证书所用的密钥对的唯一标识用户的公钥标识（Subject Key Identifier）含义：用来标识与证书中公钥相关的特定密钥进行解密。证书中的公钥用途（Ke

y Usage）含义：用来指定公钥用途。

用户的私钥有效期（Private Key Usage Period）起始日期（Note Before）终止日期（Note Aft er）含义：用来指定用户签名私钥的起始日期和终止日期。 CA 承认的证书政策列表（Certificate Pol icies）含义：用来指定用户证书所适用的政策，证书政策可由对象标识符表示。用户的代用名（Subst itutional Name）含义：用来指定用户的代用名。 CA 的代用名（Issuer Alt Name）含义：用来指

定 CA 的代用名。基本制约（Basic Constraints）含义：用来表明证书用户是最终用户还是 CA。在SET 系统中有一些私有扩充部分（扩展域）Hashed Root Key 含义：只在根证书中使用，用于证书更新

时进行回溯。证书类型（Certificate Type）含义：用来区别不同的实体。该项是必选的。商户数据（Merchant Data）含义：包含支付网关需要的所有商户信息。持卡人证书需求（Card Cert Requir ed）含义：显示支付网关是否支持与没有证书的持卡人进行交易。 SET 扩展（SETExtensions）含义：

列出支付网关支持的支付命令的 SET 信息扩展。 CRL 数据定义版本（Version）含义：显示 CRL 的版本号。

CRL 的签发者（Issuer）含义：指明签发 CRL 的 CA 的甄别名。 CRL 发布时间（this Update）预计

下一个 CRL 更新时间（Next Update）撤销证书信息目录（Revoked Certificates） CRL 扩展（CRL Extension） CA 的公钥标识（Authority Key Identifier） CRL 号（CRL Number）

一、SSL会话中DH算法与RSA算法之间的区别：

区别有二：

1、在DH算法中，双方中的一方会给一方传送G，另一方给对方传送B，这样双方用G、

B、双方各自传送的随机数产生一个PRE－MASTER－KEY，这个PRE－MASTER－KEY

会再与各自的随机数在一起进行运算得出MASTER－KEY。

而RSA算法中，双方不会互传G与B，而是由CLIENT产生一个数值，并且用对方的公钥进行加密，传送给服务器方，由服务器方使用自己的私钥进行解密，之后双方使用这个数与各自的随机数进行运算产生PRE－MASTER－KEY，之后的过程就完全一样。

2、在双向认证过程中，客户需要向服务器端提交证书，并进行数字签名以证明对证书的合

法拥有权。

二、MASTER－KEY是否是会话加密用的对称密钥：

不是，MASTER－KEY根据双方协商好的加密算法按长度对MASTER－KEY进行划分，

比如对称算法使用3DES，则长度为168位，而HASH算法如果是MD5－40，则划分40位的长度出来。这个MASTER－KEY的长度是按事先协商好的加密算法对应的长度计算的。

三、选用RSA还是DH算法？

是通过服务器HELLO包中双方商定的，双方商定的办法包括握手期间的非对称算法、传送数据时的对称算法、及HASH算法等。

四、在实际传送数据时，数据用对称算法加密，并用HASH算法作防止篡改。

五、SSL复用的概念：

1、在HTTPS应用中，一个TCP－CONN中使用一个SSL－CONN，在一个TCP－CONN

中传递的所有的HTTP－REQUEST与HTTP－RESPONSE都使用同一个SSL－CONN；

2、而如果新的HTTP包发现没有可用的TCP－CONN存在时，会新建一条TCP－CONN，

这时如果CLIENT与SERVER双方同意进行SSL复用时就首先进行SSL复用（双方同意使用SSL复用的意向是通过在复用的CLIENT－HELLO与SERVER－HELLO包里面存在的，里面有想复用的SSL会话ID）复用的结果就是使用原来SSL－SESS中的所有已协商的结果，包含对方的证书信息，使用的加密算法、产生的PRE－MASTER－KEY等；这样就省略了SSL握手期间非对称加密的很耗费系统资源的过程。

3、注意：每条TCP－CONN对应一条SSL－CONN，而一条SSL－SESSION可能会包

含了多条SSL－CONN，即被其所复用，每条复用的SSL－CONN中的PRE－MASTER －KEY是一样的，但由于在复用期间双方再次交换HELLO包时包含了新的随机数，所以每条SSL－CONN产生的MASTER－KEY都是不同的，这点要注意。

4、如果复用成功，则一个客户机与一个服务器间可以有多条TCP－CONN、同样数量

的SSL－CONN，但只有一条SSL－SESSION。