SSL技术白皮书
关键词：SSL，PKI，MAC
摘 要：SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，为基于TCP等可靠连接的应用层协
议提供安全性保证。本文介绍了SSL的产生背景、安全机制、工作过程及典型组网应用。
缩略语： 缩略语 AES CA DES HTTPS MAC MD5 PKI RSA SHA SSL VPN
英文全名 中文解释 Advanced Encryption Standard 高级加密标准 Certificate Authority 证书机构 Data Encryption Standard 数据加密标准 Hypertext Transfer Protocol 安全超文本传输协议 Secure Message Authentication Code 消息验证码 Message Digest 5 消息摘要算法5 Public Key Infrastructure 公钥基础设施 Rivest Shamir and Adleman 非对称密钥算法的一种 Secure Hash Algorithm 安全散列算法 Secure Sockets Layer 安全套接层 Virtual Private Network 虚拟专有网络
目 录
1 概述
1.1 产生背景 1.2 技术优点 2 协议安全机制
2.1 数据传输的机密性 2.2 身份验证机制 2.3 消息完整性验证
2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全 2.5 利用PKI保证公钥的真实性 3 协议工作过程 3.1 SSL的分层结构
3.2 SSL握手过程
3.2.1 只验证服务器的SSL握手过程
3.2.2 验证服务器和客户端的SSL握手过程 3.2.3 恢复原有会话的SSL握手过程 4 典型组网应用 4.1 HTTPS 4.2 SSL VPN 5 参考文献
1 概述
1.1 产生背景
基于万维网的电子商务和网上银行等新兴应用，极大地方便了人们的日常生活，受到人们的青睐。由于这些应用都需要在网络上进行在线交易，它们对网络通信的安全性提出了更高的要求。传统的万维网协议HTTP不具备安全机制——采用明文的形式传输数据、不能验证通信双方的身份、无法防止传输的数据被篡改等，导致HTTP无法满足电子商务和网上银行等应用的安全性要求。
Netscape公司提出的安全协议SSL，利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，为网络上数据的传输提供安全性保证。SSL可以为HTTP提供安全连接，从而很大程度上改善了万维网的安全性问题。
1.2 技术优点
SSL具有如下优点：
l 提供较高的安全性保证。SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，保证网络上数据传输的安全性。 l 支持各种应用层协议。虽然SSL设计的初衷是为了解决万维网安全性问题，但是由于SSL位于应用层和传输层之间，它可以为任何基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。
l 部署简单。目前SSL已经成为网络中用来鉴别网站和网页浏览者身份，在浏览器使用者及Web服务器之间进行加密通信的全球化标准。SSL协议已被集成到大部分的浏览器中，如IE、Netscape、Firefox等。这就意味着几乎任意一台装有浏览器的计算机都支持SSL连接，不需要安装额外的客户端软件。
2 协议安全机制
SSL协议实现的安全机制包括：
l 数据传输的机密性：利用对称密钥算法对传输的数据进行加密。
l 身份验证机制：基于证书利用数字签名方法对服务器和客户端进行身份验证，其中客户端的身份验证是可选的。
l 消息完整性验证：消息传输过程中使用MAC算法来检验消息的完整性。
2.1 数据传输的机密性
网络上传输的数据很容易被非法用户窃取，SSL采用在通信双方之间建立加密通道的方法保证数据传输的机密性。
所谓加密通道，是指发送方在发送数据前，使用加密算法和加密密钥对数据进行加密，然后将数据发送给对方；接收方接收到数据后，利用解密算法和解密密钥从密文中获取明文。没有解密密钥的第三方，无法将密文恢复为明文，从而保证数据传输的机密性。 加解密算法分为两类：
l 对称密钥算法：数据加密和解密时使用相同的密钥。
非对称密钥算法：数据加密和解密时使用不同的密钥，一个是公开的公钥，一个是由用户秘密保存的私钥。利用公钥（或私钥）加密的数据只能用相应的私钥（或公钥）才能解密。
与非对称密钥算法相比，对称密钥算法具有计算速度快的优点，通常用于对大量信息进行加密（如对所有报文加密）；而非对称密钥算法，一般用于数字签名和对较少的信息进行加密。 SSL加密通道上的数据加解密使用对称密钥算法，目前主要支持的算法有DES、3DES、AES等，这些算法都可以有效地防止交互数据被窃听。 对称密钥算法要求解密密钥和加密密钥完全一致。因此，利用对称密钥算法加密传输数据之前，需要在通信两端部署相同的密钥。对称密钥的部署方法请参见“2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全”。
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2.2 身份验证机制
电子商务和网上银行等应用中必须保证要登录的Web服务器是真实的，以免重要信息被非法窃取。SSL利用数字签名来验证通信对端的身份。 非对称密钥算法可以用来实现数字签名。由于通过私钥加密后的数据只能利用对应的公钥进行解密，因此根据解密是否成功，就可以判断发送者的身份，如同发送者对数据进行了“签名”。例如，Alice使用自己的私钥对一段固定的信息加密后发给Bob，Bob利用Alice的公钥解密，如果解密结果与固定信息相同，那么就能够确认信息的发送者为Alice，这个过程就称为数字签名。
SSL客户端必须验证SSL服务器的身份，SSL服务器是否验证SSL客户端的身份，则由SSL服务器决定。SSL客户端和SSL服务器的身份验证过程，请参见“3.2 SSL握手过程”。 使用数字签名验证身份时，需要确保被验证者的公钥是真实的，否则，非法用户可能会冒充被验证者与验证者通信。如图1所示，Cindy冒充Bob，将自己的公钥发给Alice，并利用自己的私钥计算出签名发送给Alice，Alice利用“Bob”的公钥（实际上为Cindy的公钥）成功验证该签名，则Alice认为Bob的身份验证成功，而实际上与Alice通信的是冒充Bob的Cindy。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性，详细介绍请参见“2.5 利用PKI保证公钥的真实性”。
图1 伪造公钥
2.3 消息完整性验证
为了避免网络中传输的数据被非法篡改，SSL利用基于MD5或SHA的MAC算法来保证消息的完整性。
MAC算法是在密钥参与下的数据摘要算法，能将密钥和任意长度的数据转换为固定长度的数据。利用MAC算法验证消息完整性的过程如图2所示。发送者在密钥的参与下，利用MAC算法计算出消息的MAC值，并将其加在消息之后发送给接收者。接收者利用同样的
密钥和MAC算法计算出消息的MAC值，并与接收到的MAC值比较。如果二者相同，则报文没有改变；否则，报文在传输过程中被修改，接收者将丢弃该报文。
图2 MAC算法示意图
MAC算法具有如下特征，使其能够用来验证消息的完整性：
l 消息的任何改变，都会引起输出的固定长度数据产生变化。通过比较MAC值，可以保证接收者能够发现消息的改变。 l MAC算法需要密钥的参与，因此没有密钥的非法用户在改变消息的内容后，无法添加正确的MAC值，从而保证非法用户无法随意修改消息内容。
MAC算法要求通信双方具有相同的密钥，否则MAC值验证将会失败。因此，利用MAC算法验证消息完整性之前，需要在通信两端部署相同的密钥。MAC密钥的部署方法请参见“2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全”。
2.4 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全
对称密钥算法和MAC算法要求通信双方具有相同的密钥，否则解密或MAC值验证将失败。因此，要建立加密通道或验证消息完整性，必须先在通信双方部署一致的密钥。
SSL利用非对称密钥算法加密密钥的方法实现密钥交换，保证第三方无法获取该密钥。如图3所示，SSL客户端（如Web浏览器）利用SSL服务器（如Web服务器）的公钥加密密钥，将加密后的密钥发送给SSL服务器，只有拥有对应私钥的SSL服务器才能从密文中获取原始的密钥。SSL通常采用RSA算法加密传输密钥。
图3 密钥交换示意图
实际上，SSL客户端发送给SSL服务器的密钥不能直接用来加密数据或计算MAC值，该密钥是用来计算对称密钥和MAC密钥的信息，称为premaster secret。SSL客户端和SSL服务器利用premaster secret计算出相同的主密钥（master secret），再利用master secret生成用于对称密钥算法、MAC算法等的密钥。premaster secret是计算对称密钥、MAC算法密钥的关键。
l 用来实现密钥交换的算法称为密钥交换算法。非对称密钥算法RSA用于密钥交换时，也可以称之为密钥交换算法。
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利用非对称密钥算法加密密钥之前，发送者需要获取接收者的公钥，并保证该公钥确实属于接收者，否则，密钥可能会被非法用户窃取。如图1所示，Cindy冒充Bob，将自己的公钥发给Alice，Alice利用Cindy的公钥加密发送给Bob的数据，Bob由于没有对应的私钥无法解密该数据，而Cindy截取数据后，可以利用自己的私钥解密该数据。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性，详细介绍请参见“2.5 利用PKI保证公钥的真实性”。
2.5 利用PKI保证公钥的真实性
PKI通过数字证书来发布用户的公钥，并提供了验证公钥真实性的机制。数字证书（简称证书）是一个包含用户的公钥及其身份信息的文件，证明了用户与公钥的关联。数字证书由权威机构——CA签发，并由CA保证数字证书的真实性。
SSL客户端把密钥加密传递给SSL服务器之前，SSL服务器需要将从CA获取的证书发送给SSL客户端，SSL客户端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器，则利用该证书中的公钥加密密钥，发送给SSL服务器。
验证SSL服务器/SSL客户端的身份之前，SSL服务器/SSL客户端需要将从CA获取的证书发送给对端，对端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器/SSL客户端，则对端利用该证书中的公钥验证SSL服务器/SSL客户端的身份。
3 协议工作过程
3.1 SSL的分层结构
图4 SSL协议分层
如图4所示，SSL位于应用层和传输层之间，它可以为任何基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。SSL协议本身分为两层： l 上层为SSL握手协议（SSL handshake protocol）、SSL密码变化协议（SSL change cipher spec protocol）和SSL警告协议（SSL alert protocol）； l 底层为SSL记录协议（SSL record protocol）。 其中：
l SSL握手协议：是SSL协议非常重要的组成部分，用来协商通信过程中使用的加密套件（加密算法、密钥交换算法和MAC算法等）、在服务器和客户端之间安全地交换密钥、实现服务器和客户端的身份验证。
l SSL密码变化协议：客户端和服务器端通过密码变化协议通知对端，随后的报文都将使用新协商的加密套件和密钥进行保护和传输。
l SSL警告协议：用来向通信对端报告告警信息，消息中包含告警的严重级别和描述。 l SSL记录协议：主要负责对上层的数据（SSL握手协议、SSL密码变化协议、SSL警告协议和应用层协议报文）进行分块、计算并添加MAC值、加密，并把处理后的记录块传输给对端。
3.2 SSL握手过程