TLS/SSL加密技术详解

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我们来深入、全面地讲解 TLS/SSL 加密。这不仅是一个技术术语，更是现代互联网安全的基石。我们将从“为什么需要它”开始，逐步深入到其核心概念、工作原理和关键细节。

1. 为什么需要 TLS/SSL？—— 解决核心安全问题

在没有加密的网络中（如早期的 HTTP），数据以明文形式传输，就像寄送一张明信片，任何人中途都可以看到、窃取甚至篡改其内容。这带来了三个核心安全问题：

窃听（Eavesdropping）：攻击者可以截获你的密码、信用卡号、聊天记录等敏感信息。
篡改（Tampering）：攻击者可以修改传输中的数据，例如，将“向A转账100元”改为“向B转账1000元”。
冒充（Impersonation）：你如何确定你正在访问的网站就是真正的那个网站，而不是一个黑客搭建的钓鱼网站？

TLS/SSL 协议就是为了同时解决这三个问题而设计的。

加密 -> 解决窃听问题。
完整性校验 -> 解决篡改问题。
身份认证 -> 解决冒充问题。

2. 基本概念与澄清

SSL (Secure Sockets Layer)：由网景公司（Netscape）在90年代开发。我们通常说的是 SSL 3.0，但此版本已被发现存在严重漏洞（如 POODLE），现已完全被废弃。
TLS (Transport Layer Security)：是 SSL 的标准化和升级版，由 IETF 制定。我们现在使用的都是 TLS。
- 版本历史： TLS 1.0 (1999) -> TLS 1.1 (2006) -> TLS 1.2 (2008) -> TLS 1.3 (2018)。
- 现状：TLS 1.2 是目前最广泛支持的版本，而 TLS 1.3 是最新、最快速、最安全的版本，正在快速普及。

尽管技术上我们都在用 TLS，但出于习惯，很多人仍然称之为“SSL”。当你购买“SSL证书”时，你买的实际上是用于TLS协议的X.509证书。

3. TLS 的核心工作原理：混合加密系统

TLS 的巧妙之处在于它并非只使用一种加密方式，而是结合了两种加密方式的优点，形成混合加密系统。

3.1 两种加密类型

非对称加密（Asymmetric Cryptography）
- 原理：使用一对 mathematically related 的密钥：公钥（Public Key） 和 私钥（Private Key）。公钥可以公开给任何人，私钥必须严格保密。
  - 加密：用公钥加密的数据，只能用对应的私钥解密。
  - 签名：用私钥签名的数据，可以用对应的公钥验证签名来源和完整性。
- 优点：解决了密钥分发问题（公钥可以随便传）。
- 缺点：计算非常缓慢，比对称加密慢1000倍以上。
- 常见算法：RSA, ECDSA, DH。
对称加密（Symmetric Cryptography）
- 原理：加密和解密使用同一个密钥。
- 优点：计算速度极快，效率高，适合加密大量数据。
- 缺点：如何安全地将这个共享的密钥传递给通信双方，是一个难题（密钥分发问题）。
- 常见算法：AES, ChaCha20。

3.2 TLS 的智慧：取长补短

TLS 的握手过程完美地结合了二者：

使用非对称加密来安全地验证身份并交换一个随机的对称密钥（称为“会话密钥”）。
使用对称加密和这个共享的会话密钥来加密实际传输的应用数据。

这样既解决了对称加密的密钥分发难题，又利用对称加密的高效率来处理海量数据。

4. TLS 握手过程详解（以 TLS 1.2 为例）

这是理解 TLS 最关键的部分。下图直观地展示了 TLS 1.2 的握手流程（基于RSA密钥交换），接下来我们会分步详解：

步骤详解：

ClientHello：
- 客户端向服务器发起连接，并发送：
  - 支持的 TLS 版本号。
  - 客户端生成的随机数（Client Random），后续用于生成密钥。
  - 支持的**密码套件（Cipher Suites）**列表（例如 TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256），它定义了后续加密、认证、密钥交换等用到的具体算法组合。
ServerHello：
- 服务器回应：
  - 从客户端列表中选择的 TLS 版本和密码套件。
  - 服务器生成的随机数（Server Random），后续用于生成密钥。
- Certificate：
  - 服务器将自己的 SSL 证书（包含公钥）发送给客户端。该证书通常由受信任的第三方机构（CA）签发，用于证明服务器的身份。
- ServerHelloDone：
  - 表示服务器问候结束。
证书验证与密钥交换（ClientKeyExchange）：
- 客户端验证证书：客户端（浏览器）会检查证书的有效性（是否由可信CA签发、域名是否匹配、是否在有效期内等）。如果失败，会向用户发出警告。
- 生成预备主密钥：客户端生成另一个随机数，称为预备主密钥（Pre-Master Secret, PMS）。
- 加密PMS：客户端使用证书中的服务器公钥加密这个 PMS，然后通过 ClientKeyExchange 消息发送给服务器。
生成会话密钥：
- 服务器端：服务器用自己的私钥解密得到 PMS。
- 双方计算：现在，客户端和服务器都拥有了三个值：Client Random、Server Random 和 PMS。它们双方使用相同的密钥派生函数，根据这三个参数独立计算出一组相同的主密钥（Master Secret），最终衍生出用于对称加密的会话密钥。
就绪验证：
- 客户端和服务器互相发送 ChangeCipherSpec 消息，通知对方：“从现在开始，后续的所有通信都将使用刚刚生成的会话密钥进行加密和验证”。
- 双方再发送一条 Finished 消息，这条消息本身是加密的，包含之前所有握手消息的摘要，用于验证整个握手过程是否被篡改。
安全数据传输：
- 握手完成！此后，双方使用高效的对称加密（如AES）和会话密钥来加密和解密所有的应用数据（HTTP请求/响应等）。

5. TLS 1.3 的重大改进

TLS 1.3 是对 1.2 的一次重大升级，核心目标是更快、更简单、更安全。

更快的握手（1-RTT 和 0-RTT）：
- 简化握手：TLS 1.3 将握手过程压缩到了 1个往返（1-RTT） 内完成，速度大幅提升。它通过将密钥交换和密码套件等信息在第一次 ClientHello 中就发送出去，服务器可以直接响应，省去了1.2中的多次往返。
- 0-RTT (零往返时间)：对于近期访问过的网站，甚至可以在第一次消息中就携带加密的应用数据，进一步降低延迟（但有一定重放攻击风险）。
更安全（禁用不安全的算法）：
- TLS 1.3 移除了所有不安全的加密算法和密钥交换方式，包括静态RSA密钥交换（上述1.2例子中的方式）、DES、RC4、SHA-1等。
- 只支持前向安全（Forward Secrecy） 的密钥交换算法（如ECDHE）。前向安全意味着即使服务器的私钥在未来某天被泄露，攻击者也无法用它解密之前截获的通信记录，因为每次会话的密钥都是临时生成的。

6. 重要相关概念

SSL/TLS 证书：一个数字文件，遵循X.509标准，绑定了域名、公司信息和公钥。由证书颁发机构（CA）用其私钥签名，形成信任链。
证书颁发机构（CA）：受信任的第三方组织（如 DigiCert, Let’s Encrypt）。浏览器和操作系统内置了受信任的CA根证书列表。通过信任CA，来间接信任它签发的服务器证书。
前向安全（Forward Secrecy）：如上所述，是TLS 1.3的强制要求，也是现代安全的重要特性。
SNI (Server Name Indication)：允许一个IP地址上托管多个HTTPS网站。客户端在 ClientHello 中就指明要访问哪个域名，服务器才能返回正确的证书。