二. TLS协议的原理
1. 自顶向下，分层抽象
构建软件的常用方式是分层，把问题域抽象为多层，每一层的概念定义为一组原语，上一层利用下一层的组件构造实现，并被上一层使用，层层叠叠即成软件。
- 例如在编程语言领域中，汇编语言为一层，在汇编上面是C/C++等静态编译语言，C/C++之上是python/php/lua等动态类型脚本语言层，之上常常还会构造领域特定的DSL
- 在网络架构中，以太网是一层，其上是ip协议的网络层，ip之上是tcp等传输层，tcp之上是http等应用层
密码学通信协议也是分层构造得到。大致可以这么分层：
- 最底层是基础算法原语的实现，例如: aes , rsa， md5, sha256，ecdsa, ecdh 等（举的例子都是目前的主流选择，下同）
- 其上是选定参数后，符合密码学里标准分类的算法，包括块加密算法，签名算法，非对称加密算法，MAC算法等，例如： aes-128-cbc-pkcs7，rsaes-oaep ，rsassa-pkcs1-v1_5, hmac-sha256，ecdsa-p256，curve25519 等
- 再其上，是把多种标准算法组合而成的半成品组件，例如：对称传输组件例如 aes-128-cbc + hmac-sha256，aes-128-gcm，认证密钥协商算法: rsassa-OAEP + ecdh-secp256r1，数字信封：rsaes-oaep + aes-cbc-128 + hmac-sha256 ，文件密码加密存储组件：pbkdf2+aes-128-cbc-hmac-sha256，密钥扩展算法 PRF-sha256 等
- 再其上，是用各种组件拼装而成的各种成品密码学协议/软件，例如：tls协议，ssh协议，srp协议，gnupg文件格式，iMessage协议，bitcoin协议等等
第1层，一般程序员都有所了解，例如rsa，简直路人皆知; md5 被广泛使用(当然，也有广泛的误用)
第2层，各种莫名其妙的参数，一般很让程序员摸不着头脑，需要深入学习才能理清。
第3层，很多程序员自己造的轮子，往往说白了就是想重复实现第3层的某个组件而已。
第4层，正确地理解，使用，部署这类成熟的开放协议，并不是那么容易。很多的误用来源于不理解，需要密码学背景知识，才能搞懂是什么，为什么，怎么用。
最难的是理论联系实际。面对一个一团乱麻的实际业务问题，最难的是从中抽象分析出其本质密码学问题，然后用密码学概念体系给业务建模。在分析建模过程中，要求必须有严密的，体系化的思考方式。不体系化的思考方式会导致疏漏，或者误用。
第2层中，密码学算法，常见的有下面几类：
- 块加密算法 block cipher: AES, Serpent, 等
- 流加密算法 stream cipher: RC4，ChaCha20 等
- Hash函数 hash funtion:MD5，sha1，sha256，sha512 , ripemd 160，poly1305 等
- 消息验证码函数 message authentication code: HMAC-sha256，AEAD 等
- 密钥交换 key exchange: DH，ECDH，RSA，PFS方式的（DHE，ECDHE）等
- 公钥加密 public-key encryption: RSA，rabin-williams 等
- 数字签名算法 signature algorithm:RSA，DSA，ECDSA (secp256r1 , ed25519) 等
- 密码衍生函数 key derivation function: TLS-12-PRF(SHA-256) , bcrypto，scrypto，pbkdf2 等
- 随机数生成器 random number generators: /dev/urandom 等
每个类别里面的都有几个算法不断竞争，优胜劣汰，近几十年不断有老的算法被攻破被淘汰，新的算法被提出被推广。这一块话题广，水很深，内容多，陷阱也多，后续byron会翻译整理一系列文章，分享一下每一类里面个人收集的资料。
在此推荐一下 [ 开源电子书crypto101] 链接 https://www.crypto101.io/ ，讲的很透彻，而且很易读)
设计一个加密通信协议的过程，就是自顶向下，逐步细化，挑选各类组件，拼装成完整协议的过程
2. TLS CipherSuite
从上述分层的角度看，TLS大致是由3个组件拼成的：
- 1.对称加密传输组件，例如aes-128-gcm(这几个例子都是当前2015年最主流的选择);
- 2.认证密钥协商组件，例如rsa-ecdhe;
- 3.密钥扩展组件，例如TLS-PRF-sha256
这些组件可以再拆分为5类算法，在TLS中，这5类算法组合在一起，称为一个CipherSuite：
- authentication (认证算法)
- encryption (加密算法 )
- message authentication code (消息认证码算法 简称MAC)
- key exchange (密钥交换算法)
- key derivation function （密钥衍生算法)
TLS协议设计之初就考虑到了这每一类算法的演变，所以没有定死算法，而是设计了一个算法协商过程，来允许加入新的算法( 简直是软件可扩展性设计的典范！)，协商出的一个算法组合即一个CipherSuite
TLS CipherSuite 在 iana 集中注册，每一个CipherSuite分配有 一个2字节的数字用来标识 ，可以在 [iana的注册页面] 链接 https://www.iana.org/assignments/tls-parameters/tls-parameters.xhtml#tls-parameters-4 查看
iana注册页面截图：
在浏览器中，就可以查看当前使用了什么 CipherSuite，在地址栏上，点击一个小锁的标志，就可以看到了。
服务器端支持的CipherSuite列表，如果是用的openssl，可以用 openssl ciphers -V | column -t 命令查看，输出如：
例如其中这一行(这个是目前的主流配置):
0xC0,0x2F - ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256 TLSv1.2 Kx=ECDH Au=RSA Enc=AESGCM(128) Mac=AEAD
表示：
名字为ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256 的CipherSuite ，用于 TLSv1.2版本，使用 ECDHE 做密钥交换，使用RSA做认证，使用AES-128-gcm做加密算法，MAC由于gcm作为一种aead模式并不需要，所以显示为aead，使用SHA256做PRF算法。
可以参考 [man 1 ciphers] 链接 http://linux.die.net/man/1/ciphers
要注意的是，由于历史兼容原因，tls标准，和openssl的tls实现中，有一些极度不安全的CipherSuite，一定要禁用，比如：
-
-
EXP , EXPORT
- 一定要禁用。EXPORT表示上世纪美国出口限制弱化过的算法，早已经被攻破，TLS的FREAK 攻击就是利用了这类坑爹的算法。
-
-
eNULL, NULL
- 一定要禁用。NULL表示不加密！默认是禁用的。
-
-
aNULL
- 一定要禁用。表示不做认证(authentication) ，也就是说可以随意做中间人攻击。
-
-
ADH
- 一定要禁用。表示不做认证的 DH 密钥协商。
上面是举个例子，读者不要自己去研究怎么配置，这太容易搞错。
请按照mozilla官方给出的这个[权威文档] 链接 https://wiki.mozilla.org/Security/Server_Side_TLS#Recommended_configurations ，复制粘贴就好了。
CipherSuite的更多解释，配置方法等，可以参考byron之前写的一篇文章 [SSL/TLS CipherSuite 介绍] https://blog.helong.info/blog/2015/01/23/ssl_tls_ciphersuite_intro/
3. 协议分层
TLS是用来做加密数据传输的，因此它的主体当然是一个对称加密传输组件。为了给这个组件生成双方共享的密钥，因此就需要先搞一个认证密钥协商组件，故，TLS协议自然分为：
- 做对称加密传输的record协议 ，the record protocol
- 做认证密钥协商的handshake协议，the handshake protocol
还有3个很简单的辅助协议：
- changecipher spec 协议，the changecipher spec protocol, 用来通知对端从handshake切换到record协议(有点冗余，在TLS1.3里面已经被删掉了)
- alert协议，the alert protocol, 用来通知各种返回码，
- application data协议， The application data protocol，就是把http，smtp等的数据流传入record层做处理并传输。
这种 认证密钥协商 + 对称加密传输 的结构，是绝大多数加密通信协议的通用结构，在后文的更多协议案例中，我们可以看到该结构一再出现。
这5个协议中：
record协议在tcp流上提供分包，
图片来自网络：
其它的: handshake protocol, alert protocol, changeCipherSpec protocol, application data protocol都封装在record protocol的包里，然后在tcp上传输（此处以tcp举例，也有可能是udp，或者随便什么ipc机制等）
下文分别介绍，内容主要是翻译自 RFC5246，RFC5077，RFC4492
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