TLS协议详解-过程和优化

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前言

上一节，主要是熟悉一些基本概念和原理，本节主要是介绍，TLS1.2版本协议通讯过程的梳理和优化。这样在遇到分析https网址的时候就有基本思路了

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TLS协议的组成

记录协议（Record Protocol）

记录协议规定了TLS收发数据的基本单位：记录（Record）。它有点像是TCP里的segment。所有的其他子协议都是需要通过记录协议发出。但多个记录数据可以在一个TCP包一次性发出。

报警协议（Alert Protocol）

报警协议的职责是向对方发出报警信息，有点类似HTTP里的状态码。比如 protocol_version就是不支持旧版本，bad_certificate 就是证书有问题，收到报警后，另一方可以选择继续，也可以立即终止连接。

握手协议（Handshark Protocol）

浏览器和服务器会在握手过程中协商TLS版本号，随机数，密码套件等信息，然后交换证书和秘钥参数，最终双方协商得到会话秘钥，用于后续混合加密。

变更密码规范协议 （Change Cipher Spec Protocol）

就是一个通知，告诉对方，后续的数据将使用加密保护。而之前的数据都是明文的。

TLS1.2 通讯过程

ECDHE握手

RSA握手（已不是主流）

“Pre-Master”不再需要算法生成，而是客户端直接生成随机数。

HTTPS 优化

硬件优化

软件优化

Linux内核，Nginx， OpenSSL等软件升级

协议优化

如果有可能，尽量采用TLS1.3, 大幅度简化握手过程，完全握手只要1-RTT。

如果使用TLS1.2 握手时秘钥交换协议，尽量采用椭圆曲线的ECDHE算法，它运算速度快，安全性高，还支持“False Start”,能够把握手的消息往返由2-RTT减少到1-RTT。

证书优化

除了秘钥交换，握手过程中的证书验证也是一个耗时的操作，服务器需要把自己的证书链全发给客户端，然后客户端接收后再逐一验证。

客户端证书验证是一个很复杂的操作，除了要公钥解密验证多个证书签名外，因为证书还有可能被撤销失效，客户端有时候还会再去访问CA，下载CRL或者OCSP数据，这又会产生DNS查询，建立连接，收发数据等一系列网络通讯，增加很多RTT。

CRL（Certificate revocation list,证书吊销列表）由CA定期发布，里面是所有被撤销信任的证书序号，查询这个列表就可以知道证书是否有效。

CRL因为是“定期”发布，就有“时间窗口”的安全隐患，而且随着吊销证书的增多，列表会原来越大，一个CRL经常会达到MB。效率不高。

CRL基本上不用了，替代者是OCSP（Online Certificate Status Protocol, 在线证书状态协议），向CA发送查询请求，让CA返回证书有效状态。

但是OCSP也要多出一次网络请求的消耗，而且依赖CA服务器，如果CA服务器很忙，那响应延迟也是等不起的。

OCSP Stapling, 它可以让服务器预先访问CA获取OCSP响应，然后在握手时随证书一起发给客户端，免去客户端连接CA服务器查询的时间。

Nginx 可以通过指令“ssl_stapling on”开启“OCSP Stapling”。

因为OCSP会增加额外的网络连接成本，所以Chrome等浏览器的策略是只对EV证书使用OCSP检查有效性，普通网站的DV,OV证书忽略这个操作。

会话复用

会话复用（TLS session resumption)

Session ID

客户端和服务器端首次连接后各自保存一个会话ID号，内存里存储主秘钥和其他相关信息。当客户端再次连接时候发一个ID过来，服务器就在内存里面找，找到就直接用主秘钥恢复会话状态，跳过证书验证和秘钥交换，只用一个消息往返就建立了安全通讯。

Session Ticket

Session ID 是最早出现的会话复用技术，也是应用最广的，但它也有缺点，服务器必须保存每个客户端的会话数据，服务器负担较重。

Session Ticket方案，类似HTTP的Cookie，存储的责任由服务器转移到了客户端，服务器加密会话信息，用“New Session Ticket”消息发给客户端，让客户端保存。
重连的时候，客户端使用扩展“session_ticket”发送Ticket而不是Session ID,服务器解密后验证有效期，就可以恢复会话，开化加密通讯。

PSK

“Session ID”和“Session Ticket” 这两种会话复用技术在TLS1.3中已经被废除，采用的是PSK实现会话复用。
“False Start” “Session ID” "Session Ticket"等方式只能实现1-RTT，而TLS1.3更进一步实现了“0-RTT”，在发送Ticket的同时会带上应用数据（Early Data）,免去了1.2里面的服务器确认步骤，这种方式叫“Pre-shared Key”，简称PSK。

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