SSL/TLS介绍

本文主要介绍SSL(Secure Sockets Layer)/TLS(Transport Layer Security)的相关知识。

1 概述

SSL及其继任者TLS是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。

SSL由Netscape研发，用以保障在Internet上安全地进行数据传输，利用数据加密“Encryption”技术，可确保数据在网络传输过程中不会被截取或窃听。SSL的当前版本为3.0，它已被广泛地用于Web浏览器与服务器之间的身份认证和加密数据传输场景中。

TLS用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。

SSL与TLS都是在传输层上对网络连接进行加密的。

2 作用

SSL/TLS的主要作用如下：

1. 认证用户和服务器，确保数据被发送到正确的客户端和服务器上；
2. 加密数据以防止数据传输过程中被窃取；
3. 维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不被篡改。

3 SSL的工作过程

3.1 发送方的工作过程

消息发送方的工作过程如下：

1. 从上层接收要发送的数据（包括各种消息和数据）；
2. 对接收到的数据进行分段，分成若干纪录；
3. 使用指定的压缩算法进行数据压缩（可选）；
4. 使用指定的MAC（消息验证码，Message Authentication Code）算法生成MAC；
5. 使用指定的加密算法进行数据加密；
6. 添加SSL记录协议的头，发送数据。

3.2 接收方的工作过程

消息接收方的工作过程如下：

1. 接收数据，从SSL记录协议的头中获取相关信息；
2. 使用指定的解密算法解密数据；
3. 使用指定的MAC算法校验MAC；
4. 使用压缩算法对数据解压缩（在需要时进行）；
5. 将若干记录进行数据重组；
6. 将重组后的数据发送给上层。

说明：SSL记录协议处理的最后一个步骤是附加一个SSL记录协议的头，以便构成一个SSL记录。SSL记录协议头中包含了SSL记录协议的若干控制信息。

4 SSL的会话状态

会话（Session）和连接（Connection）是SSL中两个重要的概念，两者定义如下：

• SSL会话：是指客户端和服务器之间的一个关联关系。SSL会话通过握手协议来创建。它定义了一组安全参数；
• SSL连接：用于提供某种类型的服务数据的传输，SSL连接是一种点对点的关系。一般来说，连接的维持时间比较短，并且每个连接一定与某一个会话相关联。

一次会话过程通常会发起多个SSL连接来完成任务，例如一次网站访问可能需要多个HTTP/SSL/TCP连接来下载其中的多个页面，这些连接共享会话定义的安全参数，这种共享方式可以避免为每个SSL连接单独进行安全参数的协商，而只需在会话建立时进行一次协商，从而提高了网络通信的效率。

每一个会话（或连接）都存在一组与之相对应的状态，会话（或连接）的状态表现为一组与其相关的参数集合，最主要的内容是与会话（或连接）相关的安全参数的集合，这些参数用于会话（或连接）中的加密解密、认证等安全功能的实现。

5 HTTPS介绍

HTTPS(HTTP over SSL，HTTP Secure)是以安全为目标的HTTP通道，在HTTP的基础上通过传输加密和身份验证保证了传输过程的安全性。

HTTPS由Netscape开发并内置于其浏览器中，用于对数据进行压缩和解压操作，并返回由网络传送的结果。HTTPS实际上应用了Netscape的SSL作为HTTP应用层的子层。HTTPS使用端口“443”，而不是像HTTP那样使用端口“80”来进行TCP/IP通信。

HTTPS在HTTP的基础上加入了SSL，HTTPS的安全基础是SSL，因此加密的详细内容就需要SSL。

6 单向/双向TLS认证

6.1 单向TLS认证

首先介绍单向TLS认证，即通信的一方验证另一方的身份。

单向TLS认证的一个常见应用场景是：我们通过浏览器访问银行的网页。在这个场景中，我们需要先验证银行的身份（是否正确），（确保身份正确的情况下）然后才敢在这个银行的网页里输入银行账号和密码。

浏览器验证银行的身份的过程如下：

1. 在浏览器和银行的HTTPS服务建立安全连接的过程中，银行的HTTPS服务会把它的身份证（身份信息）发给浏览器；
2. 浏览器使用内置的CA（Certificate Authority，即证书颁发机构）身份证来验证银行的身份。

当浏览器验证了银行的HTTPS服务的身份之后，银行也会验证浏览器（用户）的身份，过程如下：

1. 浏览器展示银行HTTPS服务发来的登录页面；
2. 用户在这个页面里输入银行账号和密码，银行的HTTPS服务根据用户输入的信息验证用户的身份。

在上面的两种认证过程中：浏览器对于银行身份的认证过程属于TLS单向认证；而在银行验证用户身份的过程中，银行是通过用户输入的银行账号和密码来验证（用户的身份）的。

6.2 双向TLS认证

有些情况下，通信的双方都是程序（而不是用户），此时，如果让通信的一方输入账号和密码来进行身份认证（如6.1节介绍的那样）的话，在设计和实现上会比较复杂。这种情况下，通常会让双方都通过TLS认证来进行身份认证，尤其是在分布式系统里，有多种类型的程序互相通信时，双向TLS认证会更加简单便捷。

比如在Kubernetes机群里，操作机群的客户端程序kubectl需要验证“Kubernetes master node”（具体的说是“apiserver”）的身份，而后才能放心地把包括敏感信息（比如数据库密码）的计算作业提交给“apiserver”。同时，“apiserver”也需要验证“kubectl”的身份，以确认提交作业的是公司的合法雇员，而不是外贼。

所以，为了实现双向TLS认证，系统中的通信各方都需要有各自的身份证。一个公司可以自签名一个CA身份证，并且用它来给每个雇员以及每个程序签署身份证。这样，只要每台电脑上都预先安装好公司的CA身份证，就可以用这个身份证验证每个雇员和程序的身份了——这也是目前很多公司的常用做法。