安全通信协议是一类用于保护计算机网络上数据传输安全的协议。这些协议通过加密、身份验证和数据完整性机制来防止数据被窃听、篡改或伪造。以下是一些主要的安全通信协议：SSL/TLS, IPsec, SSH, HTTPS, PGP/GPG, DTLS, S/MIME

以下我们着重介绍SSL/TLS和HTTPS

SSL/TLS

SSL：Secure Socket Layer（安全套接层） 是用于两个通信应用程序之间提供安全连接的协议，目前SSL证书均已停用

TLS：Transport Layer Security （传输层安全协议），是SSL的升级版本，用于修复SSL安全漏洞，虽然TLS被广泛使用，但依然沿用SSL称呼

TLS历史发展

SSL1.0(1995年) 存在严重漏洞，未被公开发布

SSL2.0(1995) 首次公开发布版本，存在漏洞，如不完全的握手和容易遭受攻击

SSL3.0(1996) 易受POODLE攻击，已被认为不安全协议

TLS1.0(1999) 受BEAST攻击，逐渐被弃用

TLS1.1(2006) 增强了CBC模式保护，防止了某些攻击, 但目前逐渐被更新版本取代

TLS1.2(2008) 引入了更多加密算法支持，改进了密钥导出和签名计算方式，更加灵活安全，目前依然广泛使用，被认为是安全的

TLS1.3(2018) 大幅简化了握手过程，减少了延迟，引入了前向保密性（Forward Secrecy)作为默认特性，是目前的最新版本，广泛推行和应用

层次结构

SSL/TLS协议由多个子协议构成，每个子协议负责不同的功能

• 握手协议（Handshake Protocol）
  • 负责建立和管理安全连接，包括协商安全参数和密码套件、服务器身份认证(客户端身份认证可选)、密钥交换
• 记录协议（Record Protocol）
  • 负责数据分片、压缩、加密和传输，确保数据的机密性和完整性。
• 警报协议（Alert Protocol）
  • 对握手协议中一些异常的错误提醒，分为fatal和warning两个级别，fatal类型的错误会直接中断SSL链接，而warning级别的错误SSL链接仍可继续，只是会给出错误警告。
• 变化密码规范协议（Change Cipher Spec Protocol）
  • 用于通知对方使用新的加密算法和密钥，一条消息表明握手协议已经完成。

SSL/TLS握手协议

SSL/TLS协议能够提供的安全目标主要包括如下几个：

• 认证性——借助数字证书认证服务器端和客户端身份，防止身份伪造
• 机密性——借助加密防止第三方窃听
• 完整性——借助消息认证码(MAC)保障数据完整性，防止消息篡改
• 重放保护——通过使用隐式序列号防止重放攻击

为了实现这些安全目标，SSL/TLS协议被设计为一个两阶段协议，分为握手阶段和应用阶段

1. 客户端 Hello（ClientHello）[人话版：Client：我能理解的cipher suit有RSA/3DES等，我们使用什么cipher suit进行通信]
   • 客户端发送 ClientHello 消息，其中包含：
     • 支持的协议版本（如 TLS 1.2）
     • 支持的加密套件列表
     • 支持的压缩方法
     • 随机数
     • 其他扩展（如服务器名称指示 SNI）
2. 服务器 Hello（ServerHello）[人话版：Server: 我们就用RSA/3DES进行通信吧]
   • 服务器响应 ServerHello 消息，其中包含：
     • 协议版本（如 TLS 1.2）
     • 选择的加密套件
     • 选择的压缩方法
     • 随机数
     • 其他扩展
3. 服务器证书（Server Certificate）[人话版：Server: 这是我的身份证明，你看看]
   • 服务器发送其数字证书，包含公钥，客户端用来验证服务器的身份。
4. 服务器密钥交换（Server Key Exchange 可选）[人话版：Server: 如果证书信息不足的话，我们使用这些信息来进行密钥交换吧]
   • 如果使用临时密钥交换算法（如 ECDHE 或 DHE），服务器发送密钥交换消息。
5. 服务器证书请求（Server Certificate Request， 可选）[人话版：Server: 对了，也给我下你的身份证明吧]
   • 如果需要客户端身份验证，服务器请求客户端证书。
6. 服务器握手结束（Server Hello Done）[人话版：Server: 问候到此结束]
   • 服务器发送 ServerHelloDone 消息，表示握手消息结束。
7. 客户端证书（Client Certificate， 可选）[人话版：client: 给你我的证书]
   • 如果服务器请求，客户端发送其数字证书。
8. 客户端密钥交换（Client Key Exchange）[人话版：client: 这是经过你的公钥加密后的预备主密码]
   • 客户端生成预主密钥，用服务器的公钥加密后发送给服务器, 预主密钥用于生成最终的会话密钥。
   • 服务端收到预主密钥后，会使用其私钥解密，客户端和服务器使用预主密钥和随机数生成主密钥，再派生出会话密钥。
9. 证书验证（Certificate Verify， 可选）[人话版：client: 我就是持有客户端证书本人]
   • 如果客户端发送了证书，客户端发送此消息以证明其身份。
10. 客户端更改密码规范（Client ChangeCipherSpec）[人话版：Client: 好的，我现在切换为我们协商好的密码进行后续通信]
    • 客户端发送 ChangeCipherSpec 消息，表示后续通信将使用协商好的加密算法和会话密钥。
11. 客户端完成（Client Finished）[人话版：client: 握手协议到此结束]
    • 客户端发送 Finished 消息，包含握手过程的摘要，使用会话密钥加密。
12. 服务器更改密码规范（Server ChangeCipherSpec）[人话版：server: 好的，我也要切换密码了]
    • 服务器发送 ChangeCipherSpec 消息，表示后续通信将使用协商好的加密算法和会话密钥。
13. 服务器完成（Server Finished）[人话版：server: 好的，握手协议到此结束]
    • 服务器发送 Finished 消息，包含握手过程的摘要，使用会话密钥加密。

TLS1.3对握手过程进行了简化，减少了消息数量，整个握手过程如下

1. 客户端 Hello（ClientHello）
   • 客户端发送 ClientHello 消息，其中包含：
     • 支持的协议版本（如 TLS 1.3）
     • 支持的加密套件列表
     • 支持的密钥共享方法（如 ECDHE）
     • 支持的签名算法
     • 支持的哈希算法
     • 随机数
     • 其他扩展（如服务器名称指示 SNI）
2. 服务器 Hello（ServerHello）
   • 服务器响应 ServerHello 消息，其中包含：
     • 协议版本（如 TLS 1.3）
     • 选择的加密套件
     • 选择的密钥共享方法
     • 随机数
     • 其他扩展
3. 服务器证书（Server Certificate）
   • 服务器发送其数字证书，包含公钥，客户端用来验证服务器的身份。
4. 服务器证书验证（Certificate Verify）
   • 服务器发送证书验证消息，使用服务器的私钥对握手消息签名，证明其身份。
5. 服务器握手完成（Server Finished）
   • 服务器发送 Finished 消息，包含握手过程的摘要，使用会话密钥加密。
6. 客户端证书（Client Certificate， 可选）
   • 如果服务器请求，客户端发送其数字证书。
7. 客户端证书验证（Certificate Verify）
   • 客户端发送证书验证消息，使用客户端的私钥对握手消息签名，证明其身份。
8. 客户端握手完成（Client Finished）
   • 客户端发送 Finished 消息，包含握手过程的摘要，使用会话密钥加密。

TLS1.2 Vs TLS1.3

由上述握手过程可以看出，TLS1.3的握手过程比TLS1.2的握手过程简洁了不少，握手过程是两者的关键区别

• Difference 1：往返时间（RTT）

  往返时间 (RTT) 是指信号从发送端到接收端再返回所需的时间。 在 TLS 等协议中，RTT 至关重要，因为它直接影响用户浏览器和网站服务器建立安全连接的速度。

  在 TLS 1.2 中，当浏览器连接到安全网站时，握手过程需要在客户端（浏览器）和服务器之间往返两次，然后才能开始安全地交换数据。

  TLS 1.2 中的两步握手会带来延迟，尤其是在客户端和服务器之间距离较远的情况下，延迟会更明显

  TLS 1.3号称 0-RTT, 通过合并客户端和服务端的 “Hello”信息，将客户端与服务端之间的往返次数从两次减少到了一次。

• Difference 2：密码套件（Cipher suit）

  TLS 1.2 支持多种密码套件，提供各种加密、身份验证和散列算法组合。 但是，选择的丰富性增加了选择安全性较低的密码套件的风险，可能会使通信暴露于漏洞之中

  TLS 1.3 将支持的密码套件缩减到五个，全部基于关联数据验证加密（AEAD）原理。 这种简化旨在提高安全性和效率。

  LS 1.3 中受限但安全的密码套件选项降低了协商的复杂性，减少了无意中使用弱加密算法的可能性。

• Difference 3：完美的前向保密（PFS）

  完美前向保密（PFS）是一种加密功能，旨在防止在长期密钥泄露的情况下暴露过去的通信。

  TLS 1.3 默认启用完美前向保密（PFS）。 这意味着，即使有人设法窃取了您安全通信所用的密钥，他们也无法解密过去的信息。 这就像定期更换门锁一样。

  目前，在 TLS 1.2 中，使用这种额外的安全功能是可选的。 因此，如果您没有特别选择，如果有人掌握了您的秘钥，他们就有可能解密并读取您以前的信息。

  从本质上讲，TLS 1.3 可确保您过去的数据传输无论如何都不会被锁定，与 TLS 1.2 相比提供了更高的安全级别。

• Difference 4：密钥交换机制

  TLS 1.2 使用多种密钥交换方法，包括RSA（Rivest-Shamir-Adleman）和 Diffie-Hellman 方法。 RSA 包括服务器向客户端发送加密的预主密文，而 Diffie-Hellman 允许客户端和服务器通过开放信道建立共享密文。 不过，TLS 1.2 通常默认使用 RSA 进行密钥交换。

  现在，在 TLS 1.3 中，默认密钥交换机制发生了明显的变化。 该协议要求使用 Diffie-Hellman 密钥交换，特别是椭圆曲线变体 (ECDHE)。 这种方法可确保更高效、更安全地协商加密密钥。