真正“搞”懂HTTPS协议18之TLS特性解析

zaking

发布于 2023-02-17 11:00:11

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　　上一篇，我们讲了TLS的握手过程，我们参照的版本其实是TLS1.2。这个协议是2008年的老协议了，虽然它的价值不言而喻，但是毕竟年纪大了，不太能跟得上时代了。所以，经历了诸多磨难的TLS1.3在2018年也登场了，再次确立了信息安全领域的新标准。那我们先来看看TLS1.3有哪些改进。

一、最大化兼容性

　　由于1.1、1.2等协议已经出现了很多年，很多应用软件、中间代理等（官方被称为“MiddleBox”）只认老的记录协议格式，就像是HTTP/3抛弃了TCP作为底层的原因类似。更新改造很困难，甚至是不可能的。

　　在早期的试验中发现，一旦变更了记录头字段里的版本号，也就是由 0x303（TLS1.2）改为 0x304（TLS1.3）的话，大量的代理服务器、网关都无法正确处理，最终导致 TLS 握手失败。

　　为了保证这些被广泛部署的“老设备”能够继续使用，避免新协议带来的“冲击”，TLS1.3 不得不做出妥协，保持现有的记录格式不变，通过“伪装”来实现兼容，使得 TLS1.3 看上去“像是”TLS1.2。

　　那怎么办呢？在针对这种协议升级导致的向下兼容问题，其实解决的方案都是殊途同归。就只能包含旧的协议了呗。

　　在TLS1.3中，用了一个新的“扩展协议”（Extension Protocol），它有点“补充条款”的意思，通过在记录末尾添加一系列的“扩展字段”来增加新的功能，老版本的 TLS 不认识它可以直接忽略，这就实现了“后向兼容”。

　　在记录头的 Version 字段被兼容性“固定”的情况下，只要是 TLS1.3 协议，握手的“Hello”消息后面就必须有“supported_versions”扩展，它标记了 TLS 的版本号，使用它就能区分新旧协议。

Handshake Protocol: Client Hello
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Extension: supported_versions (len=11)
        Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
        Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)

　　TLS1.3 利用扩展实现了许多重要的功能，比如“supported_groups”、“key_share”、“signature_algorithms”、“server_name”等，这些等后面用到的时候再说。

二、强化安全

　　TLS1.2 在十来年的应用中获得了许多宝贵的经验，陆续发现了很多的漏洞和加密算法的弱点，所以 TLS1.3 就在协议里修补了这些不安全因素。比如：

伪随机数函数由 PRF 升级为 HKDF（HMAC-based Extract-and-Expand Key Derivation Function）；
明确禁止在记录协议里使用压缩；
废除了 RC4、DES 对称加密算法；
废除了 ECB、CBC 等传统分组模式；
废除了 MD5、SHA1、SHA-224 摘要算法；
废除了 RSA、DH 密钥交换算法和许多命名曲线。

　　嗯……了解下就行了。

　　经过这一番瘦身后，TLS1.3只保留了AES、ChaCha20对称加密算法，分组模式只能用 AEAD 的 GCM、CCM 和 Poly1305，摘要算法只能用 SHA256、SHA384，密钥交换算法只有 ECDHE 和 DHE，椭圆曲线也被“砍”到只剩 P-256 和 x25519 等 5 种。

　　算法精简后带来了一个意料之中的好处：原来众多的算法、参数组合导致密码套件非常复杂，难以选择，而现在的 TLS1.3 里只有 5 个套件，无论是客户端还是服务器都不会再犯“选择困难症”了。

　　至于为啥会废除RSA和DH密钥交换算法呢？因为它不具备“前向安全”（Forward Secrecy）。什么意思呢？

　　假设有这么一个很有耐心的黑客，一直在长期收集混合加密系统收发的所有报文。如果加密系统使用服务器证书里的 RSA 做密钥交换，一旦私钥泄露或被破解（使用社会工程学或者巨型计算机），那么黑客就能够使用私钥解密出之前所有报文的“Pre-Master”，再算出会话密钥，破解所有密文。这就是所谓的“今日截获，明日破解”。

　　而 ECDHE 算法在每次握手时都会生成一对临时的公钥和私钥，每次通信的密钥对都是不同的，也就是“一次一密”，即使黑客花大力气破解了这一次的会话密钥，也只是这次通信被攻击，之前的历史消息不会受到影响，仍然是安全的。所以现在主流的服务器和浏览器在握手阶段都已经不再使用 RSA，改用 ECDHE，而 TLS1.3 在协议里明确废除 RSA 和 DH 则在标准层面保证了“前向安全”。

三、提升性能

　　HTTPS 建立连接时除了要做 TCP 握手，还要做 TLS 握手，在 1.2 中会多花两个消息往返（2-RTT），可能导致几十毫秒甚至上百毫秒的延迟，在移动网络中延迟还会更严重。

　　现在因为密码套件大幅度简化，也就没有必要再像以前那样走复杂的协商流程了。TLS1.3 压缩了以前的“Hello”协商过程，删除了“Key Exchange”消息，把握手时间减少到了“1-RTT”，效率提高了一倍。咋搞的呢？

　　其实具体的做法还是利用了扩展。客户端在“Client Hello”消息里直接用“supported_groups”带上支持的曲线，比如 P-256、x25519，用“key_share”带上曲线对应的客户端公钥参数，用“signature_algorithms”带上签名算法。

　　服务器收到后在这些扩展里选定一个曲线和参数，再用“key_share”扩展返回服务器这边的公钥参数，就实现了双方的密钥交换，后面的流程就和 1.2 基本一样了。我们来看张熟悉的图：

　　对比之前的图，有啥区别呢？在第一次传递记录的时候，就把支持的版本号吖、key_share等等传递给了服务器，服务器就可以根据这些字段处理数据返回给客户端，换句话说，其实就是打个提前量，减少请求次数。

　　其实夸张一点，所有的数据交换，来回一次就够了，只需要一个往返，你品品？

四、握手分析

　　我们直接看下它的流程图，注意对比上一小节的详细握手图，看看它们的区别。

　　还是四个步骤，我们来过一下噢~

　　首先还是TCP的三次握手，握手建立TCP连接后，浏览器还是首先发个“Client Hello”，因为 1.3 的消息兼容 1.2，所以开头的版本号、支持的密码套件和随机数（Client Random）结构都是一样的（不过这时的随机数是 32 个字节）。

Handshake Protocol: Client Hello
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: cebeb6c05403654d66c2329…
    Cipher Suites (18 suites)
        Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
        Cipher Suite: TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0x1303)
        Cipher Suite: TLS_AES_256_GCM_SHA384 (0x1302)
    Extension: supported_versions (len=9)
        Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
        Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Extension: supported_groups (len=14)
        Supported Groups (6 groups)
            Supported Group: x25519 (0x001d)
            Supported Group: secp256r1 (0x0017)
    Extension: key_share (len=107)
        Key Share extension
            Client Key Share Length: 105
            Key Share Entry: Group: x25519
            Key Share Entry: Group: secp256r1

　　注意“Client Hello”里的扩展，“supported_versions”表示这是 TLS1.3，“supported_groups”是支持的曲线，“key_share”是曲线对应的参数。

　　服务器收到“Client Hello”同样返回“Server Hello”消息，还是要给出一个随机数（Server Random）和选定密码套件。

Handshake Protocol: Server Hello
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: 12d2bce6568b063d3dee2…
    Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
    Extension: supported_versions (len=2)
        Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
    Extension: key_share (len=36)
        Key Share extension
            Key Share Entry: Group: x25519, Key Exchange length: 32

　　表面上看和 TLS1.2 是一样的，重点是后面的扩展。“supported_versions”里确认使用的是 TLS1.3，然后在“key_share”扩展带上曲线和对应的公钥参数。

　　这时只交换了两条消息，客户端和服务器就拿到了四个共享信息：Client Random 和 Server Random、Client Params 和 Server Params，两边就可以各自用 ECDHE 算出“Pre-Master”，再用 HKDF 生成主密钥“Master Secret”，效率比 TLS1.2 提高了一大截。

　　在算出主密钥后，服务器立刻发出“Change Cipher Spec”消息，比 TLS1.2 提早进入加密通信，后面的证书等就都是加密的了，减少了握手时的明文信息泄露。

　　这里 TLS1.3 还有一个安全强化措施，多了个“Certificate Verify”消息，用服务器的私钥把前面的曲线、套件、参数等握手数据加了签名，作用和“Finished”消息差不多。但由于是私钥签名，所以强化了身份认证和和防窜改。

　　这两个“Hello”消息之后，客户端验证服务器证书，再发“Finished”消息，就正式完成了握手，开始收发 HTTP 报文。

　　我们可以看到，其实就是在第一次传递消息的时候，通过扩展协议，减少数据的往返，提前进入数据传递的时间。