HTTPS

HTTPS协议及其相关

Posted by moloach on 2019-03-07

HTTPS = HTTP + 加密 + 认证 + 完整性保护

密码学

对称加密(Symmetric encryption)

通信双方使用同一密钥进行通信。

  1. 序列密码 将一字节的明文输入即可得到一字节的密文输出，一般针对无穷序列（RC4）
  2. 分组密码 每次加密一整块数据，例如128字节 需要填充有规律（AES）
    • 最后的字节指示填充的数据，解码的时候需要删除响应填充

散列函数（hash function） 摘要算法

将任意长度的输入转换为定长的输出的算法。 一般用于验证消息的完整性
特性：

  1. 单向性，无法得到原始输入
  2. 弱抗碰撞型， 一条信息只有一条散列
  3. 强抗碰撞型，计算上很难找到两条散列相同的消息

常见算法：

  1. SHA1 160位， 逐渐淘汰
  2. SHA256 变种等

消息验证代码（message authentication code MAC）

以身份验证扩展了散列函数的密码学函数,保证信息不被整体篡改
扩展：
基于散列的消息验证代码（hash-based message authentication code, HMAC）

分组密码模式

为了加密任意长度的数据，对分组密码的一种扩展。
ECB,CBC, CFB ,OFB ,CTR, GCM

  1. 电码本模式（electronic codebook ECB） 支持的数据长度刚好是块大小的整数倍，如果满足需要填充
    • 缺点：简单，很容易被攻击（TLS, BEAST）
  2. 加密块链模式（cipher block chaining， CBC） 为了解决ECB中确定性，引入了初始向量(initialization vertor IV)，开始时随机生成一个初始IV进行加密，之后使用上一块的密文作为IV,以此类推！

非对称加密（asymmetric encryption）

针对多用户之间通信，对称加密显得繁碎且不安全，非对称加密使用一种，多用户共享公钥，服务器保有私钥的方法来解决这个问题。

Alice 使用公钥加密， Bob使用私钥解密， Bob使用私钥加密，Alice也可以使用公钥解密!

核心特性:公钥加密只能私钥解密，私钥加密可以用公钥解密

缺点：

1. 性能差，不适用数据量大的场景， HTTPS下使用RSA来协商对称私钥，然后使用对称算法来通信

常用算法：RSA

数据签名（digital signature）

用于验证一条电子消息或者一片电子文档的真实性。
流程：

  1. 计算签名文档的散列
  2. 对结果散列和额外的元数据进行编码
  3. 使用私钥加密编码数据，其结果就是签名，可以追加到文档中作为身份验证的数据
  4. 接受方使用公钥来验证文件的完整性

其他相关

随机数生成

分为真/假随机数生成器（true random/ pseudorandom number generator TRNG/PRNG）

密码衡量强度

ENISA提供了文档

####中间人攻击（man-in-the-middle, MITM）
被动网络攻击（passvie network attack）监听双方会话等
主动网络攻击（active network attack） 劫持流量（证书链解决的问题）

reference: 《HTTPS 权威指南》

协议

详细规范：RFC 5246 (TLS1.2)

记录协议（record protocol）

负责在传输连接上交换所有的底层消息，应用数据的对称加密传输，占据一个TLS连接的绝大多数流量。

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struct {
    uint8 major;
    uint8 minor;
} ProtocolVersion;
enum {
    change_cipher_spec(20), 
    alert(21), 
    handshake(22),
    application_data(23), (255)
} ContentType;
struct {
    ContentType type;
    ProtocolVersion version;
    uint16 length;
    opaque fragment[TLSPlaintext.length];
} TLSPlaintext;

握手协议

reference: RFC 5246 rfc 6101

流程分为以下几类：

完整的握手 (full handshark)

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Client                                               Server

ClientHello                  -------->
                                                ServerHello
                                               Certificate*
                                         ServerKeyExchange*
                                        CertificateRequest*
                             <--------      ServerHelloDone
Certificate*
ClientKeyExchange
CertificateVerify*
[ChangeCipherSpec]
Finished                     -------->
                                         [ChangeCipherSpec]
                             <--------             Finished
Application Data             <------->     Application Data

       Figure 1.  Message flow for a full handshake
  1. 交换各自支持的功能，对需要连接的参数达成一致
  2. 验证初始的证书，或使用其他方式进行验证
  3. 对将用于保护会话的共享主密钥达成一致
  4. 验证握手消息未被第三方团体修改
ClientHello
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Handshake protocol: ClientHello
    Version: TLS 1.2
    Random
        Client time: May 22, 2030 02:43:46 GMT
        Random bytes: b76b0e61829557eb4c611adfd2d36eb232dc1332fe29802e321ee871
    Session ID: (empty)
    Cipher Suites
        Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256
        Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256
        Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256
        Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA
        Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA
        Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA
        Suite: TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
        Suite: TLS_RSA_WITH_RC4_128_SHA
    Compression methods
        Method: null
    Extensions
        Extension: server_name
            Hostname: www.feistyduck.com
        Extension: renegotiation_info
        Extension: elliptic_curves
            Named curve: secp256r1
            Named curve: secp384r1
        Extension: signature_algorithms
            Algorithm: sha1/rsa
            Algorithm: sha256/rsa
            Algorithm: sha1/ecdsa
            Algorithm: sha256/ecdsa

客户端身份验证

只有经过身份验证的服务器才允许请求客户端身份验证

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Client                                               Server

ClientHello                  -------->
                                                ServerHello
                                               Certificate*
                                         ServerKeyExchange*
                                        CertificateRequest*
                             <--------      ServerHelloDone
Certificate*
ClientKeyExchange
CertificateVerify*
[ChangeCipherSpec]
Finished                     -------->
                                         [ChangeCipherSpec]
                             <--------             Finished
Application Data             <------->     Application Data

       Figure 1.  Message flow for a full handshake

会话恢复

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Client                                                Server

ClientHello                   -------->
                                                 ServerHello
                                          [ChangeCipherSpec]
                              <--------             Finished
[ChangeCipherSpec]
Finished                      -------->
Application Data              <------->     Application Data

    Figure 2.  Message flow for an abbreviated handshake

密钥交换

公钥基础设施

  • 订阅人
    订阅人（或者说最终实体）是指那些需要证书来提供安全服务的团体。
  • 登记机构
    登记机构（registration authority，RA）主要是完成一些证书签发的相关管理工作。例如，
    RA会首先对用户进行必要的身份验证，然后才会去找CA签发证书。在某些情况下，当CA希望在用户附近建立一个分支机构时（例如在不同的国家建立当地登记中心），我们也称RA为本地登记机构（local registration authority，LRA）。实际上，很多CA也执行RA
    的职责。

  • 证书颁发机构
    证书颁发机构（certification authority，CA）是指我们都信任的证书颁发机构，它会在确认申请用户的身份之后签发证书。同时CA会在线提供其所签发证书的最新吊销信息，这样信赖方就可以验证证书是否仍然有效。

  • 信赖方
    信赖方（relying party）是指那些证书使用者。技术上来说，一般是指那些执行证书验证的网页浏览器、其他程序以及操作系统。他们是通过维护根可信证书库来执行验证的，
    这些证书库包含某些CA的最终可信证书（信任密钥，trust anchor）。更广泛地说，信赖方是指那些需要通过证书在互联网上进行安全通信的最终用户。

证书类型

  1. Binrary(DER) certificate 包含原始格式的X.509证书，使用DER ASN.1编码
  2. ASCII(PEM) certificate 包含base64编码过的DER证书，以-----BEGIN CERTIFICATE----- 开头，以 -----ENDCERTIFICATE----- 结尾
  3. Binrary(DER) key 包含DER ASN.1编码之后的密钥的原始格式
  4. ASCII(PEM) key包括base64编码后的DER密钥和一些元数据信息
  5. PKCS#7 certificate 用于签名和加密数据的传输，一般以.p7b .p7c结尾
  6. PKCS#12 key and certificate 一种用来保存服务器私钥和整个证书链的复杂格式 一般以.p12和.pfx结尾

常用命令

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#PEM 转 DER
openssl x509 -inform PEM -in fd.pem -outform DER -out fd.der

#DER 转 PEM
openssl x509 -inform DER -in fd.der -outform PEM -out fs.pem

# PKCS#12 <-----> pem
openssl pkcs12 -export -name "My certificate" -out fd.p12 -inkey fd.key -in fd.crt

FEATURED TAGS
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