TLS/SSL 详解

目录

• 基础理论入门
• • HTTPS
  • 对称加密
  • 非对称加密
  • 证书
  • TLS握手过程
  • 握手总结
• TLS 定义(记录层/握手层)
• HTTPS = HTTP over TLS
• 加密
• 记录层
• • 分片 (Fragmentation)
  • 记录压缩和解压缩 (Record compression and decompression)
  • 空或标准流加密 (Null or standard stream cipher)
  • CBC 块加密 (分组加密)
  • 记录有效载荷保护 (Record payload protection)
  • 密钥计算 (Key calculation)
• 握手层
• • 完整握手
  • • ClientHello
    • ServerHello
    • Certificate
    • ServerKeyExchange
    • ServerHelloDone
    • verify certificate
    • ClientKeyExchange
    • ChangeCipherSpec
    • Finished (Encrypted Handshake Message)
    • Server
    • change_cipher_spec
    • Finished (Encrypted Handshake Message)
    • 握手结束
    • 加密通信
  • 密钥交换和签名算法
  • • 常用的密钥交换和签名算法
    • RSA 密钥交换和 DH 密钥交换的区别
  • 客户端身份验证
  • • CertificateRequest
    • CertificateVerify
  • 会话恢复

参考：https://juejin.cn/post/6844903667577929742
参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/594278172

基础理论入门

参考：https://www.bilibili.com/video/BV1KY411x7Jp/?spm_id_from=333.788&vd_source=cc0e43b449de7e8663ca1f89dd5fea7d

HTTPS

如上图所示，http请求和响应的报文都是明文的，只要有点http基础的人都能看得懂报文里面的内容，所以需要给http增加安全性，也就是https。https并不是一个单独的协议，只不过在http的基础上用TLS/SSL进行加密。

SSL是TLS的前身，他们都是加密安全协议。现在绝大部分浏览器都不支持SSL，而是支持TLS，不过SSL的名声很大(openSSL库都是以SSL命名的)，所以很多人会把这连个名字混用TLS/SSL，两者关系就像是王老吉和加多宝。

对称加密

加密和解密使用同样的规则算法(钥匙)，这就是对称加密，如果第三方知道加密的规则后，就很同意破解了。

非对称加密

如上图所示，最终混出来的“便便色”只有小青和小红知道，他们就可以用这个“便便色”秘钥给数据进行加密了，这就是非对称加密的核心所在。用两个秘钥来进行加密和解密，公开秘钥是所有人都知道的秘钥，私有秘钥仅仅是持有方才有的秘钥。

一般来说，私钥就放在服务器里，数据经过公钥加密就只能被私钥解密，数据经过私钥加密就只能被公钥解密。

如果用到客户端和服务端的话，就是服务端拥有自己成对的私钥和公钥，然后公布自己的公钥让客户端知道，客户端用公钥把自己的数据进行加密，加密后用公钥反而无法解密这段数据，一定要用服务端的私钥才能解密，这样的非对称加密其实也叫公钥加密，因为不同于对称加密中只使用一把私钥性加密。对称加密和非对称加密TLS都有用上，后面介绍。

证书

虽然我们现在可以对数据进行加密，但是我们还是不知道和我沟通的是否是自己想要沟通的对象，比如B站的域名www.bilibili.com很多人容易输入错误，比如www.bi1ibili.com，这样就可能会有不法分子伪装B站域名让你来访问。还好HTTPS解决了这个问题，因为服务端需要申请SSL证书，来证明这个域名就是大家所熟知的B站。

SSL证书其实就是保存在源服务器的数据文件，要让SSL证书生效就需要向CA申请，也就是Certificate Authority证书授权中心，这是第三方的机构，这样大家都来信任这个机构颁发的证书，这个证书表明域名是属于谁的，日期等信息以外，重要的是这个证书里还包括了特定的公钥和私钥。简单来说服务器安装了SSL证书以后，用户就可以通过HTTPS来访问服务器了，浏览器也会把HTTP默认的端口80改成HTTPS默认的443。

那现在浏览器通过HTTPS访问服务器具体会有哪些变化呢？根据不同的TLS版本会有不同的变化，这里就以TLS1.2为例子进行讲解。

TLS握手过程

首先正常的TCP三次握手是不变的。三次握手后，客户端发送了一个Client Hello给服务端，客户端就会告诉服务端支持的TLS 1.2版本和支持的加密套件，这里16个加密套件可以理解为不同的加密算法组合，然后生成一个随机数发给服务端，随机数的作用等会告诉大家。

服务端收到客户端打招呼，当然也要和客户端打招呼，所以接下来就是Server Hello发给客户端，在响应报文里面会告诉客户端，服务端确认支持的TLS版本以及选择的加密套件，并且服务器也生成一个随机数发给客户端，随机数的作用等会介绍。

接下来服务器会再发送一个响应，来出示服务器自己的证书，这样浏览器就可以根据对照自己的证书信任列表来确认这个服务器是否可信。

发了证书，当然少不了公钥了，于是下一步Server Key Exchange这里，服务器就把公钥发送给了客户端，注意不会傻傻的把私钥发出去。如果服务器也想要客户端的证书也会在这里发出请求，比如登录网银就可能需要这个步骤了。

服务器一下发了这么多响应，最后还要告诉客户端发送完了，于是就是Server Hello Done。

打个招呼花了这么久，而且截止到目前这些请求和响应依旧还未进行加密。现在就轮到客户端来处理这些响应了。Client Key Exchange这一步是个重点也是难点，客户端会生成第三个随机数，也叫预主秘钥。这第三个随机数会用刚刚收到的公钥进行加密，并且把这个加密后的随机数发送给服务器，正是这里的Pubkey显示的随机数。

接下来就是Change Cipher Spec，这一步就是告诉服务器往后的数据就用商议好的算法和秘钥来加密了。最后Encrypted Handshake Message表示客户端这边的TLS协商已经没有问题了，加密开始。

同样的后面服务器也发来了Encrypted Handshake Message，表示服务器这边准备好了，这里也表示着TLS的握手已经成功了，可以给数据加密进行交换了。

握手总结

1、客户端向服务端打招呼，并且把自己支持的TLS版本，加密套件发给服务端，同时还生成了一个随机数给服务端，这里就称为第一个随机数(随机数用来生成对称密钥)。
2、服务端打招呼，服务端确认支持的TLS版本以及选择的加密套件，并且服务器也生成一个随机数发给客户端，这里就称为第二个随机数。
3、4、5、接着服务端把证书和公钥发送给客户端，都发送完毕就告知客户端。
6、现在客户端这边生成随机数，我们称为第三个随机数——预主秘钥，这个预主秘钥不会直接发送出去，而是用刚刚收到的公钥进行加密后再发送出去，然后客户端这边的TLS协商已经没问题了，加密开始。
服务端收到加密后的预主秘钥以后，会用自己的私钥进行解密，这样服务器就知道预主秘钥了，而且只有客户端和服务端知道预主秘钥，因为没有直接传输，没有其他人知道这预主秘钥是什么，除非私钥被泄露了。

7、最后客户度用预主秘钥，第一随机数和第二随机数计算出会话秘钥，服务端也用预主秘钥，第一随机数和第二随机数计算出会话秘钥，各自得到的会话秘钥是相同的(后续对称加密)，这里的道理和前面说的“便便色”是同样的道理。

也就是说前面的步骤都是非对称加密，为了得到这个会话秘钥，会面的会话大家都只使用这个会话秘钥对数据进行加密，也就是后面使用的对称加密，大家都使用同一个私钥。后面不使用非对称加密是因为大家都能看到消耗资源非常大。而且得到会话秘钥以后就没人知道秘钥是什么了，因此后面对称加密。如果与其他服务器沟通就是建立新的会话，会话秘钥也不相同，会话秘钥只应用在当前会话，更加提高了安全性。

TLS 定义(记录层/握手层)

SSL(Secure Sockets Layer) 安全套接层，是一种安全协议，经历了 SSL 1.0、2.0、3.0 版本后发展成了标准安全协议 - TLS(Transport Layer Security) 传输层安全性协议。TLS 有 1.0 (RFC 2246)、1.1(RFC 4346)、1.2(RFC 5246)、1.3(RFC 8446) 版本。

TLS 在实现上分为 记录层 和 握手层 两层，其中握手层又含四个子协议: 握手协议 (handshake protocol)、更改加密规范协议 (change cipher spec protocol)、应用数据协议 (application data protocol) 和警告协议 (alert protocol)

HTTPS = HTTP over TLS

只需配置浏览器和服务器相关设置开启 TLS，即可实现 HTTPS。TLS 高度解耦，可装可卸，与上层高级应用层协议相互协作又相互独立。

加密

TLS/SSL 的功能实现主要依赖于三类基本算法：散列函数 Hash、对称加密、非对称加密。利用非对称加密实现身份认证和密钥协商，对称加密算法采用协商的密钥对数据加密，基于散列函数验证信息的完整性。

TLS 的基本工作方式是，客户端使用非对称加密与服务器进行通信，实现身份验证并协商对称加密使用的密钥，然后对称加密算法采用协商密钥对信息以及信息摘要进行加密通信，不同的节点之间采用的对称密钥不同，从而可以保证信息只能通信双方获取。

例如，在 HTTPS 协议中，客户端发出请求，服务端会将公钥发给客户端，客户端验证过后生成一个密钥再用公钥加密后发送给服务端（非对称加密），双方会在 TLS 握手过程中生成一个协商密钥（对称密钥），成功后建立加密连接。通信过程中客户端将请求数据用协商密钥加密后发送，服务端也用协商密钥解密，响应也用相同的协商密钥。后续的通信使用对称加密是因为对称加解密快，而握手过程中非对称加密可以保证加密的有效性，但是过程复杂，计算量相对来说也大。

记录层

记录协议负责在传输连接上交换的所有底层消息，并且可以配置加密。每一条 TLS 记录以一个短标头开始。标头包含记录内容的类型 (或子协议)、协议版本和长度。原始消息经过分段 (或者合并)、压缩、添加认证码、加密转为 TLS 记录的数据部分。

分片 (Fragmentation)

记录层将信息块分割成携带 2^14 字节 (16KB) 或更小块的数据的 TLSPlaintext 记录。
记录协议传输由其他协议层提交给它的不透明数据缓冲区。如果缓冲区超过记录的长度限制（2^14），记录协议会将其切分成更小的片段。反过来也是可能的，属于同一个子协议的小缓冲区也可以组合成一个单独的记录。

struct {   uint8 major, minor; } ProtocolVersion;  enum {   change_cipher_spec(20),   alert(21),   handshake(22),   application_data(23), (255) } ContentType;  struct {   ContentType type; // 用于处理封闭片段的较高级协议   ProtocolVersion version; // 使用的安全协议版本   uint16 length; // TLSPlaintext.fragment 的长度（以字节为单位），不超过 2^14   opaque fragment[TLSPlaintext.length]; // 透明的应用数据，被视为独立的块，由类型字段指定的较高级协议处理 } TLSPlaintext; 

记录压缩和解压缩 (Record compression and decompression)

压缩算法将 TLSPlaintext 结构转换为 TLSCompressed 结构。如果定义 CompressionMethod 为 null 表示不压缩。

struct {   ContentType type; // same as TLSPlaintext.type   ProtocolVersion version; // same as TLSPlaintext.version   uint16 length; // TLSCompressed.fragment 的长度，不超过 2^14 + 1024   opaque fragment[TLSCompressed.length]; } TLSCompressed; 

空或标准流加密 (Null or standard stream cipher)

流加密（BulkCipherAlgorithm）将 TLSCompressed.fragment 结构转换为流 TLSCiphertext.fragment 结构。

stream-ciphered struct {     opaque content[TLSCompressed.length];     opaque MAC[CipherSpec.hash_size]; } GenericStreamCipher; 

MAC 产生方法如下：

HMAC_hash(MAC_write_secret, seq_num + TLSCompressed.type + TLSCompressed.version + TLSCompressed.length + TLSCompressed.fragment)); 

seq_num（记录的序列号）、hash（SecurityParameters.mac_algorithm 指定的哈希算法）

MAC(Message authentication code) - 消息认证码

注意，MAC 是在加密之前计算的。流加密加密整个块，包括 MAC。对于不使用同步向量 (例如 RC4)
的流加密，从一个记录结尾处的流加密状态仅用于后续数据包。如果 CipherSuite 是TLS_NULL_WITH_NULL_NULL，则加密由身份操作 (数据未加密，MAC 大小为零，暗示不使用 MAC)组成。TLSCiphertext.length 是 TLSCompressed.length 加上CipherSpec.hash_size。

CBC 块加密 (分组加密)

块加密（如 RC2 或 DES），将 TLSCompressed.fragment 结构转换为块 TLSCiphertext.fragment 结构。

block-ciphered struct {   opaque content[TLSCompressed.length];   opaque MAC[CipherSpec.hash_size];   uint8 padding[GenericBlockCipher.padding_length];   uint8 padding_length; } GenericBlockCipher; 

padding: 添加的填充将明文长度强制为块密码块长度的整数倍。填充可以是长达 255 字节的任何长度，只要满足 TLSCiphertext.length 是块长度的整数倍。长度大于需要的值可以阻止基于分析交换信息长度的协议攻击。填充数据向量中的每个 uint8 必须填入填充长度值 (即 padding_length)。

padding_length: 填充长度应该使得 GenericBlockCipher 结构的总大小是加密块长度的倍数。合法值范围从零到 255（含）。该长度指定 padding_length 字段本身除外的填充字段的长度加密块的数据长度（TLSCiphertext.length）是 TLSCompressed.length，CipherSpec.hash_size 和 padding_length 的总和加一

示例: 如果块长度为 8 字节，压缩内容长度（TLSCompressed.length）为 61 字节，MAC 长度为 20 字节，则填充前的长度为 82 字节（padding_length 占 1 字节）。

因此，为了使总长度为块长度 (8 字节) 的偶数倍，模 8 的填充长度必须等于 6，所以填充长度可以为 6，14，22 等。如果填充长度是需要的最小值，比如 6，填充将为 6 字节，每个块都包含值 6。因此，块加密之前的 GenericBlockCipher 的最后 8 个八位字节将为 xx 06 06 06 06 06 06 06，其中 xx 是 MAC 的最后一个八位字节。

XX  - 06 06 06 06 06 06 - 06 MAC -     padding[6]    - padding_length 

记录有效载荷保护 (Record payload protection)

加密和 MAC 功能将 TLSCompressed 结构转换为 TLSCiphertext。记录的 MAC 还包括序列号，以便可以检测到丢失，额外或重复的消息。

struct {   ContentType type; // same   ProtocolVersion version; // same   uint16 length; // TLSCiphertext.fragment 的长度，不超过 2^14 + 2048   select (CipherSpec.cipher_type) {     case stream: GenericStreamCipher;     case block: GenericBlockCipher;   } fragment; // TLSCompressed.fragment 的加密形式，带有 MAC } TLSCiphertext; 

注意 这里提到的都是先 MAC 再加密，是基于 RFC 2246 的方案 (TLS 1.0) 写的。但新的方案选择先加密再 MAC，这种替代方案中，首先对明文和填充进行加密，再将结果交给 MAC 算法。这可以保证主动网络攻击者不能操纵任何加密数据。

密钥计算 (Key calculation)

记录协议需要一种算法，从握手协议提供的安全性参数生成密钥、IV 和 MAC secret。
主密钥 (Master secret): 在连接中双方共享的一个 48 字节的密钥
客户随机数 (client random): 由客户端提供的 32 字节值
服务器随机数 (server random): 由服务器提供的 32 字节值

握手层

• 握手协议的职责是生成通信过程所需的共享密钥和进行身份认证。这部分使用无密码套件，为防止数据被窃听，通过公钥密码或 Diffie-Hellman 密钥交换技术通信。
• 密码规格变更协议，用于密码切换的同步，是在握手协议之后的协议。握手协议过程中使用的协议是“不加密”这一密码套件，握手协议完成后则使用协商好的密码套件。
• 警告协议，当发生错误时使用该协议通知通信对方，如握手过程中发生异常、消息认证码错误、数据无法解压缩等。
• 应用数据协议，通信双方真正进行应用数据传输的协议，传送过程通过 TLS 应用数据协议和 TLS 记录协议来进行传输。

握手是 TLS 协议中最精密复杂的部分。在这个过程中，通信双方协商连接参数，并且完成身份验证。根据使用功能的不同，整个过程通常需要交换 6~10 条消息。根据配置和支持的协议扩展的不同，交换过程可能有许多变种。在使用中经常可以观察到以下三种流程：(1) 完整的握手， 对服务器进行身份验证；(2) 恢复之前的会话采用的简短握手；(3) 对客户端和服务器都进行身份验证的握手。

握手协议消息的标头信息包含消息类型（1 字节）和长度（3 字节），余下的信息则取决于消息类型：

struct {   HandshakeType msg_type;   uint24 length;   HandshakeMessage message; } Handshake; 

完整握手

每一个 TLS 连接都会以握手开始。如果客户端此前并未与服务器建立会话，那么双方会执行一次完整的握手流程来协商 TLS 会话。握手过程中，客户端和服务器将进行以下四个主要步骤:

• 交换各自支持的功能，对需要的连接参数达成一致
• 验证出示的证书，或使用其他方式进行身份验证
• 对将用于保护会话的共享主密钥达成一致
• 验证握手消息并未被第三方团体修改

下面介绍最常见的握手规则，一种不需要验证客户端身份但需要验证服务器身份的握手:

ClientHello

这条消息将客户端的功能和首选项传送给服务器。

• Version: 协议版本（protocol version）指示客户端支持的最佳协议版本。
• Random: 一个 32 字节数据，28 字节是随机生成的 (图中的 Random Bytes)；剩余的 4 字节包含额外的信息，与客户端时钟有关 (图中使用的是 GMT Unix Time)。在握手时，客户端和服务器都会提供随机数，客户端的暂记作 random_C (用于后续的密钥的生成)。这种随机性对每次握手都是独一无二的，在身份验证中起着举足轻重的作用。它可以防止重放攻击，并确认初始数据交换的完整性。
• Session ID: 在第一次连接时，会话 ID（session ID）字段是空的，这表示客户端并不希望恢复某个已存在的会话。典型的会话 ID 包含 32 字节随机生成的数据，一般由服务端生成通过 ServerHello 返回给客户端。
• Cipher Suites: 密码套件（cipher suite）块是由客户端支持的所有密码套件组成的列表，该列表是按优先级顺序排列的。
• Compression: 客户端可以提交一个或多个支持压缩的方法。默认的压缩方法是 null，代表没有压缩
• Extensions: 扩展（extension）块由任意数量的扩展组成。这些扩展会携带额外数据

ServerHello

是将服务器选择的连接参数传回客户端。

这个消息的结构与 ClientHello 类似，只是每个字段只包含一个选项，其中包含服务端的 random_S 参数 (用于后续的密钥协商)。服务器无需支持客户端支持的最佳版本。如果服务器不支持与客户端相同的版本，可以提供某个其他版本以期待客户端能够接受图中的 Cipher Suite 是后续密钥协商和身份验证要用的加密套件，此处选择的密钥交换与签名算法是 ECDHE_RSA，对称加密算法是 AES-GCM，后面会讲到这个。还有一点默认情况下 TLS 压缩都是关闭的，因为 CRIME 攻击会利用 TLS 压缩恢复加密认证 cookie，实现会话劫持，而且一般配置 gzip 等内容压缩后再压缩 TLS 分片效益不大又额外占用资源，所以一般都关闭 TLS 压缩。

Certificate

典型的 Certificate 消息用于携带服务器 X.509 证书链。

服务器必须保证它发送的证书与选择的算法套件一致。比方说，公钥算法与套件中使用的必须匹配。除此以外，一些密钥交换算法依赖嵌入证书的特定数据，而且要求证书必须以客户端支持的算法签名。所有这些都表明服务器需要配置多个证书（每个证书可能会配备不同的证书链）。

Certificate 消息是可选的，因为并非所有套件都使用身份验证，也并非所有身份验证方法都需要证书。更进一步说，虽然消息默认使用 X.509 证书，但是也可以携带其他形式的标志；一些套件就依赖 PGP 密钥。

ServerKeyExchange

携带密钥交换需要的额外数据。ServerKeyExchange 是可选的，消息内容对于不同的协商算法套件会存在差异。部分场景下，比如使用 RSA 算法时，服务器不需要发送此消息(下面秘钥交换算法里有讲)。

ServerKeyExchange 仅在服务器证书消息（也就是上述 Certificate 消息）不包含足够的数据以允许客户端交换预主密钥（premaster secret）时才由服务器发送。

比如基于 DH 算法的握手过程中，需要单独发送一条 ServerKeyExchange 消息带上 DH 参数。

ServerHelloDone

表明服务器已经将所有预计的握手消息发送完毕。在此之后，服务器会等待客户端发送消息。

verify certificate

客户端验证证书的合法性，如果验证通过才会进行后续通信，否则根据错误情况不同做出提示和操作，合法性验证内容包括如下:

• 证书链的可信性 trusted certificate path;
• 证书是否吊销 revocation，有两类方式 - 离线 CRL 与在线 OCSP，不同的客户端行为会不同;
• 有效期 expiry date，证书是否在有效时间范围;
• 域名 domain，核查证书域名是否与当前的访问域名匹配;

由 PKI 体系 的内容可知，对端发来的证书签名是 CA 私钥加密的，接收到证书后，先读取证书中的相关的明文信息，采用相同的散列函数计算得到信息摘要，然后利用对应 CA 的公钥解密签名数据，对比证书的信息摘要，如果一致，则可以确认证书的合法性；然后去查询证书的吊销情况等。

ClientKeyExchange

合法性验证通过之后，客户端计算产生随机数字的预主密钥（Pre-master），并用证书公钥加密，发送给服务器并携带客户端为密钥交换提供的所有信息。这个消息受协商的密码套件的影响，内容随着不同的协商密码套件而不同。

此时客户端已经获取全部的计算协商密钥需要的信息: 两个明文随机数 random_C 和 random_S 与自己计算产生的 Pre-master，然后得到协商密钥(用于之后的消息加密)。

enc_key = PRF(Pre_master, "master secret", random_C + random_S) 

图中使用的是 ECDHE 算法，ClientKeyExchange 传递的是 DH 算法的客户端参数，如果使用的是 RSA 算法则此处应该传递加密的预主密钥。

ChangeCipherSpec

通知服务器后续的通信都采用协商的通信密钥和加密算法进行加密通信。

注意 ChangeCipherSpec 不属于握手消息，它是另一种协议，只有一条消息，作为它的子协议进行实现。

Finished (Encrypted Handshake Message)

Finished 消息意味着握手已经完成。消息内容将加密，以便双方可以安全地交换验证整个握手完整性所需的数据。

这个消息包含 verify_data 字段，它的值是握手过程中所有消息的散列值。这些消息在连接两端都按照各自所见的顺序排列，并以协商得到的主密钥 (enc_key) 计算散列。这个过程是通过一个伪随机函数（pseudorandom function，PRF）来完成的，这个函数可以生成任意数量的伪随机数据。
两端的计算方法一致，但会使用不同的标签（finished_label）：客户端使用 client finished，而服务器则使用 server finished。

verify_data = PRF(master_secret, finished_label, Hash(handshake_messages)) 

因为 Finished 消息是加密的，并且它们的完整性由协商 MAC 算法保证，所以主动网络攻击者不能改变握手消息并对 vertify_data 的值造假。在 TLS 1.2 版本中，Finished 消息的长度默认是 12 字节（96 位），并且允许密码套件使用更长的长度。在此之前的版本，除了 SSL 3 使用 36 字节的定长消息，其他版本都使用 12 字节的定长消息。

Server

服务器用私钥解密加密的 Pre-master 数据，基于之前交换的两个明文随机数 random_C 和 random_S，同样计算得到协商密钥: enc_key = PRF(Pre_master, “master secret”, random_C + random_S);
同样计算之前所有收发信息的 hash 值，然后用协商密钥解密客户端发送的 verify_data_C，验证消息正确性;

change_cipher_spec

服务端验证通过之后，服务器同样发送 change_cipher_spec 以告知客户端后续的通信都采用协商的密钥与算法进行加密通信（图中多了一步 New Session Ticket，此为会话票证，会在会话恢复中解释）;

Finished (Encrypted Handshake Message)

服务器也结合所有当前的通信参数信息生成一段数据 (verify_data_S) 并采用协商密钥 session secret (enc_key) 与算法加密并发送到客户端;

握手结束

客户端计算所有接收信息的 hash 值，并采用协商密钥解密 verify_data_S，验证服务器发送的数据和密钥，验证通过则握手完成;

加密通信

开始使用协商密钥与算法进行加密通信。

密钥交换和签名算法

常用的密钥交换和签名算法

HTTPS 通过 TLS 层和证书机制提供了内容加密、身份认证和数据完整性三大功能。加密过程中，需要用到非对称密钥交换和对称内容加密两大算法。

对称内容加密强度非常高，加解密速度也很快，只是无法安全地生成和保管密钥。在 TLS 协议中，最后的应用数据都是经过对称加密后传输的，传输中所使用的对称协商密钥(上文中的 enc_key)，则是在握手阶段通过非对称密钥交换而来。常见的 AES-GCM、ChaCha20-Poly1305，都是对称加密算法。

非对称密钥交换能在不安全的数据通道中，产生只有通信双方才知道的对称加密密钥。目前最常用的密钥交换算法有 RSA 和 ECDHE。

• RSA 历史悠久，支持度好，但不支持 完美前向安全 - PFS(Perfect Forward Secrecy)；
• ECDHE 使用了 ECC（椭圆曲线）的 DH（Diffie-Hellman）算法，计算速度快，且支持 PFS。

在 PKI 体系一节中说明了仅有非对称密钥交换还是无法抵御 MITM 攻击的，所以需要引入 PKI 体系的证书来进行身份验证，其中服务端非对称加密产生的公钥会放在证书中传给客户端。

• 在 RSA 密钥交换中，浏览器使用证书提供的 RSA 公钥加密相关信息，如果服务端能解密，意味着服务端拥有与公钥对应的私钥，同时也能算出对称加密所需密钥。密钥交换和服务端认证合并在一起。

• 在 ECDH 密钥交换中，服务端使用私钥 (RSA 或 ECDSA) 对相关信息进行签名，如果浏览器能用证书公钥验证签名，就说明服务端确实拥有对应私钥，从而完成了服务端认证。密钥交换则是各自发送 DH 参数完成的，密钥交换和服务端认证是完全分开的。

可用于 ECDHE 数字签名的算法主要有 RSA 和 ECDSA - 椭圆曲线数字签名算法，也就是目前密钥交换 + 签名有三种主流选择:

• RSA ：RSA 密钥交换 + 无需签名
• ECDHE_RSA：ECDHE 密钥交换 + RSA 签名
• ECDHE_ECDSA ： ECDHE 密钥交换 + ECDSA 签名

比如我的网站使用的加密套件是 ECDHE + RSA，可以看到数字签名算法是 sha256 哈希加 RSA 加密，在 PKI 体系一节中讲了签名是服务器信息摘要的哈希值加密生成的。

内置 ECDSA 公钥的证书一般被称之为 ECC 证书，内置 RSA 公钥的证书就是 RSA 证书。因为 256 位 ECC Key 在安全性上等同于 3072 位 RSA Key，所以 ECC 证书体积比 RSA 证书小，而且 ECC 运算速度更快，ECDHE 密钥交换 + ECDSA 数字签名是目前最好的加密套件。

以上内容来自本文: 开始使用 ECC 证书
关于 ECC 证书的更多细节可见文档: ECC Cipher Suites for TLS - RFC4492

RSA 密钥交换和 DH 密钥交换的区别

使用 RSA 进行密钥交换的握手过程与前面说明的基本一致，只是没有 ServerKeyExchange 消息，其中协商密钥涉及到三个参数 (客户端随机数 random_C、服务端随机数 random_S、预主密钥Premaster secret)。

其中前两个随机数和协商使用的算法是明文的很容易获取，最后一个预主秘钥 Premaster secret 客户端会用服务器提供的公钥加密后传输给服务器 (密钥交换)，如果这个预主密钥被截取并破解，则协商密钥也可以被破解。

RSA 算法的细节见: wiki 和 RSA算法原理（二）- 阮一峰
RSA 的算法核心思想是利用了极大整数 因数分解 的计算复杂性

而使用 DH(Diffie-Hellman) 算法 进行密钥交换，双方只要交换各自的 DH 参数(在ServerKeyExchange 发送 Server params，在 ClientKeyExchange 发送 Client params)，不需要传递 Premaster secret，就可以各自算出这个预主密钥。

DH 的握手过程如下，大致过程与 RSA 类似，图中只表达如何生成预主密钥:

服务器通过私钥将客户端随机数 random_C，服务端随机数 random_S，服务端 DH 参数 Server params 签名生成 signature，然后在 ServerKeyExchange 消息中发送服务端 DH 参数和该签名；

客户端收到后用服务器给的公钥解密验证签名，并在 ClientKeyExchange 消息中发送客户端 DH 参数 Client params；

服务端收到后，双方都有这两个参数，再各自使用这两个参数生成预主密钥 Premaster secret，之后的协商密钥等步骤与 RSA 基本一致。

基于 RSA 算法与 DH 算法的握手最大的区别就在于密钥交换与身份认证。

• 前者客户端使用公钥加密预主密钥并发送给服务端完成密钥交换，服务端利用私钥解密完成身份认证。
• 后者利用各自发送的 DH 参数完成密钥交换，服务器私钥签名数据，客户端公钥验签完成身份认证。

关于 DH 算法如何生成预主密钥，推荐看下 Wiki 和 Ephemeral Diffie-Hellman handshake
其核心思想是利用了 离散对数问题 的计算复杂性

原根：假设一个整数 g 对于质数 P 来说是原根，那么 g^i mod P (1 ≦ i < P) 的结果各不相同，且其结果按一定顺序排列后是 1 到 P-1 的所有整数，例子。

离散对数：如果对于一个整数 n 和质数 P 的一个原根 g，可以找到一个唯一的指数 i，使得 n = g^i mod P (0 ≦ i < P)，那么指数 i 称为 n 的以 g 为基数的模 P 的离散对数

Diffie-Hellman 算法的有效性依赖于计算离散对数的难度，其含义是：当已知大素数 P 和它的一个原根 g 后，对给定的 n，要计算 i，被认为是很困难的，而给定 i 计算 n 却相对容易

算法过程可以抽象成下图:

双方预先商定好了一对 P g 值 (公开的)，而 Alice 有一个私密数 a(非公开，对应一个私钥)，Bob 有一个私密数 b(非公开，对应一个私钥)

• Alice 计算 A = g^a mod P，并把 A(公开，对应一个公钥) 发给 Bob

• Bob 计算 B = g^b mod P，并把 B(公开，对应一个公钥) 发给 Alice

• 双方计算出共享密钥，K = B^a mod P = A^b mod P (= g^ab mod P)

对于 Alice 和 Bob 来说通过对方发过来的公钥参数和自己手中的私钥可以得到最终相同的密钥
而第三方最多知道 P g A B，想得到私钥和最后的密钥很困难，当然前提是 a b P 足够大 (RFC3526 文档中有几个常用的大素数可供使用)，否则暴力破解也有可能试出答案，至于 g 一般取个较小值就可以
如下几张图是实际 DH 握手发送的内容:

可以看到双方发给对方的参数中携带了一个公钥值，对应上述的 A 和 B。

而且实际用的加密套件是 椭圆曲线 DH 密钥交换 (ECDH)，利用由椭圆曲线加密建立公钥与私钥对可以更进一步加强 DH 的安全性，因为目前解决椭圆曲线离散对数问题要比因式分解困难的多，而且 ECC 使用的密钥长度比 RSA 密钥短得多(目前 RSA 密钥需要 2048 位以上才能保证安全，而 ECC 密钥 256 位就足够)。

关于 椭圆曲线密码学 - ECC，推荐看下 A Primer on Elliptic Curve Cryptography - 原文 - 译文

客户端身份验证

尽管可以选择对任意一端进行身份验证，但人们几乎都启用了对服务器的身份验证。如果服务器选择的套件不是匿名的，那么就需要在 Certificate 消息中跟上自己的证书。

相比之下，服务器通过发送 CertificateRequest 消息请求对客户端进行身份验证。消息中列出所有可接受的客户端证书。作为响应，客户端发送自己的 Certificate 消息（使用与服务器发送证书相同的格式），并附上证书。此后，客户端发送 CertificateVerify 消息，证明自己拥有对应的私钥。

只有已经过身份验证的服务器才被允许请求客户端身份验证。基于这个原因，这个选项也被称为相互身份验证（mutual authentication）。

CertificateRequest

在 ServerHello 的过程中发出，请求对客户端进行身份验证，并将其接受的证书的公钥和签名算法传送给客户端。

它也可以选择发送一份自己接受的证书颁发机构列表，这些机构都用其可分辨名称来表示:

struct {   ClientCertificateType certificate_types;   SignatureAndHashAlgorithm supported_signature_algorithms;   DistinguishedName certificate_authorities; } CertificateRequest; 

CertificateVerify

在 ClientKeyExchange 的过程中发出，证明自己拥有的私钥与之前发送的客户端证书中的公钥匹配。消息中包含一条到这一步为止的所有握手消息的签名：

struct {   Signature handshake_messages_signature; } CertificateVerify; 

会话恢复

最初的会话恢复机制是，在一次完整协商的连接断开时，客户端和服务器都会将会话的安全参数保存一段时间。希望使用会话恢复的服务器为会话指定唯一的标识，称为会话 ID(Session ID)。服务器在 ServerHello 消息中将会话 ID 发回客户端。

希望恢复早先会话的客户端将适当的 Session ID 放入 ClientHello 消息，然后提交。服务器如果同意恢复会话，就将相同的 Session ID 放入 ServerHello 消息返回，接着使用之前协商的主密钥生成一套新的密钥，再切换到加密模式，发送 Finished 消息。

客户端收到会话已恢复的消息以后，也进行相同的操作。这样的结果是握手只需要一次网络往返。
Session ID 由服务器端支持，协议中的标准字段，因此基本所有服务器都支持，服务器端保存会话 ID 以及协商的通信信息，占用服务器资源较多。

用来替代服务器会话缓存和恢复的方案是使用会话票证（Session ticket）。使用这种方式，除了所有的状态都保存在客户端（与 HTTP Cookie 的原理类似）之外，其消息流与服务器会话缓存是一样的。
其思想是服务器取出它的所有会话数据（状态）并进行加密 (密钥只有服务器知道)，再以票证的方式发回客户端。在接下来的连接中，客户端恢复会话时在 ClientHello 的扩展字段 session_ticket 中携带加密信息将票证提交回服务器，由服务器检查票证的完整性，解密其内容，再使用其中的信息恢复会话。

这种方法有可能使扩展服务器集群更为简单，因为如果不使用这种方式，就需要在服务集群的各个节点之间同步会话。

Session ticket 需要服务器和客户端都支持，属于一个扩展字段，占用服务器资源很少。

警告
会话票证破坏了 TLS 安全模型。它使用票证密钥加密的会话状态并将其暴露在线路上。有些实现中的票证密钥可能会比连接使用的密码要弱。如果票证密钥被暴露，就可以解密连接上的全部数据。因此，使用会话票证时，票证密钥需要频繁轮换。