TLS1.2抓包解析

news2024/9/16 23:58:08

1.TLS1.2记录层消息解析

Transport Layer Security
    TLSv1.2 Record Layer: Handshake Protocol: Client Hello
        Content Type: Handshake (22)
        Version: TLS 1.0 (0x0301)
        Length: 253
  • Content Type：消息类型，1个字节。 i = 0
  • Version：协议版本，2个字节。 i = 1
  • Length：长度，2个字节。 i = 3

2.Client Hello消息解析

下图展示了Client hello消息。

Handshake Protocol: Client Hello
    Handshake Type: Client Hello (1)
    Length: 249
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: 8f8f55540f230fdab368448a24b2e5182b7fef7830dafd315defcd114abc55be
        GMT Unix Time: Apr 28, 2046 21:36:20.000000000 中国标准时间
        Random Bytes: 0f230fdab368448a24b2e5182b7fef7830dafd315defcd114abc55be
    Session ID Length: 32
    Session ID: 8b0e809778170dfa75738b0b9399f23169b0ae1f83019fb878124b341d3a42d8
    Cipher Suites Length: 36
    Cipher Suites (18 suites)
        Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
        Cipher Suite: TLS_AES_256_GCM_SHA384 (0x1302)
        Cipher Suite: TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0x1303)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02b)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 (0xc030)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 (0xc02c)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcca9)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcca8)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0xc009)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0xc013)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0xc00a)
        Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0xc014)
        Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0x009c)
        Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 (0x009d)
        Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0x002f)
        Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0x0035)
        Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA (0x000a)
    Compression Methods Length: 1
    Compression Methods (1 method)
        Compression Method: null (0)
    Extensions Length: 140
    Extension: server_name (len=20)
        Type: server_name (0)
        Length: 20
        Server Name Indication extension
            Server Name list length: 18
            Server Name Type: host_name (0)
            Server Name length: 15
            Server Name: selflias.com.cn
    Extension: extended_master_secret (len=0)
        Type: extended_master_secret (23)
        Length: 0
    Extension: renegotiation_info (len=1)
        Type: renegotiation_info (65281)
        Length: 1
        Renegotiation Info extension
            Renegotiation info extension length: 0
    Extension: supported_groups (len=8)
        Type: supported_groups (10)
        Length: 8
        Supported Groups List Length: 6
        Supported Groups (3 groups)
            Supported Group: x25519 (0x001d)
            Supported Group: secp256r1 (0x0017)
            Supported Group: secp384r1 (0x0018)
    Extension: ec_point_formats (len=2)
        Type: ec_point_formats (11)
        Length: 2
        EC point formats Length: 1
        Elliptic curves point formats (1)
            EC point format: uncompressed (0)
    Extension: session_ticket (len=0)
        Type: session_ticket (35)
        Length: 0
        Data (0 bytes)
    Extension: signature_algorithms (len=20)
        Type: signature_algorithms (13)
        Length: 20
        Signature Hash Algorithms Length: 18
        Signature Hash Algorithms (9 algorithms)
            Signature Algorithm: ecdsa_secp256r1_sha256 (0x0403)
                Signature Hash Algorithm Hash: SHA256 (4)
                Signature Hash Algorithm Signature: ECDSA (3)
            Signature Algorithm: rsa_pss_rsae_sha256 (0x0804)
                Signature Hash Algorithm Hash: Unknown (8)
                Signature Hash Algorithm Signature: SM2 (4)
            Signature Algorithm: rsa_pkcs1_sha256 (0x0401)
                Signature Hash Algorithm Hash: SHA256 (4)
                Signature Hash Algorithm Signature: RSA (1)
            Signature Algorithm: ecdsa_secp384r1_sha384 (0x0503)
                Signature Hash Algorithm Hash: SHA384 (5)
                Signature Hash Algorithm Signature: ECDSA (3)
            Signature Algorithm: rsa_pss_rsae_sha384 (0x0805)
                Signature Hash Algorithm Hash: Unknown (8)
                Signature Hash Algorithm Signature: Unknown (5)
            Signature Algorithm: rsa_pkcs1_sha384 (0x0501)
                Signature Hash Algorithm Hash: SHA384 (5)
                Signature Hash Algorithm Signature: RSA (1)
            Signature Algorithm: rsa_pss_rsae_sha512 (0x0806)
                Signature Hash Algorithm Hash: Unknown (8)
                Signature Hash Algorithm Signature: Unknown (6)
            Signature Algorithm: rsa_pkcs1_sha512 (0x0601)
                Signature Hash Algorithm Hash: SHA512 (6)
                Signature Hash Algorithm Signature: RSA (1)
            Signature Algorithm: rsa_pkcs1_sha1 (0x0201)
                Signature Hash Algorithm Hash: SHA1 (2)
                Signature Hash Algorithm Signature: RSA (1)
    Extension: key_share (len=38)
        Type: key_share (51)
        Length: 38
        Key Share extension
            Client Key Share Length: 36
            Key Share Entry: Group: x25519, Key Exchange length: 32
                Group: x25519 (29)
                Key Exchange Length: 32
                Key Exchange: a61abd6c612929a731944317da01f71321bad1cb973895cfe8421c73e70fcd72
    Extension: psk_key_exchange_modes (len=2)
        Type: psk_key_exchange_modes (45)
        Length: 2
        PSK Key Exchange Modes Length: 1
        PSK Key Exchange Mode: PSK with (EC)DHE key establishment (psk_dhe_ke) (1)
    Extension: supported_versions (len=9)
        Type: supported_versions (43)
        Length: 9
        Supported Versions length: 8
        Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
        Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)
        Supported Version: TLS 1.1 (0x0302)
        Supported Version: TLS 1.0 (0x0301)
    [JA3 Fullstring: 771,4865-4866-4867-49199-49195-49200-49196-52393-52392-49161-49171-49162-49172-156-157-47-53-10,0-23-65281-10-11-35-13-51-45-43,29-23-24,0]
    [JA3: dda262729e5413660ec0e6a8d4279860]

  • Handshake Type：握手类型，1个字节。 i = 5

  • Length：长度，3个字节。 i = 6

  • Version：协议版本，2个字节。 i = 9

  • Random：随机数，32个字节。i = 11

  • Session ID Length：会话ID长度，1个字节。i = 43

  • Session ID：会话ID，32个字节（不确定）。i = 44

  • Cipher Suite Length：加密套件长度，2个字节。i = 44 + Session ID Length

  • Cipher Suite：加密套件。支持的密码套件（Cipher Suite）有18个，占36字节，优先支持TLS_AES_128_GCM_SHA256。i = 46 + Session ID Length

  • Compression Method Len：压缩方法长度，1个字节。i = 46 + Session ID Length + Cipher Suite Length

  • Compression Method：压缩方法。Compression Methods压缩方法为null。 i = 47 + Session ID Length + Cipher Suite Length

  • Extensions Length：拓展长度，2个字节。i = 47 + Session ID Length + Cipher Suite Length + Compression Method Len

  • 接下来就是Extensions的各个字段值。

    扩展占140字节，第一个扩展是SNI扩展，请求的主机名为 selflias.com.cn。
    supported_groups扩展，支持三个曲线x25519、secp256r1、secp384r1。
    还支持SessionTicket扩展。
    signature_algorithms签名算法支持9种。
    i = 49 + Session ID Length + Cipher Suite Length + Compression Method Len

    • 需要关注 session_ticket，有关会话复用。
    • 需要关注 extended_master_secret ，标识 Client 和 Server 使用增强型主密钥计算方式， Server 在 ServerHello 中响应该扩展。

3. Server Hello消息解析

Transport Layer Security
    TLSv1.2 Record Layer: Handshake Protocol: Server Hello
        Content Type: Handshake (22)
        Version: TLS 1.2 (0x0303)
        Length: 69
        Handshake Protocol: Server Hello
            Handshake Type: Server Hello (2)
            Length: 65
            Version: TLS 1.2 (0x0303)
            Random: fbdf8dffb78c84c8923d6499ff957f595694009ec2a88dd451a12263e416df36
                GMT Unix Time: Nov 29, 2103 06:28:15.000000000 中国标准时间
                Random Bytes: b78c84c8923d6499ff957f595694009ec2a88dd451a12263e416df36
            Session ID Length: 0
            Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)
            Compression Method: null (0)
            Extensions Length: 25
            Extension: renegotiation_info (len=1)
                Type: renegotiation_info (65281)
                Length: 1
                Renegotiation Info extension
                    Renegotiation info extension length: 0
            Extension: server_name (len=0)
                Type: server_name (0)
                Length: 0
            Extension: ec_point_formats (len=4)
                Type: ec_point_formats (11)
                Length: 4
                EC point formats Length: 3
                Elliptic curves point formats (3)
                    EC point format: uncompressed (0)
                    EC point format: ansiX962_compressed_prime (1)
                    EC point format: ansiX962_compressed_char2 (2)
            Extension: session_ticket (len=0)
                Type: session_ticket (35)
                Length: 0
                Data (0 bytes)
            Extension: extended_master_secret (len=0)
                Type: extended_master_secret (23)
                Length: 0
            [JA3S Fullstring: 771,49199,65281-0-11-35-23]
            [JA3S: 098e26e2609212ac1bfac552fbe04127]
  • Handshake Type：握手类型，1个字节。 i = 5
  • Length：长度，3个字节。 i = 6
  • Version：协议版本，2个字节。 i = 9
  • Random：随机数，32个字节。i = 11
  • Session ID Length：会话ID长度，1个字节。i = 43
  • Session ID：会话ID。Session ID为空，服务器不适用Session ID作为会话恢复，而是支持SessionTicket。 i = 44
  • Cipher Suite：加密套件，2个字节。协商的密码套件为TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256。 i = 44 + Session ID Length
  • Compression Method：压缩方法，1个字节。不启用压缩。 i = 46 + Session ID Length + Cipher Suite Length
  • Extensions Length：拓展长度，2个字节。扩展长度为25字节，共处理客户端的5个扩展。 i = 47 + Session ID Length + Cipher Suite Length
  • 接下来就是Extensions的各个字段值，不再详细展开介绍。i = 49 + Session ID Length + Cipher Suite Length
    • 需要关注 extended_master_secret（EMS），Server 返回了一个空的 extended_master_secret 扩展，表明会使用增强型主密钥计算方式。关于增强型主密钥计算方式，见 HTTPS 温故知新（五） —— TLS 中的密钥计算 这篇文章。

4. Certificate消息解析

Transport Layer Security
    TLSv1.2 Record Layer: Handshake Protocol: Certificate
        Content Type: Handshake (22)
        Version: TLS 1.2 (0x0303)
        Length: 2972
        Handshake Protocol: Certificate
            Handshake Type: Certificate (11)
            Length: 2968
            Certificates Length: 2965
            Certificates (2965 bytes)
                Certificate Length: 1668
                Certificate: 30820680308204e8a003020102021100f0bb16defd41d3ba7cf205dccec0ae01300d0609… (id-at-commonName=selflias.com.cn)
                    signedCertificate
                        version: v3 (2)
                        serialNumber: 0x00f0bb16defd41d3ba7cf205dccec0ae01
                        signature (sha384WithRSAEncryption)
                        issuer: rdnSequence (0)
                            rdnSequence: 3 items (id-at-commonName=TrustAsia RSA DV TLS CA G2,id-at-organizationName=TrustAsia Technologies, Inc.,id-at-countryName=CN)
                        validity
                        subject: rdnSequence (0)
                            rdnSequence: 1 item (id-at-commonName=selflias.com.cn)
                        subjectPublicKeyInfo
                        extensions: 9 items
                    algorithmIdentifier (sha384WithRSAEncryption)
                        Algorithm Id: 1.2.840.113549.1.1.12 (sha384WithRSAEncryption)
                    Padding: 0
                    encrypted: 3bebea7d478c774f6b636cc081dafd75507d70bc2f007be5fa75a4ee841265b8bf64e486…
                Certificate Length: 1291
                Certificate: 30820507308203efa003020102021100b20ced552e31a0bf343a7528743be9ab300d0609… (id-at-commonName=TrustAsia RSA DV TLS CA G2,id-at-organizationName=TrustAsia Technologies, Inc.,id-at-countryName=CN)
                    signedCertificate
                        version: v3 (2)
                        serialNumber: 0x00b20ced552e31a0bf343a7528743be9ab
                        signature (sha256WithRSAEncryption)
                        issuer: rdnSequence (0)
                            rdnSequence: 5 items (id-at-commonName=AAA Certificate Services,id-at-organizationName=Comodo CA Limited,id-at-localityName=Salford,id-at-stateOrProvinceName=Greater Manchester,id-at-countryName=GB)
                        validity
                        subject: rdnSequence (0)
                            rdnSequence: 3 items (id-at-commonName=TrustAsia RSA DV TLS CA G2,id-at-organizationName=TrustAsia Technologies, Inc.,id-at-countryName=CN)
                        subjectPublicKeyInfo
                        extensions: 8 items
                    algorithmIdentifier (sha256WithRSAEncryption)
                        Algorithm Id: 1.2.840.113549.1.1.11 (sha256WithRSAEncryption)
                    Padding: 0
                    encrypted: 1cc5289b97312237b6222154ee6382b01af617a098794e5cc9f43f01ea7d9005d8503b96…

  • Handshake Type：握手类型，1个字节。 i = 5

  • Length：长度，3个字节。 i = 6

  • Certificates Length：证书长度，3个字节。 i = 9

  • Certificates ：证书相关信息，可能是多个证书形成的证书链（服务器证书、中间证书和）。通常情况下，证书链的第一个证书是服务器公钥证书。

    对于上述例子，可以看出服务器发送了两张证书，一张是服务器自己的证书，一张是中间证书。我们只需要保存服务器公钥证书，用于后续加密预主密钥。
    服务器自己的证书由TrustAsia RSA DV TLS CA G2颁发，中间证书由AAA Certificate Services颁发。两张证书都使用sha256WithRSA算法签名。

    • Certificate Length：服务器公钥证书信息证书长度，3个字节。i = 12
    • Certificate ：服务器公钥证书信息。i = 15

      • signedCertificate：已签名的证书。

        • version：证书版本。在这个例子中，版本为v3，表示这是一个符合X.509版本3标准的证书。
        • serialNumber：证书的序列号。
        • signature：证书的签名算法。这个例子中使用了sha256WithRSA算法进行签名。
        • issuer：证书的颁发者（发行者）。在这个例子中，由TrustAsia RSA DV TLS CA G2颁发。
        • validity：证书的有效期。它包含了证书的生效日期和失效日期。
        • subject：证书的主体（拥有者）。在这个例子中，主体信息为空。
        • subjectPublicKeyInfo：证书的公钥信息。subjectPublicKey给出了公钥值。
        • extensions：证书的扩展字段，包含一些额外的证书信息，如密钥用途、颁发者信息等。其中重要的扩展，即critical=True的有：
          id-ce-keyUsage，表示该证书可以用于密钥交换和数字签名。
          id-ce-basicConstraints，表示该证书是一张普通证书，不能签发其他证书。

      • algorithmIdentifier：证书的签名算法标识符。

      • Padding：填充字段，用于对齐证书结构。

      • encrypted：加密部分，可能包含证书中的敏感信息。

5. ServerKeyExchange

Transport Layer Security
    TLSv1.2 Record Layer: Handshake Protocol: Server Key Exchange
        Content Type: Handshake (22)
        Version: TLS 1.2 (0x0303)
        Length: 300
        Handshake Protocol: Server Key Exchange
            Handshake Type: Server Key Exchange (12)
            Length: 296
            EC Diffie-Hellman Server Params
                Curve Type: named_curve (0x03)
                Named Curve: x25519 (0x001d)
                Pubkey Length: 32
                Pubkey: 37cb1755840758875116cb24435a7edb61228ce7d353b56ddaae691168c13176
                Signature Algorithm: rsa_pss_rsae_sha256 (0x0804)
                    Signature Hash Algorithm Hash: Unknown (8)
                    Signature Hash Algorithm Signature: SM2 (4)
                Signature Length: 256
                Signature: 37936b9ead1368308a601245cf01e35274774210b59fe3343f48f4e202c54a7df8ee1de4…
  • Handshake Type：握手类型，1个字节。 i = 5
  • Length：长度，3个字节。 i = 6
  • Curve Type：曲线类型，1个字节。 i = 9
  • Named Curve：曲线名称，2个字节。i = 10
  • Pubkey Length：公钥长度，1个字节。i = 12
  • Pubkey：公钥字节流。i = 13
  • Signature Algorithm：签名算法，2个字节。i = 13 + Pubkey Length
  • Signature Length：签名长度，2个字节。i = 15 + Pubkey Length
  • Signature：签名字节流。i = 17 + Pubkey Length

上述例子采用的是曲线是x25519，公钥：37cb1755840758875116cb24435a7edb61228ce7d353b56ddaae691168c13176，签名算法是rsa_pss_rsae_sha256。

6. ClientKeyExchange

略

7. NewSessTicket

略

8. ECDHE密钥交换算法原理

ECDHE 密钥协商算法是 DH 算法演进过来的，所以我们先从 DH 算法说起。

8.1 离散对数

DH 算法是非对称加密算法， 因此它可以用于密钥交换，该算法的核心数学思想是离散对数。 离散对数是在对数运算的基础上加了「模运算」，也就说取余数，对应编程语言的操作符是「%」，也可以用 mod 表示。离散对数的概念如下图：

在这里插入图片描述

上图中底数 a 和模数 p 是离散对数的公共参数，也就说是公开的，b 是真数，i 是对数。知道了对数，就可以用上面的公式计算出真数。但反过来，知道真数却很难推算出对数。

特别是当模数 p 是一个很大的质数，即使知道底数 a 和真数 b ，在现有的计算机的计算水平是几乎无法算出离散对数的，这就是 DH 算法的数学基础。

8.2 DH 算法

认识了离散对数，我们来看看 DH 算法是如何密钥交换的。

现假设小红和小明约定使用 DH 算法来交换密钥，那么基于离散对数，小红和小明需要先确定模数和底数作为算法的参数，这两个参数是公开的，用 P 和 G 来代称。

然后小红和小明各自生成一个随机整数作为私钥，双方的私钥要各自严格保管，不能泄漏，小红的私钥用 a 代称，小明的私钥用 b 代称。

现在小红和小明双方都有了 p 和 g 以及各自的私钥，于是就可以计算出公钥：

小红的公钥记作 A，A = g ^ a ( mod p )
小明的公钥记作 B，B = g ^ b ( mod p )

A 和 B 也是公开的，因为根据离散对数的原理，从真数（A 和 B）反向计算对数 a 和 b 是非常困难的。

双方交换各自 DH 公钥后，小红执行运算： B ^ a( mod P )，其结果为 K，小明执行运算： A ^ b ( mod P )，得到的结果也是 K。 此时，小红和小明就得到了相同的密钥 K。

在这里插入图片描述

8.3 DHE 算法

根据私钥生成的方式，DH 算法分为两种实现：

  • static DH 算法【废弃】：服务器私钥固定，客户端私钥随机；
  • DHE 算法【常用】：双方私钥都是随机的。

static DH 算法里有一方的私钥是静态的，也就说每次密钥协商的时候有一方的私钥都是一样的，一般是服务器方固定，即 a 不变，客户端的私钥则是随机生成的。

于是，DH 交换密钥时就只有客户端的公钥是变化，而服务端公钥是不变的，那么随着时间延长，黑客就会截获海量的密钥协商过程的数据，因为密钥协商的过程有些数据是公开的，黑客就可以依据这些数据暴力破解出服务器的私钥，然后就可以计算出会话密钥了，于是之前截获的加密数据会被破解，所以 static DH 算法不具备前向安全性。

既然固定一方的私钥有被破解的风险，那么干脆就让双方的私钥在每次密钥交换通信时，都是随机生成的、临时的，这个方式也就是 DHE 算法，E 全称是 ephemeral（临时性的）。

所以，即使有黑客破解了某一次通信过程的私钥，其他通信过程的私钥仍然是安全的，因为每个通信过程的私钥都是没有任何关系的，都是独立的，这样就保证了「前向安全」。

8.4 ECDHE 算法

DHE 算法由于计算性能不佳，因为需要做大量的乘法，为了提升 DHE 算法的性能，所以就出现了现在广泛用于密钥交换算法 —— ECDHE 算法。

ECDHE 算法是在 DHE 算法的基础上利用了 ECC 椭圆曲线特性，可以用更少的计算量计算出公钥，以及最终密钥。

小红和小明使用 ECDHE 密钥交换算法的过程：

  • 双方事先确定好使用哪种椭圆曲线，和曲线上的基点 G，这两个参数都是公开的；
  • 双方各自随机生成一个随机数作为私钥 d，并与基点 G相乘得到公钥Q（Q = dG），此时小红的公私钥为 Q1 和 d1，小明的公私钥为 Q2 和 d2；
  • 双方交换各自的公钥，最后小红计算点（x1，y1） = d1Q2，小明计算点（x2，y2） = d2Q1，由于椭圆曲线上是可以满足乘法交换和结合律，所以 d1Q2 = d1d2G = d2d1G = d2Q1 ，因此双方的 x 坐标一样，所以它是共享密钥。

这个过程中，双方的私钥都是随机、临时生成的，都是不公开的，即使根据公开的信息（椭圆曲线、公钥、基点 G）也是很难计算出椭圆曲线上的离散对数（私钥）。

8.5 ECDHE 握手过程

知道了 ECDHE 算法基本原理后，我们就结合实际的情况来看看。

我用 Wireshark 工具抓了用 ECDHE 密钥协商算法的 TSL 握手过程，可以看到是四次握手：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

使用了 ECDHE，在 TLS 第四次握手前，客户端就已经发送了加密的 HTTP 数据，而对于 RSA 握手过程，必须要完成 TLS 四次握手，才能传输应用数据。

所以，ECDHE 相比 RSA 握手过程省去了一个消息往返的时间，这个有点「抢跑」的意思，它被称为是「TLS False Start」，跟「TCP Fast Open」有点像，都是在还没连接完全建立前，就发送了应用数据，提高了传输效率。

接下来，分析每一个 ECDHE 握手过程。

1.TLS 第一次握手

客户端首先会发一个「Client Hello」消息，消息里面有客户端使用的 TLS 版本号、支持的密码套件列表，以及生成的随机数（Client Random）。

在这里插入图片描述

2. TLS 第二次握手

服务端收到客户端的「打招呼」，同样也要回礼，会返回「Server Hello」消息，消息面有服务器确认的 TLS 版本号，也给出了一个随机数（Server Random），然后从客户端的密码套件列表选择了一个合适的密码套件。

在这里插入图片描述

不过，这次选择的密码套件就和 RSA 不一样了，我们来分析一下这次的密码套件的意思。

「TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384」

  • 密钥协商算法使用 ECDHE；
  • 签名算法使用 RSA；
  • 握手后的通信使用 AES 对称算法，密钥长度 256 位，分组模式是 GCM；
  • 摘要算法使用 SHA384；

接着，服务端为了证明自己的身份，发送「Certificate」消息，会把证书也发给客户端。

在这里插入图片描述

这一步就和 RSA 握手过程有很大到区别了，因为服务端选择了 ECDHE 密钥协商算法，所以会在发送完证书后，发送「Server Key Exchange」消息。 而 RSA 握手过程是没有这个消息的。

在这里插入图片描述

这个过程服务器做了三件事：

  • 选择了名为 named_curve 的椭圆曲线，选好了椭圆曲线相当于椭圆曲线基点 G 也定好了，这些都会公开给客户端；
  • 生成随机数作为服务端椭圆曲线的私钥，保留到本地；
  • 根据基点 G 和私钥计算出服务端的椭圆曲线公钥，这个会公开给客户端。

为了保证这个椭圆曲线的公钥不被第三方篡改，服务端会用 RSA 签名算法给服务端的椭圆曲线公钥做个签名。

随后，就是「Server Hello Done」消息，服务端跟客户端表明：“这些就是我提供的信息，打招呼完毕”。

在这里插入图片描述

至此，TLS 两次握手就已经完成了，目前客户端和服务端通过明文共享了这几个信息：Client Random、Server Random 、使用的椭圆曲线、椭圆曲线基点 G、服务端椭圆曲线的公钥，这几个信息很重要，是后续生成会话密钥的材料。

3. TLS 第三次握手

客户端收到了服务端的证书后，自然要校验证书是否合法，如果证书合法，那么服务端到身份就是没问题的。校验证书到过程，会走证书链逐级验证，确认证书的真实性，再用证书的公钥验证签名，这样就能确认服务端的身份了，确认无误后，就可以继续往下走。

客户端会生成一个随机数作为客户端椭圆曲线的私钥，然后再根据服务端前面给的信息，生成客户端的椭圆曲线公钥，然后用「Client Key Exchange」消息发给服务端。

在这里插入图片描述

至此，双方都有对方的椭圆曲线公钥、自己的椭圆曲线私钥、椭圆曲线基点 G。于是，双方都就计算出点（x，y），其中 x 坐标值双方都是一样的，这个是预主密钥。

还记得 TLS 握手阶段，客户端和服务端都会生成了一个随机数传递给对方吗？

主密钥由密码导出函数（KDF）转换为主密钥， 常见的KDF有PBKDF2、PRF等。 TLS1.2使用 PRF进行密码推导（TLS1.3 是用的 HKDF），它需要三个参数（secret，label，seed），其中：secret是输入，label是个固定值，seed就是salt，是一个随机值，计算过程大体如下：

master_secret = PRF(pre_master_secret, "master secret",
                    ClientHello.random + ServerHello.random)
                    [0..47];

在ECDHE中，label 是 “master secret”，以字符的形式参与计算；seed 是 将客户端和服务器在 “hello” 消息产生的随机数进行拼接。

之后会话密钥/密钥块是由「客户端随机数 + 服务端随机数 + 主密钥 」通过 PRF 函数来生成，会话密钥里面包含对称加密密钥、消息认证和 CBC 模式的初始化向量，对于非 CBC 模式的加密算法来说，就没有用到这个初始化向量。

之所以这么麻烦，是因为 TLS 设计者不信任客户端或服务器「伪随机数」的可靠性，为了保证真正的完全随机，把三个不可靠的随机数混合起来，那么「随机」的程度就非常高了，足够让黑客计算出最终的会话密钥，安全性更高。

算好会话密钥后，客户端会发一个「Change Cipher Spec」消息，告诉服务端后续改用对称算法加密通信。

在这里插入图片描述

接着，客户端会发「Encrypted Handshake Message」消息，把之前发送的数据做一个摘要，再用对称密钥加密一下，让服务端做个验证，验证下本次生成的对称密钥是否可以正常使用。

4. TLS 第四次握手

最后，服务端也会有一个同样的操作，发「Change Cipher Spec」和「Encrypted Handshake Message」消息，如果双方都验证加密和解密没问题，那么握手正式完成。于是，就可以正常收发加密的 HTTP 请求和响应了。

5. 总结：RSA 和 ECDHE 握手过程的区别

  • RSA 密钥协商算法「不支持」前向保密，ECDHE 密钥协商算法「支持」前向保密；
  • 使用了 RSA 密钥协商算法，TLS 完成四次握手后，才能进行应用数据传输，而对于 ECDHE 算法，客户端可以不用等服务端的最后一次 TLS 握手，就可以提前发出加密的 HTTP 数据（其实是之前发送的数据的摘要），节省了一个消息的往返时间；
  • 使用 ECDHE， 在 TLS 第 2 次握手中，会出现服务器端发出的「Server Key Exchange」消息，而 RSA 握手过程没有该消息。

参考资料

  1. HTTPS 温故知新（六） —— TLS 中的 Extensions
  2. HTTPS 温故知新（五） —— TLS 中的密钥计算
  3. （十）Diffie-Hellman协议
  4. 图解 ECDHE 密钥交换算法

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