HTTPS 温故知新（三）——直观感受 TLS 握手流程(上)

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HTTPS 温故知新（三）——直观感受 TLS 握手流程(上)

首页休闲益智握手吧更新时间：2024-06-05

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在 HTTPS 开篇的文章中，笔者分析了 HTTPS 之所以安全的原因是因为 TLS 协议的存在。TLS 能保证信息安全和完整性的协议是记录层协议。(记录层协议在上一篇文章中详细分析了)。看完上篇文章的读者可能会感到疑惑，TLS 协议层加密的密钥是哪里来的呢？客户端和服务端究竟是如何协商 Security Parameters 加密参数的？这篇文章就来详细的分析一下 TLS 1.2 和 TLS 1.3 在 TLS 握手层上的异同点。

TLS 1.3 在 TLS 1.2 的基础上，针对 TLS 握手协议最大的改进在于提升速度和安全性。本篇文章会重点分析这两块。

一. TLS 对网络请求速度的影响

由于部署了 HTTPS，传输层增加了 TLS，对一个完成的请求耗时又会多增加一些。具体会增加几个 RTT 呢？

先来看看一个请求从零开始，完整的需要多少个 RTT。假设访问一个 HTTPS 网站，用户从 HTTP 开始访问，到收到第一个 HTTPS 的 Response，大概需要经历一下几个步骤(以目前最主流的 TLS 1.2 为例)：

在上面这些步骤中，1、10 肯定无法省去，6、7、8 如果浏览器本地有缓存，是可选的。将剩下的画在流程图上，见下图：

针对上面的步骤进行一些说明：

用户第一次访问网页需要解析 DNS，DNS 解析以后会被浏览器缓存下来，只要是 TTL 没有过期，期间的所有访问都不需要再耗 DNS 的解析时间了。另外如果有 HTTPDNS，也会缓存解析之后的结果。所以第一步并非每次都要花费 1-RTT。

如果网站做了 HSTS (HTTP Strict Transport Security)，那么上面的第 3 步就不存在，因为浏览器会直接替换掉 HTTP 的请求，变成 HTTPS 的，防止重定向的中间人攻击。

如果浏览器有主流 CA 的域名解析缓存，也不需要进行上面的第 6 步，直接访问即可。

如果浏览器关闭掉了 OCSP 或者是有本地缓存，那么也不需要进行上面的第 7 和第 8 步。

上面这 10 步是最最完整的流程，一般有各种缓存不会经历上面每一步。如果有各种缓存，并且有 HSTS 策略，所以用户每次访问网页都必须要经历的流程如下：

除去 4 是无论如何都无法省掉的以外，剩下的就是 TCP 和 TLS 握手了。 TCP 想要减至 0-RTT，目前来看有点难。那 TLS 呢？目前 TLS 1.2 完整一次握手需要 2-RTT，能再减少一点么？答案是可以的。

二. TLS/SSL 协议概述

TLS 握手协议运行在 TLS 记录层之上，目的是为了让服务端和客户端就协议版本达成一致, 选择加密算法, 选择性的彼此相互验证对方, 使用公钥加密技术生成共享密钥——即协商出 TLS 记录层加密和完整性保护需要用到的 Security Parameters 加密参数。协商的过程中还必须要保证网络中传输的信息不能被篡改，伪造。由于协商需要在网络上来来回回花费几个来回，所以 TLS 的网络耗时基本上很大一部分花费在网络 RTT 上了。

和加密参数关系最大的是密码套件。客户端和服务端在协商过程中需要匹配双方的密码套件。然后双方握手成功以后，基于密码套件协商出所有的加密参数，加密参数中最重要的就是主密钥(master secret)。

握手协议主要负责协商一个会话，这个会话由以下元素组成:

上面这些字段随后会被用于产生安全参数并由记录层在保护应用数据时使用。利用TLS握手协议的恢复特性，使用相同的会话可以实例化许多连接。

TLS 握手协议包含如下几步:

下面行文思路会按照 TLS 首次握手，会话恢复的顺序，依次对比 TLS 1.2 和 TLS 1.3 在握手上的不同，并且结合 Wireshark 抓取实际的网络包进行分析讲解。最后分析一下 TLS 1.3 新出的 0-RTT 是怎么回事。

三. TLS 1.2 首次握手流程

TLS 1.2 握手协议主要流程如下：

Client 发送一个 ClientHello 消息，Server 必须回应一个 ServerHello 消息或产生一个验证的错误并且使连接失败。ClientHello 和 ServerHello 用于在 Client 和 Server 之间建立安全性增强的能力。ClientHello 和 ServerHello 建立了如下的属性: 协议版本，会话 ID，密码套件，压缩算法。此外，产生并交换两个随机数: ClientHello.random 和 ServerHello.random。

密钥交换中使用的最多 4 个消息: Server Certificate, ServerKeyExchange, Client Certificate 和 ClientKeyExchange。新的密钥交换方法可以通过这些方法产生:为这些消息指定一个格式, 并定义这些消息的用法以允许 Client 和 Server 就一个共享密钥达成一致。这个密钥必须很长；当前定义的密钥交换方法交换的密钥大于 46 字节。

在 hello 消息之后, Server 会在 Certificate 消息中发送它自己的证书，如果它即将被认证。此外，如果需要的话，一个 ServerKeyExchange 消息会被发送(例如, 如果 Server 没有证书, 或者它的证书只用于签名，RSA 密码套件就不会出现 ServerKeyExchange 消息)。如果 Server 被认证过了，如果对于已选择的密码套件来说是合适的话，它可能会要求 Client 发送证书。接下来，Server 会发送 ServerHelloDone 消息，至此意味着握手的 hello 消息阶段完成。Server 将会等待 Client 的响应。如果 Server 发送了一个 CertificateRequest 消息，Client 必须发送 Certificate 消息。现在 ClientKeyExchange 消息需要发送, 这个消息的内容取决于 ClientHello 和 ServerHello 之间选择的公钥算法。如果 Client 发送了一个带签名能力的证书, 则需要发送以一个数字签名的 CertificateVerify 消息，以显式验证证书中私钥的所有权。

这时，Client 发送一个 ChangeCipherSpec 消息，并且复制 pending 的 Cipher Spec 到当前的 Cipher Spec 中. 然后 Client 在新算法, 密钥确定后立即发送 Finished 消息。作为回应，Server 会发送它自己的 ChangeCipherSpec 消息, 将 pending 的 Cipher Spec 转换为当前的 Cipher Spec，在新的 Cipher Spec 下发送 Finished 消息。这时，握手完成，Client 和 Server 可以开始交换应用层数据。应用数据一定不能在第一个握手完成前(在一个非TLS_NULL_WITH_NULL_NULL 类型的密码套件建立之前)发送。

用经典的图表示一次完成的握手就是下图：

* 号意味着可选择的或者并不会一直被发送的条件依赖形消息。

为了防止 pipeline stalls，ChangeCipherSpec 是一种独立的 TLS 协议内容类型，并且事实上它不是一种 TLS 消息。所以图上 "[]" 代表的是，ChangeCipherSpec 并不是 TLS 的消息的意思。

TLS 握手协议是 TLS 记录协议的一个已定义的高层客户端。这个协议用于协商一个会话的安全属性。握手消息封装传递给 TLS 记录层，这里它们会被封装在一个或多个 TLSPlaintext 结构中，这些结构按照当前活动会话状态所指定的方式被处理和传输。

enum { hello_request(0), client_hello(1), server_hello(2), certificate(11), server_key_exchange (12), certificate_request(13), server_hello_done(14), certificate_verify(15), client_key_exchange(16), finished(20), (255) } HandshakeType; struct { HandshakeType msg_type; /* handshake type */ uint24 length; /* bytes in message */ select (HandshakeType) { case hello_request: HelloRequest; case client_hello: ClientHello; case server_hello: ServerHello; case certificate: Certificate; case server_key_exchange: ServerKeyExchange; case certificate_request: CertificateRequest; case server_hello_done: ServerHelloDone; case certificate_verify: CertificateVerify; case client_key_exchange: ClientKeyExchange; case finished: Finished; } body; } Handshake;

握手协议消息在下文中会以发送的顺序展现；没有按照期望的顺序发送握手消息会导致一个致命错误，握手失败。然而，不需要的握手消息会被忽略。需要注意的是例外的顺序是：证书消息在握手（从 Server 到 Client，然后从 Client到 Server）过程中会使用两次。不被这些顺序所约束的一个消息是 HelloRequest 消息，它可以在任何时间发送，但如果在握手中间收到这条消息，则应该被 Client 忽略。

1. Hello 子消息

Hello 阶段的消息用于在 Client 和 Server 之间交换安全增强能力。当一个新的会话开始时，记录层连接状态加密，hash，和压缩算法被初始化为空。当前连接状态被用于重协商消息。

(1) Hello Request

HelloRequest 消息可以在任何时间由 Server 发送。

这个消息的含义: HelloRequest 是一个简单的通知，告诉 Client 应该开始重协商流程。在响应过程中，Client 应该在方便的时候发送一个 ClientHello 消息。这个消息并不是意图确定哪端是 Client 或 Server，而仅仅是发起一个新的协商。Server 不应该在 Client 发起连接后立即发送一个 HelloRequest。

如果 Client当前正在协商一个会话时，HelloRequest 这个消息会被 Client忽略。如果 Client 不想重新协商一个会话，或 Client 希望响应一个 no_renegotiation alert 消息，那么也可能忽略 HelloRequest 消息。因为握手消息意图先于应用数据被传送，它希望协商会在少量记录消息被 Client 接收之前开始。如果 Server 发送了一个 HelloRequest 但没有收到一个 ClientHello 响应，它应该用一个致命错误 alert 消息关闭连接。在发送一个 HelloRequest 之后，Server 不应该重复这个请求直到随后的握手协商完成。

HelloRequest 消息的结构:

struct { } HelloRequest;

这个消息不能被包含在握手消息中维护的消息 hash 中, 也不能用于结束的消息和证书验证消息。

(2) Client Hello

当一个 Client 第一次连接一个 Server 时，发送的第一条消息必须是 ClientHello。Client 也能发送一个 ClientHello 作为对 HelloRequest 的响应，或用于自身的初始化以便在一个已有连接中重新协商安全参数。

struct { uint32 gmt_unix_time; opaque random_bytes[28]; } Random; struct { ProtocolVersion client_version; Random random; SessionID session_id; CipherSuite cipher_suites<2..2^16-2>; CompressionMethod compression_methods<1..2^8-1>; select (extensions_present) { case false: struct {}; case true: Extension extensions<0..2^16-1>; }; } ClientHello;

CipherSuite TLS_NULL_WITH_NULL_NULL = { 0x00,0x00 }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_NULL_MD5 = { 0x00,0x01 }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_NULL_SHA = { 0x00,0x02 }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_NULL_SHA256 = { 0x00,0x3B }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_RC4_128_MD5 = { 0x00,0x04 }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_RC4_128_SHA = { 0x00,0x05 }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA = { 0x00,0x0A }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA = { 0x00,0x2F }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA = { 0x00,0x35 }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256 = { 0x00,0x3C }; CipherSuite TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256 = { 0x00,0x3D }; CipherSuite TLS_DH_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA = { 0x00,0x0D }; CipherSuite TLS_DH_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA = { 0x00,0x10 }; CipherSuite TLS_DHE_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA = { 0x00,0x13 }; CipherSuite TLS_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA = { 0x00,0x16 }; CipherSuite TLS_DH_DSS_WITH_AES_128_CBC_SHA = { 0x00,0x30 }; CipherSuite TLS_DH_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA = { 0x00,0x31 }; CipherSuite TLS_DHE_DSS_WITH_AES_128_CBC_SHA = { 0x00,0x32 }; CipherSuite TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA = { 0x00,0x33 }; CipherSuite TLS_DH_DSS_WITH_AES_256_CBC_SHA = { 0x00,0x36 }; CipherSuite TLS_DH_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA = { 0x00,0x37 }; CipherSuite TLS_DHE_DSS_WITH_AES_256_CBC_SHA = { 0x00,0x38 }; CipherSuite TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA = { 0x00,0x39 }; CipherSuite TLS_DH_DSS_WITH_AES_128_CBC_SHA256 = { 0x00,0x3E }; CipherSuite TLS_DH_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256 = { 0x00,0x3F }; CipherSuite TLS_DHE_DSS_WITH_AES_128_CBC_SHA256 = { 0x00,0x40 }; CipherSuite TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256 = { 0x00,0x67 }; CipherSuite TLS_DH_DSS_WITH_AES_256_CBC_SHA256 = { 0x00,0x68 }; CipherSuite TLS_DH_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256 = { 0x00,0x69 }; CipherSuite TLS_DHE_DSS_WITH_AES_256_CBC_SHA256 = { 0x00,0x6A }; CipherSuite TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256 = { 0x00,0x6B };

如果一个 Client 使用扩展来请求额外的功能, 并且这个功能 Server 并不支持, 则 Client可以中止握手。一个 Server 必须接受带有或不带扩展域的 ClientHello 消息，并且(对于其它所有消息也是一样)它必须检查消息中数据的数量是否精确匹配一种格式；如果不是，它必须发送一个致命"decode_error" alert 消息。

发送 ClientHello 消息之后，Client 会等待 ServerHello 消息。Server 返回的任何握手消息，除 HelloRequest 外, 均被作为一个致命的错误。

TLS 允许在 compression_methods 字段之后的 extensions 块中添加扩展。通过查看在 ClientHello 结尾处，compression_methods 后面是否有多余的字节就能检测到扩展是否存在。需要注意的是这种检测可选数据的方法与正常的 TLS 变长域不一样，但它可以用于与扩展还没有定义之前的 TLS 相互兼容。

ClientHello 消息包含一个变长的 Session ID 会话标识符。如果非空，这个值标识了同一对 Client 和 Server 之间的会话，Client 希望重新使用这个会话中 Server 的安全参数。

Session ID 会话标识符可能来自于一个早期的连接，本次连接，或来自另一个当前活动的连接。第二个选择是有用的，如果 Client 只是希望更新随机数据结构并且从一个连接中导出数值；第三个选择使得在无需重复全部握手协议的情况下就能够建立若干独立的安全连接。这些独立的连接可能先后顺序建立或同时建立。一个 Session ID 在双方交换 Finished 消息，握手协商完成是开始有效，并持续到由于过期或在一个与会话相关联的连接上遭遇致命错误导致它被删除为止。Session ID 的实际内容由 Server 定义。

opaque SessionID<0..32>;

由于 Session ID 在传输时没有加密或直接的 MAC 保护，Server 一定不能将机密信息放在 Session ID 会话标识符中或使用伪造的会话标识符的内容，都是违背安全原则。(需要注意的是握手的内容作为一个整体, 包括 SessionID, 是由在握手结束时交换的 Finished 消息再进行保护的)。

密码族列表, 在 ClientHello 消息中从 Client 传递到 Server，以 Client 所倾向的顺序(最推荐的在最先)包含了 Client 所支持的密码算法。每个密码族定义了一个密钥交互算法，一个块加密算法(包括密钥长度)，一个 MAC 算法，和一个随机数生成函数 PRF。Server 将选择一个密码套件，如果没有可以接受的选择，在返回一个握手失败 alert 消息然后关闭连接。如果列表包含了 Server 不能识别，支持或希望使用的密码套件，Server 必须忽略它们，并正常处理其余的部分。

uint8 CipherSuite[2]; /* Cryptographic suite selector */

ClientHello 保护了 Client 所支持的压缩算法列表，按照 Client 的倾向进行排序。

(3) Server Hello

当 Server 能够找到一个可接受的算法集时，Server 发送这个消息作为对 ClientHello 消息的响应。如果不能找到这样的算法集, 它会发送一个握手失败 alert 消息作为响应。

Server Hello 消息的结构是:

struct { ProtocolVersion server_version; Random random; SessionID session_id; CipherSuite cipher_suite; CompressionMethod compression_method; select (extensions_present) { case false: struct {}; case true: Extension extensions<0..2^16-1>; }; } ServerHello;

通过查看 compression_methods 后面是否有多余的字节在 ServerHello 结尾处就能探测到扩展是否存在。

2. Server Certificate

无论何时经过协商一致以后的密钥交换算法需要使用证书进行认证的，Server 就必须发送一个 Certificate。Server Certificate 消息紧跟着 ServerHello 之后，通常他们俩者在同一个网络包中，即同一个 TLS 记录层消息中。

如果协商出的密码套件是 DH_anon 或者 ECDH_annon，则 Server 不应该发送该消息，因为可能会遇到中间人攻击。其他的情况，只要不是需要证书进行认证的，Server 都可以选择不发送此条子消息。

这个消息的作用是：

这个消息把 Server 的证书链传给 Client。

证书必须适用于已协商的密码套件的密钥交互算法和任何已协商的扩展。

这个消息的结构是：

opaque ASN.1Cert<1..2^24-1>; struct { ASN.1Cert certificate_list<0..2^24-1>; } Certificate;

相同的消息类型和结果将用于 Client 端对一个证书请求消息的响应。需要注意的是一个 Client 可能不发送证书, 如果它没有合适的证书来发送以响应 Server 的认证请求。

如下的规则会被应用于 Server 发送的证书:

密钥交换算法证书类型RSA

RSA_PSK证书中包含 RSA 公钥，该公钥可以进行密码协商，也就是使用 RSA 密码协商算法；证书必须允许密钥用于加密(如果 key usage 扩展存在的话，则 keyEncipherment 位必须被设置，表示允许服务器公钥用于密码协商)

注:RSA_PSK 定义于 [TLSPSK]DHE_RSA

ECDHE_RSA证书中包含 RSA 公钥，可以使用 ECDHE 或者 DHE 进行密钥协商；证书必须允许密钥使用 Server 密钥交互消息中的签名机制和 hash 算法进行签名 (如果 key usage 扩展存在的话，digitalSignature 位必须设置，RSA 公钥就可以进行数字签名)

注: ECDHE_RSA定义于 [TLSECC]DHE_DSS证书包含 DSA 公钥; 证书必须允许密钥用于使用将在 Server 密钥交换消息中使用的散列算法进行签名DH_DSS

DH_RSA证书中包含 DSS 或 RSA 公钥，使用 Diffie-Hellman 进行密钥协商; 如果 key usage 扩展存在的话，keyAgreement 位必须设置，目前这种套件已经很少见了。ECDH_ECDSA

ECDH_RSA证书包含 ECDSA 或 RSA 公钥，使用 ECDH-capable 进行密钥协商。由于是静态密钥协商算法，ECDH 的参数和公钥包含在证书中; 公钥必须使用一个能够被 Client 支持的曲线和点格式, 正如 [TLSECC] 中描述的那样。目前这种套件已经很少见了，因为 ECDH 不支持前向安全性ECDHE_ECDSA证书包含 ECDSA-capable 公钥，使用 ECDHE 算法协商预备主密钥; 证书必须允许密钥用于使用将在 Server 密钥交换消息中使用的散列算法进行签名;公钥必须使用一个能够被 Client 支持的曲线和点格式，Client 通过 Client Hello 消息中的 ec_point_formats 扩展指定支持的命名曲线，正如 [TLSECC] 中描述的那样。这是 TLS 1.2 中最安全，性能最高的密码套件。

如果 Client 提供了一个 "signature_algorithms" 扩展，则 Server 提供的所有证书必须由出现在这个扩展中的一个 hash/签名算法对进行签名。需要注意的是这意味着一个包含了一个签名算法密钥的证书应该被一个不同的签名算法签名(例如，RSA 密钥被 DSA 密钥签名)。这个与 TLS 1.1 不同，TLS 1.1 中要求算法是相同的。更进一步也说明了 DH_DSS，DH_RSA，ECDH_ECDSA，和 ECDH_RSA 套件的后半部分对应的公钥不会用来加密或者数字签名，没有存在的必要性，并且后半部分也不限制 CA 机构签发证书所选用的数字签名算法。固定的 DH 证书可以被出现在扩展中的任意 hash/签名算法对签名。DH_DSS，DH_RSA，ECDH_ECDSA，和 ECDH_RSA 是历史上的名称。

如果 Server 有多个证书, 它基于上述标准(此外其它的标准有:传输层端点，本地配置和偏好等)选择其中一个。如果 Server 只有一个证书，它应该尝试使这个证书符合这些标准。

需要注意的是有很多证书使用无法与 TLS 兼容的算法或算法组合。例如，一个使用 RSASSA-PSS 签名密钥的证书(在 SubjectPublicKeyInfo 中是 id-RSASSA-PSS OID)不能被使用因为 TLS 没有定义相应的签名算法。

正如密钥套件指定了用于 TLS 协议的新的密钥交换方法，它们也同样指定了证书格式和要求的编码的按键信息。

至此已经涉及到了 Client 签名算法、证书签名算法、密码套件、Server 公钥，这 4 者相互有关联，也有没有关系的。

例如 TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 这个密码套件：

密钥协商算法是 ECDHE，身份验证算法是 ECDSA，加密模式是 AES_256_GCM，由于 GCM 是属于 AEAD 加密模式，所以整个密码套件无须另外的 HMAC，SHA384 指的是 PRF 算法。

这里的身份验证并不是指的证书由哪种数字签名算法签名的，而是指的证书中包含的 Server 公钥是什么类型的公钥。

所以 Client Hello 中的 signature_algorithms 扩展需要和证书链中的签名算法匹配，如果不匹配，就无法验证证书中的 Server 公钥，也需要和双方协商出来的密码套件匹配，如果不匹配，就无法使用 Server 公钥。

3. Server Key Exchange Message

这个消息会紧随在 Server 证书消息之后发送(如果是一个匿名协商的话，会紧随在 Server Hello消息之后发送)；

ServerKeyExchange 消息由 Server 发送，但仅在 Server 证书消息(如果发送了)没有包含足够的数据以允许 Client 交换一个预密钥时。这个限制对于如下的密钥交换算法是成立的:

DHE_DSS DHE_RSA ECDHE_ECDSA ECDHE_RSA DH_anon ECDH_anon

对于上面前 4 个密码套件，由于使用的临时的 DH/ECDH 密钥协商算法，证书中是不包含这些动态的 DH 信息(DH 参数和 DH 公钥)，所以需要使用 Server Key Exchange 消息传递这些信息。传递的动态 DH 信息需要使用 Server 私钥进行签名加密。

对于上面后 2 个密码套件，是匿名协商，使用的静态的 DH/ECDH 密钥协商算法，而且它们也没有证书消息(Server Certificate 消息)，所以同样需要使用 Server Key Exchange 消息传递这些信息。传递的静态 DH 信息需要使用 Server 私钥进行签名加密。

对于如下密钥交换算法发送 ServerKeyExchange 是非法的:

RSA DH_DSS DH_RSA

对于 RSA 加密套件，Client 不需要额外参数就可以计算出预备主密钥，然后使用 Server 的公钥加密发送给 Server 端，所以不需要 Server Key Exchange 可以完成协商。

对于 DH_DSS 和 DH_RSA，在证书中就会包含静态的 DH 信息，也不需要发送 Server Key Exchange，Client 和 Server 双方可以各自协商出预备主密钥的一半密钥，合起来就是预备主密钥了。这两种密码套件目前很少用，一般 CA 不会在证书中包含静态的 DH 信息，也不太安全。

其它的密钥交换算法，如在 [TLSECC] 中所定义的那些，必须指定是否发送 ServerKeyExchange；如果消息发送了，则必须指定发送内容。

ServerKeyExchange 这个消息的目的就是传递了必要的密码信息，使得 Client 可以完成预备主密钥的通信：获得一个 Client 可用于完成一个密钥交换的 Diffie-Hellman 公钥(结果就是生成预备主密钥)或一个其它算法的公钥。

DH 参数的结构是:

enum { dhe_dss, dhe_rsa, dh_anon, rsa, dh_dss, dh_rsa,ec_diffie_hellman /* 可以被扩展, 例如, 对于 ECDH -- 见 [TLSECC] */ } KeyExchangeAlgorithm; struct { opaque dh_p<1..2^16-1>; opaque dh_g<1..2^16-1>; opaque dh_Ys<1..2^16-1>; } ServerDHParams; /* 动态的 DH 参数 */

Server 需要传递额外参数的密码套件主要 6 种，之前提到过，DHE_DSS、DHE_RSA、ECDHE_ECDSA、ECDHE_RSA、DH_anon、ECDH_anon，其他的密码套件不可用于 ServerKeyExchange 这个消息中。一般 HTTPS 都会部署这 4 种密码套件：ECDHE_RSA、DHE_RSA、ECDHE_ECDSA、RSA。

关于 TLS 中 ECC 相关描述在 RFC4492 这篇文档中

密钥交换算法描述ECDH_ECDSA静态的 ECDH ECDSA 签名证书ECDHE_ECDSA动态的 ECDH ECDSA 签名证书ECDH_RSA静态的 ECDH RSA 签名证书ECDHE_RSA动态的 ECDH RSA 签名证书ECDH_anon匿名的 ECDH 无签名证书

ECDHE 参数的结构是:

struct { ECParameters curve_params; ECPoint public; } ServerECDHParams;

ECC public 公钥的数据结构如下：

struct { opaque point <1..2^8-1>; } ECPoint;

ECC 椭圆曲线的类型:

enum { explicit_prime (1), explicit_char2 (2), named_curve (3), reserved(248..255) } ECCurveType; struct { opaque a <1..2^8-1>; opaque b <1..2^8-1>; } ECCurve; enum { ec_basis_trinomial, ec_basis_pentanomial } ECBasisType;

支持的所有命名曲线:

enum { sect163k1 (1), sect163r1 (2), sect163r2 (3), sect193r1 (4), sect193r2 (5), sect233k1 (6), sect233r1 (7), sect239k1 (8), sect283k1 (9), sect283r1 (10), sect409k1 (11), sect409r1 (12), sect571k1 (13), sect571r1 (14), secp160k1 (15), secp160r1 (16), secp160r2 (17), secp192k1 (18), secp192r1 (19), secp224k1 (20), secp224r1 (21), secp256k1 (22), secp256r1 (23), secp384r1 (24), secp521r1 (25), reserved (0xFE00..0xFEFF), arbitrary_explicit_prime_curves(0xFF01), arbitrary_explicit_char2_curves(0xFF02), (0xFFFF) } NamedCurve;

ECDH 参数的数据结构：

struct { ECCurveType curve_type; select (curve_type) { case explicit_prime: opaque prime_p <1..2^8-1>; ECCurve curve; ECPoint base; opaque order <1..2^8-1>; opaque cofactor <1..2^8-1>; case explicit_char2: uint16 m; ECBasisType basis; select (basis) { case ec_trinomial: opaque k <1..2^8-1>; case ec_pentanomial: opaque k1 <1..2^8-1>; opaque k2 <1..2^8-1>; opaque k3 <1..2^8-1>; }; ECCurve curve; ECPoint base; opaque order <1..2^8-1>; opaque cofactor <1..2^8-1>; case named_curve: NamedCurve namedcurve; }; } ECParameters;

ECCurveType 表示 ECC 类型每个人可以自行指定椭圆曲线的公式，基点等参数，但是在 TLS/SSL 协议中一般都是使用已经命名好的命名曲线 NamedCurve，这样也更加安全。

ServerECDHParams 中包含了 ECParameters 参数和 ECPoint 公钥。

最后来看看 ServerKeyExchange 消息的数据结构：

struct { select (KeyExchangeAlgorithm) { case dh_anon: ServerDHParams params; case dhe_dss: case dhe_rsa: ServerDHParams params; digitally-signed struct { opaque client_random[32]; opaque server_random[32]; ServerDHParams params; } signed_params; case rsa: case dh_dss: case dh_rsa: struct {} ; /* 消息忽略 rsa, dh_dss, 和dh_rsa */ case ec_diffie_hellman: ServerECDHParams params; Signature signed_params; }; } ServerKeyExchange;

ServerKeyExchange 根据 KeyExchangeAlgorithm 类型的不同，加入了不同的参数。对于匿名协商，不需要证书，所以也不需要身份验证，没有证书。DHE 开头的协商算法，Server 需要发给 Client 动态的 DH 参数 ServerDHParams 和 数字签名。这里的数字签名会包含 Client 端传过来的随机数，Server 端生成的随机数和 ServerDHParams。

RSA、DH_DSS、DH_RSA 这 3 个不需要 ServerKeyExchange 消息。

如果是动态的 ECDH 协商算法，Server 需要把 ServerECDHParams 参数和签名发给 Client。签名的数据结构如下：

enum { ecdsa } SignatureAlgorithm; select (SignatureAlgorithm) { case ecdsa: digitally-signed struct { opaque sha_hash[sha_size]; }; } Signature; ServerKeyExchange.signed_params.sha_hash SHA(ClientHello.random ServerHello.random ServerKeyExchange.params);

这里的签名里面包含的是 Client 随机数、Server 随机数 和 ServerKeyExchange.params 三者求 SHA。

如果 Client已经提供了 "signature_algorithms" 扩展，签名算法和 hash 算法必须成对出现在扩展中。需要注意的是这里可能会有不一致的可能，例如，Client 可能提供 DHE_DSS 密钥交换算法，但却在 "signature_algorithms" 扩展中忽略任何与 DSA 配对的组合。为了达成正确的密码协商，Server 必须在选择密码套件之前检查与 "signature_algorithms" 扩展可能冲突的密码套件。这并不算是一个优雅的方案，只能算是一个折中的方案，对原来密码套件的设计改动最小。

此外，hash 和签名算法必须与位于 Server 的终端实体证书中的密钥相兼容。RSA 密钥可以与任何允许的 hash 算法配合使用, 并满足任何证书的约束(如果有的话)。

4. Certificate Request

一个非匿名的 Server 可以选择性地请求一个 Client 发送的证书，如果相互选定的密码套件合适的话。如果 ServerKeyExchange 消息发送了的话，就紧跟在 ServerKeyExchange 消息的后面。如果 ServerKeyExchange 消息没有发送的话，就跟在 Server Certificate 消息后面。

这个消息的结构是:

enum { rsa_sign(1), dss_sign(2), rsa_fixed_dh(3), dss_fixed_dh(4), rsa_ephemeral_dh_RESERVED(5), dss_ephemeral_dh_RESERVED(6), fortezza_dms_RESERVED(20), ecdsa_sign(64), rsa_fixed_ecdh(65), ecdsa_fixed_ecdh(66), (255) } ClientCertificateType; opaque DistinguishedName<1..2^16-1>; struct { ClientCertificateType certificate_types<1..2^8-1>; SignatureAndHashAlgorithm supported_signature_algorithms<2^16-1>; DistinguishedName certificate_authorities<0..2^16-1>; } CertificateRequest;

certificate_types 和 supported_signature_algorithms 域的交互关系某种程度上有些复杂，certificate_type 自从 SSLv3 开始就在 TLS 中存在，但某种程度上并不规范。它的很多功能被 supported_signature_algorithms 所取代。应遵循下述 3 条规则:

注: 一个匿名 Server 请求认证 Client 会产生一个致命的 handshake_failure 警告错误。

5. Server Hello Done

ServerHelloDone 消息已经被 Server 发送以表明 ServerHello 及其相关消息的结束。发送这个消息之后, Server 将会等待 Client 发过来的响应。

这个消息意味着 Server 发送完了所有支持密钥交换的消息，Client 能继续它的密钥协商，证书校验等步骤。

在收到 ServerHelloDone 消息之后，Client 应当验证 Server 提供的是否是有效的证书，如果有要求的话, 还需要进一步检查 Server hello 参数是否可以接受。

这个消息的结构:

struct { } ServerHelloDone;

6. Client Certificate

这是 Client 在收到一个 ServerHelloDone 消息后发送的第一个消息。这个消息只能在 Server 请求一个证书时发送。如果没有合适的证书，Client 必须发送一个不带证书的证书消息。即, certificate_list 结构体的长度是 0。如果 Client 不发送任何证书，Server 可以自行决定是否可以在不验证 Client 的情况下继续握手，或者回复一个致命 handshake_failure 警报 alert 信息。而且, 如果证书链某些方面不能接受(例如, 它没有被一个知名的可信 CA 签名)，Server 可以自行决定是否继续握手(考虑到 Client 无认证)或发送一个致命的警报 alert 信息。

Client 证书的数据结构和 Server Certificate 是相同的。

Client Certificate 消息的目的是传递 Client 的证书链给 Server；当验证 CertificateVerify 消息时(当 Client 的验证基于签名时)Server 会用它来验证或计算预备主密钥(对于静态的 Diffie-Hellman)。证书必须适用于已协商的密码套件的密钥交换算法, 和任何已协商的扩展.

尤其是:

Client 证书类型证书密钥类型rsa_sign证书包含 RSA公钥；证书必须允许这个密钥被用于签名, 并与签名方案和 hash 算法一起被用于证书验证消息。dss_sign证书 DSA公钥；证书必须允许这个密钥被用于签名, 并与 hash 算法一起被用于证书验证消息。ecdsa_sign证书包含 ECDSA 的公钥；证书必须允许这个密钥被用于签名, 并与 hash 算法一起被用于证书验证消息；这个公钥必须使用一个曲线和 Server 支持的点的格式。rsa_fixed_dh

dss_fixed_dh证书包含 Diffie-Hellman 公钥；必须使用与 Server 的密钥相同的参数rsa_fixed_ecdh

ecdsa_fixed_ecdh证书包含 ECDH 公钥；必须使用与 Server 密钥相同的曲线，并且必须使用 Server 支持的点格式

需要注意的是, 与 Server 证书一样，有一些证书使用了当前不能用于当前 TLS 的算法/算法组合。

7. Client Key Exchange Message

这个消息始终由 Client 发送。如果有 Client Certificate 消息的话，Client Key Exchange 紧跟在 Client Certificate 消息之后发送。如果不存在Client Certificate 消息的话，它必须是在 Client 收到 ServerHelloDone 后发送的第一个消息。

这个消息的含义是，在这个消息中设置了预备主密钥，或者通过 RSA 加密后直接传输，或者通过传输 Diffie-Hellman 参数来允许双方协商出一致的预备主密钥。

当 Client 使用一个动态的 Diffie-Hellman 指数时，这个消息就会包含 Client 的 Diffie-Hellman 公钥。如果 Client 正在发送一个包含一个静态 DH 指数(例如，它正在进行 fixed_dh Client 认证)的证书时，这个消息必须被发送但必须为空。

这个消息的结构:

这个消息的选项依赖于选择了哪种密钥交互方法。关于 KeyExchangeAlgorithm 的定义，见 Server Key Exchange Message 这一节。

ClientKeyExchange 消息的数据结构如下：

enum { implicit, explicit } PublicValueEncoding; struct { select (PublicValueEncoding) { case implicit: struct { }; case explicit: ECPoint ecdh_Yc; } ecdh_public; } ClientECDiffieHellmanPublic; struct { select (KeyExchangeAlgorithm) { case rsa: EncryptedPreMasterSecret; case dhe_dss: case dhe_rsa: case dh_dss: case dh_rsa: case dh_anon: ClientDiffieHellmanPublic; case ec_diffie_hellman: ClientECDiffieHellmanPublic; } exchange_keys; } ClientKeyExchange;

从 exchange_keys 的 case 中可以看到主要分为 3 种处理方式：EncryptedPreMasterSecret、ClientDiffieHellmanPublic、ClientECDiffieHellmanPublic。那么接下来就依次分析这 3 种处理方式的不同。

(1) RSA/ECDSA 加密预备主密钥

如果 RSA 被用于密钥协商和身份认证(RSA 密码套件)，Client 会生成一个 48 字节的预备主密钥，使用 Server 证书中的公钥加密，然后以一个加密的预备主密钥消息发送。这个结构体是 ClientKeyExchange 消息的一个变量，它本身并非一个消息。

这个消息的结构是:

struct { ProtocolVersion client_version; opaque random[46]; } PreMasterSecret;

Client 将这 48 字节的预备主密钥用 Server 的 RSA 公钥加密以后生成 EncryptedPreMasterSecret，再发回 Server。

EncryptedPreMasterSecret 的数据结构如下：

struct { public-key-encrypted PreMasterSecret pre_master_secret; } EncryptedPreMasterSecret;

Server 拿到 EncryptedPreMasterSecret 以后，用自己的 RSA 私钥解密。解密以后还需要再次校验 PreMasterSecret 中的 ProtocolVersion 和 ClientHello 中传递的 ProtocolVersion 是否一致。如果不相等，校验失败，Server 会根据下面说的规则重新生成 PreMasterSecret，并继续进行握手。

如果 ClientHello.client_version 是 TLS 1.1 或更高，Server 实现必须按照以下的描述检查版本号。如果版本号是 TLS 1.0 或更早，Server 实现应该检查版本号，但可以有一个可配置的选项来禁止这个检查。需要注意的是如果检查失败，PreMasterSecret 应该按照以下的描述将PreMasterSecret 重新随机化生成。

由 Bleichenbacher [BLEI] 和 Klima et al.[KPR03] 发现的攻击能被用于攻击 TLS Server，这种攻击表明一个特定的消息在解密时，已经被格式化为 PKCS#1，包含一个有效的 PreMasterSecret 结构，或着表明了有正确的版本号。

正如 Klima [KPR03] 所描述的, 这些弱点能够被避免，通过处理不正确的格式消息块，或者在正确格式的 RSA 块中不区分错误的版本号。换句话说:

  1. 生成一个 46 字节随机字符串 R；
  1. 解密这消息来恢复明文 M；
  1. 如果 PKCS#1 填充不正确，或消息 M 的长度不是精确的 48 字节:pre_master_secret = ClientHello.client_version || R，再如果 ClientHello.client_version <= TLS 1.0，且版本号检查被显示禁用：pre_master_secret = M。如果以上 2 种情况都不符合，那么就pre_master_secret = ClientHello.client_version || M[2..47]。

需要注意的是,如果 Client 在原始的 pre_master_secret 中发生了错误的版本的话，那么使用 ClientHello.client_version 显式构造产生出来的 pre_master_secret 是一个无效的 master_secret。

另外一个可供选择的方法是将版本号不匹配作为一个 PKCS-1 格式错误来处理，并将预备主密钥完全随机化：

  1. 生成一个 46 字节随机字符串 R；
  1. 解密这消息来恢复明文 M；
  1. 如果 PKCS#1 填充不正确，或消息 M 的长度不是精确的 48 字节:pre_master_secret = R，再如果ClientHello.client_version <= TLS 1.0，且版本号检查被显示禁用:pre_master_secret = M。再如果 M 的前两个字节 M[0..1] 不等于ClientHello.client_version:premaster secret = R，如果以上 3 种情况都不满足，就pre_master_secret = M。

虽然没有已知的针对这个结构体的攻击，Klima et al. [KPR03] 描述了一些理论上的攻击， 因此推荐第一种结构描述来处理。

在任何情况下，如果处理一个 RSA 加密的预备主密钥消息失败的时候，或版本号不是期望的时候，一个 TLS Server 一定不能产生一个警报。作为替代，它必须以一个随机生成的预备主密钥继续握手流程。出于定位问题的意图将失败的真正原因记录在日志中可能是有帮助的。但必须注意避免泄露信息给攻击者（例如，计时，日志文件或其它渠道）

在 [PKCS1] 中定义的 RSAES-OAEP 加密方案对于 Bleichenbacher 攻击是更安全的。然而，为了最大程度上兼容早期的 TLS 版本，TLS 1.2 规范使用 RSAES-PKCS1-v1_5 方案。如果上述建议被采纳的话，不会有多少已知的Bleichenbacher 能够奏效。

公钥加密数据被表现为一个非透明向量 <0..2^16-1>。因此，一个 ClientKeyExchange 消息中的 RSA 加密的预备主密钥以两个长度字节为先导。这些字节对于 RSA 是冗余的因为 EncryptedPreMasterSecret 是 ClientKeyExchange 中仅有的数据，它的长度会明确地确定。SSLv3 规范对公钥加密数据的编码没有明确指定，因此很多 SSLv3 实现没有包含长度字节，它们将 RSA 加密数据直接编码进 ClientKeyExchange 消息中。

TLS 1.2 要求 EncryptedPreMasterSecret 和长度字节一起正确地编码。结果 PDU 会与很多 SSLv3 实现不兼容。实现者从 SSLv3 升级时必须修改他们的实现以生成和接受正确的编码。希望兼容 SSLv3 和 TLS 的实现者必须使他们的实现的行为依赖于版本号。

现在得知对 TLS 进行基于计时的攻击是可能的，至少当 Client 和 Server 在相同局域网中时是可行的。相应地，使用静态 RSA 密钥的实现必须使用 RSA 混淆或其它抗计时攻击技术，如 [TIMING] 所述。

(2) 静态 DH 公钥算出预备主密钥

如果这个值没有被包含在 Clietn 的证书中，这个结构体传递了 Client 的 Diffie-Hellman 公钥(Yc)。Yc 所用的编码由 PublicValueEncoding 罗列。这个结构是 Client 密钥交换消息的一个变量，它本身并非一个消息。

这个消息的结构是：

enum { implicit, explicit } PublicValueEncoding;

struct { select (PublicValueEncoding) { case implicit: struct {}; case explicit: opaque dh_Yc<1..2^16-1>; } dh_public; } ClientDiffieHellmanPublic;

(3) 动态 DH 公钥算出预备主密钥

如果协商出来的密码套件密钥协商算法是 ECDHE，Client 需要发送 ECDH 公钥，结构体如下:

struct { opaque point <1..2^8-1>; } ECPoint; struct { select (PublicValueEncoding) { case implicit: struct {}; case explicit: ECPoint ecdh_Yc; } ecdh_public; } ClientECDiffieHellmanPublic;

所有涉及 ECC 操作的，Server 和 Client 必须选用双方都支持的命名曲线，Client Hello 消息中 ecc_curve 扩展指定了 Client 支持的 ECC 命名曲线。

8. Certificate Verify

这个消息用于对一个 Client 的证书进行显式验证。这个消息只能在一个 Client 证书具有签名能力时才能发送(例如，所有除了包含固定 Diffie-Hellman 参数的证书)。当发送时，它必须紧随着 client key exchange 消息。

这条消息的结构是：

struct { digitally-signed struct { opaque handshake_messages[handshake_messages_length]; } } CertificateVerify;

这里 handshake_messages 是指发送或接收到的所有握手消息，从 client hello 开始到但不包括本消息，包含握手消息的类型和长度域。这是到目前为止所有握手结构（在这一节定义的）的级联。需要注意的是这要求两端要么缓存消息，要么计算用所有可用的 hash 算法计算运行时的 hash 值直到计算 CertificateVerify 的 hash 值为止。Server 可以通过在 CertificateRequest 消息中提高一个受限的摘要算法及来最小化这种计算代价。

在签名中使用的 hash 和签名算法必须是 CertificateRequest 消息中 supported_signature_algorithms 字段所列出的算法中的一种。此外，hash 和签名算法必须与 Client 的终端实体证书相兼容。RSA 密钥可以与任何允许的 hash 算法一起使用，但需要服从证书中的限制(如果有的话)。

由于 DSA 签名不包含任何安全的 hash 算法的方法，如果任意密钥使用多个 hash 的话会产生一个 hash 替代风险。目前 DSA [DSS] 可以与 SHA-1 一起使用。将来版本的 DSS [DSS-3] 被希望允许与 DSA 一起使用其它的摘要算法。以及指导哪些摘要算法应与每个密钥大小一起使用。此外，将来版本的 [PKIX] 可以指定机制以允许证书表明哪些摘要算法能与 DSA 一起使用。

9. Finished

一个 Finished 消息一直会在一个 change cipher spec 消息后立即发送，以证明密钥交换和认证过程是成功的。一个 change cipher spec 消息必须在其它握手消息和结束消息之间被接收。

Finished 消息是第一个被刚刚协商的算法，密钥和机密保护的消息。Finished 消息的接收者必须验证内容是正确的。一旦一方已经发送了 Finished 消息且接收并验证了对端发送的 Finished 消息，就可以在连接上开始发送和接收应用数据。

Finished 消息的结构：

struct { opaque verify_data[verify_data_length]; } Finished; verify_data = PRF(master_secret, finished_label, Hash(handshake_messages)) [0..verify_data_length-1];

Hash 指出了握手消息的一个 hash。hash 必须用作 PRF 的基础。任何定义了一个不同 PRF 的密码套件必须定义 Hash 用于 Finished 消息的计算。

在 TLS 1.2 之前的版本中，verify_data 一直是 12 字节长。在 TLS 1.2 版本中，verify_data 的长度取决于密码套件。任何没有显式指定 verify_data_length 的密码套件都默认 verify_data_length 等于 12。需要注意的是这种表示的编码与之前的版本相同。将来密码套件可能会指定其它长度但这个长度必须至少是 12 字节。

如果一个 Finished 消息在握手的合适环节上没有一个 ChangeCipherSpec 在其之前则是致命错误。

handshake_messages 的值包括了从 ClientHello 开始一直到（但不包括）Finished 消息的所有握手消息。这一节中的 handshake_messages 不同，因为它包含 CertificateVerify 消息（如果发送了）。同样，client 发送的 Finished 消息的 handshake_messages 与 Server 发送的 Finished 消息不同，因为第二个被发送的要包含前一个。Server 的 Finished 消息会包含 Client 的 Finished 子消息。

注意：ChangeCipherSpec 消息，alert 警报，和任何其它记录类型不是握手消息，不会被包含在 hash 计算中。同样，HelloRequest 消息也被握手 hash 忽略。

Finished 子消息是 TLS 记录层加密保护的第一条消息。Finished 子消息的存在的意义是什么呢？

在所有的握手协议中，所有的子消息都没有加密和完整性保护，消息很容易篡改，改掉以后如果不检验，就会出现不安全的攻击。为了避免握手期间存在消息被篡改的情况，所以 Client 和 Server 都需要校验一下对方的 Finished 子消息。

如果中间人在握手期间把 ClientHello 的 TLS 最高支持版本修改为 TLS 1.0，企图回退攻击，利用 TLS 旧版本中的漏洞。Server 收到中间人的 ClientHello 并不知道是否存在篡改，于是也按照 TLS 1.0 去协商。握手进行到最后一步，校验 Finished 子消息的时候，校验不通过，因为 Client 原本发的 ClientHello 中 TLS 最高支持版本是 TLS 1.2，那么产生的 Finished 子消息的 verify_data 与 Server 拿到篡改后的 ClientHello 计算出来的 verify_data 肯定不同。至此也就发现了中间存在篡改，握手失败。

Reference：

GitHub Repo：Halfrost-Field

Follow: halfrost · GitHub

Source: https://halfrost.com/HTTPS-TLS1.2_handshake/

本文作者：于德志 (@halfrost)，原创授权发布

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