TLS技术简介

Charles Chan @ 2022-09-10 #OpenSSL #TLS @Program

交互时序（规范）

TLS v1.2

详情可以参照官方文档 RFC 5246 。

在 RFC 5246 的第 36 页中， 给出了 TLS v1.2 的握手流程图。如下图所示：

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    Client->>Server: ClientHello
    Note left of Client: 客户端发送所支持的 SSL/TLS 最高协议版本号<br/>和所支持的加密算法集合<br/>及压缩方法集合等信息<br/>给服务器端。
    Server->>Client: ServerHello
    Note right of Server: 选定双方都能够支持的 SSL/TLS 协议版本<br/>和加密方法及压缩方法，<br/>返回给客户端
    Server-)Client: Certificate
    Note right of Server: 服务器端发送服务端证书给客户端
    opt 仅需要时
        Server-)Client: ServerKeyExchange
        Note right of Server: 仅当服务器证书消息（如果已发送）不包含足够<br/>的数据以允许客户端交换预主密钥时，服务器才<br/>会发送 ServerKeyExchange 消息。<br/>通常，只有使用 DHE_DSS 、 DHE_RSA 、<br/>DH_anon 时会发生。
    end
    opt 双向验证
        Server-)Client: CertificateRequest
        Note right of Server: 服务器端向客户端请求客户端证书。
    end
    Server->>Client: ServerHelloDone
    Note right of Server: 服务器端通知客户端初始协商结束
    opt 双向验证
        Client-)Server: Certificate
        Note left of Client: 客户端向服务器端发送客户端证书。
    end
    Client->>Server: ClientKeyExchange
    Note left of Client: 客户端使用服务器端的公钥，对客户端公钥和密钥<br/>种子进行加密，再发送给服务器端。
    opt 双向验证
        Client-)Server: CertificateVerify
        Note left of Client: 客户端用本地私钥生成数字签名，<br/>并发送给服务器端，让其通过收到的客户端公钥<br/>进行身份验证。
    end
    Client->>Client: ChangeCipherSpec
    Note left of Client: 客户端通知服务器端已将通讯方式切换到加密模式
    Client->>Server: Finished
    Note left of Client: 客户端做好加密通讯的准备。
    Server->>Server: ChangeCipherSpec
    Note right of Server: 服务器端通知客户端已将<br/>通讯方式切换到加密模式。
    Server->>Client: Finished
    Note right of Server: 服务器做好加密通讯的准备。
    Client<<->>Server: Application Data

• 开箭头（如 -) ）表示可选发送的消息，或者根据实际境况决定是否发送的消息

TLS v1.3

详情可以参照官方文档 RFC 8446 。

在 RFC 8446 的第 11 页中， 给出了 TLS v1.2 的握手流程图。如下图所示：

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    Client->>Server: ClientHello
    Note left of Client: 包含的信息：<br/>　密钥交换：<br/>　　<i>key_share</i>：<br/>　　　终端的加密参数<br/>　　<i>signature_algorithms</i>：<br/>　　　希望服务器通过证书验证自己的客户端必须<br/>　　　发送“signature_algorithms”<br/>　　<i>psk_key_exchange_modes</i>：<br/>　　　使用预共享密钥时，必须发送<br/>　　<i>pre_shared_key</i>：<br/>　　　用于协商预共享密钥的身份，以用于与 PSK<br/>　　　密钥建立相关的给定握手。
    Server->>Client: ServerHello
    Note right of Server: 包含的信息：<br/>　密钥交换：<br/>　　<i>key_share</i>：<br/>　　　终端的加密参数<br/>　　<i>pre_shared_key</i>：<br/>　　　用于协商预共享密钥的身份，以用于与 PSK<br/>　　　密钥建立相关的给定握手。<br/>　服务端参数：<br/>　　EncryptedExtensions：<br/>　　　用来发送加密扩展信息。<br/>　　<i>CertificateRequest</i>：<br/>　　　当客户端需要验证时发送<br/>　验证：<br/>　　<i>Certificate</i>：<br/>　　　用于身份验证的证书<br/>　　<i>CertificateVerify</i>：<br/>　　　对信息的签名
    Client->>Server: 验证
    Note left of Client: 包含的信息：<br/>　<i>Certificate</i>：<br/>　　用于身份验证的证书<br/>　<i>CertificateVerify</i>：<br/>　　对信息的签名
    Client<<->>Server: Application Data

• 斜体字表示根据情况可能使用也可能不使用的内容。 事实上，除了“ EncryptedExtensions ”，全都是斜体字。
• 可以注意到， v1.3 中没有提压缩算法，应该是删除了。

开发（基于OpenSSL）

初始化

通过 SSL_CTX_set_cipher_list() （v1.2）或者 SSL_CTX_set_ciphersuites() （v1.3）确定并设置加密算法。

通过 SSL_CTX_set_min_proto_version() 和 SSL_CTX_set_max_proto_version() 确定支持的版本范围。

服务端和客户端都通过 SSL_CTX_use_certificate_file() 加载各自的证书文件。 如果涉及到证书链，则改为通过 SSL_CTX_use_certificate_chain_file() 加载。 事实上，可以无脑使用后者。

服务端和客户端都通过 SSL_CTX_use_PrivateKey_file() 加载各自的私钥文件。

如果涉及到根证书，则通过 SSL_CTX_load_verify_locations() 加载。

如果证书有密码，使用 SSL_CTX_set_default_passwd_cb_userdata() 进行提供。

如果需要 Diffie-Hellman ， OpenSSL 3.0之前，可以在服务端通过 SSL_CTX_set_tmp_dh() 加载 DH 文件。 OpenSSL 3.0以后，使用 SSL_CTX_set0_tmp_dh_pkey() 加载 EVP_PKEY-DH 。

双向验证

可以通过对 SSL_CTX_set_verify() 的使用来决定是否开启双向验证。

这里的情况会比较复杂，需要设计合理的接口来配置，或者干脆分模型编译。

客户端

在通用的 Socket 连接动作之后，需要再进行一次基于 TLS 的连接。 这个功能使用 SSL_connect() 接口来完成。

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    activate Client
    Client->>Server: connect
    Note left of Client: POSIX connect
    Client->>Client: SSL_new
    Client->>Client: SSL_set_fd
    Client->>Server: SSL_connect
    Note left of Client: SSL connect
    deactivate Client

服务端

在通用的 Socket Accept 动作之后，需要再进行一次基于 TLS 的 Accept。 这个功能使用 SSL_accept() 接口来完成。

sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    activate Client
    Client->>Server: connect
    Note left of Client: POSIX connect
    activate Server
    Server->>Server: accept()
    deactivate Server
    Note right of Server: POSIX accept
    Client->>Client: SSL_new
    Client->>Client: SSL_set_fd
    Client->>Server: SSL_connect
    Note left of Client: SSL connect
    activate Server
    Server->>Server: SSL_new
    Server->>Server: SSL_set_fd
    Server->>Server: SSL_accept
    Note right of Server: SSL accept
    deactivate Server
    deactivate Client

释放资源

整个过程中会创建两类资源，分别是“ SSL_CTX* ”和“ SSL* ”。 前者需要使用 SSL_CTX_free() 来释放； 后者需要使用 SSL_shutdown() 和 SSL_free() 来释放。

客户端比较简单，只有一条线。 服务端需要注意对 SSL_accept() 产生的各个 Session 进行释放。

证书的做成

我用下面的方法做出了可用的证书。例子中使用了“ abcd ”作为密码。

openssl genrsa -aes256 -passout pass:abcd -out server.key 2048

openssl req -new -passin pass:abcd -key server.key -out server.csr \
  -subj "/C=CN/ST=LN/L=DL/O=MyCompany/OU=MyUnit/CN=SVR"

openssl genrsa -aes256 -passout pass:abcd -out client.key 2048

openssl req -new -passin pass:abcd -key client.key -out client.csr  \
  -subj "/C=CN/ST=LN/L=DL/O=MyCompany/OU=MyUnit/CN=CLI"

openssl genrsa -aes256 -passout pass:abcd -out ca.key 2048

openssl req -new -passin pass:abcd -x509 -key ca.key -out ca.crt  \
  -subj "/C=CN/ST=LN/L=DL/O=MyCompany/OU=MyUnit/CN=CA"

openssl x509 -req -passin pass:abcd -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key \
  -CAcreateserial -out server.crt -days 20000

openssl x509 -req -passin pass:abcd -in client.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key \
  -CAcreateserial -out client.crt -days 20000

openssl dhparam -out dh2048.pem 2048

其中：

• ca.crt ： 对应CA证书。即 SSL_CTX_load_verify_locations() 。
• client.key/server.key ： 对应私钥。即 SSL_CTX_use_PrivateKey_file() 。
• client.crt/server.crt ： 对应证书。即 SSL_CTX_use_certificate_chain_file() 。

验证

原则上来说，通讯成功我们就认为验证通过了。 不过还是有一些特殊的内容需要额外验证其是否生效了。

缺陷检查

有一个叫做 testssl.sh 的工具。 可以对TLS功能进行一些检查。

Diffie-Hellman

TLS v1.2的情况比较好验证，只要通过wireshark来检查是否存在如下字段：

Transport Layer Security
  TLSv1.2 Record Layer: Handshake Protocol: Server Key Exchange
    Handshake Protocol: Server Key Exchange
      EC Diffie-Hellman Server Params

另外，注意cipher的选择。比如确定要使用 DH 功能，就要选择带有 DHE 字样的cipher。 比如“ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384”。

TLS v1.3的比较麻烦。从 协议标准 来看，是支持DH的。但是，目前没有找到好的办法验证DH功能到底生效了没有。

扩展

对照 IANA 的 扩展列表 和 RFC8446 。可以看到，后者中并没有覆盖所有的扩展。 可能正是基于这个原因，OpenSSL也没有实现所有的扩展。

如果确实需要，则可以通过“SSL_CTX_add_custom_ext”接口来添加。具体的使用方法可以参照OpenSSL提供的测试程序“sslapitest.c”

参照

• 证书认证方式 SSL_CTX_set_verify
• Simple TLS Server
• SSL/TLS Client