TLS/SSL Protocol

intro

TLS/SSL 发展

TLS_SSL发展

TLS 设计目的

身份验证
保密性
完整性

TLS 协议

Record 记录协议
- 对称加密
Handshake 握手协议
- 验证通讯双方的身份
- 交换加解密的安全套件
- 协商加密参数

TLS 安全密码套件解读

TLS安全密码套件解读

对称加密

Symmetric Encryption

AES 对称加密在网络中的应用

AES 对称加密在网络中的应用

对称加密与 XOR 异或运算

对称加密与 XOR 异或运算

填充 padding

Block cipher 分组加密：将明文分成多个等长的 Block 模块，对每个模块分别加解密
目的：当最后一个明文 Block 模块长度不足时，需要填充
填充方法
- 位填充：以 bit 位为单位来填充
  - ... | 1011 1001 1101 0100 0010 0111 0000 0000 |
- 字节填充：以字节为单位为填充
  - 补零：... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 00 |
  - ANSI X9.23：... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 00 00 00 04 |
  - ISO 10126：... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 81 A6 23 04 |
  - PKCS7 (RFC5652)：... | DD DD DD DD DD DD DD DD | DD DD DD DD 04 04 04 04 |

分组工作模式

分组工作模式 block cipher mode of operation

允许使用同一个分组密码密钥对多于一块的数据进行加密，并保证其安全性

ECB(Electronic codebook)模式

直接将明文分解为多个块，对每个块独立加密
问题：无法隐藏数据特征

CBC(Cipher-block chaining)模式

每个明文块先与前一个密文块进行异或后，再进行加密
问题：加密过程串行化

CTR(Counter)模式

通过递增一个加密计数器以产生连续的密钥流
问题：不能提供密文消息完整性校验

验证完整性

hash 函数

MAC (Message Authentication Code)

GCM模式

Galois/Counter Mode

CTR+GMAC

AES

AES(Advanced Encryption Standard)加密算法

为比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 所设计，又称 Rijndael 加密算法
常用填充算法：PKCS7
常用分组工作模式：GCM
明文分组长度只能是128位(16字节)

AES	密钥长度(32位比特字)	分组长度(32位比特字)	加密轮数
AES-128	4	4	10
AES-192	6	4	12
AES-256	8	4	14

AES 的加密步骤

把明文按照 128bit(16 字节)拆分成若干个明文块，每个明文块是 4*4 矩阵
按照选择的填充方式来填充最后一个明文块
每一个明文块利用 AES 加密器和密钥，加密成密文块
拼接所有的密文块，成为最终的密文结果

AES 加密流程

C = E(K,P)，E 为每一轮算法，每轮密钥皆不同

初始轮
- AddRoundKey 轮密钥加
普通轮
- AddRoundKey 轮密钥加
- SubBytes 字节替代
- ShiftRows 行移位
- MixColumns 列混合
最终轮
- SubBytes 字节替代
- ShiftRows 行移位
- AddRoundKey 轮密钥加

(1)AddRoundKey 步骤

矩阵中的每一个字节都与该次回合密钥(round key)做 XOR 运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。

密钥扩展

函数 g 步骤

a.字循环：左移 1 个字节
b.使用 S 盒字节代换
c. 同轮常量 RC[j]进行异或，其中 j 表示轮数

RC = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1B, 0x36}

(2)SubBytes 步骤

透过一个非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。

提供非线性变换能力，避免简单代数性质的攻击

S盒

(3)ShiftRows 步骤

将矩阵中的每个横列进行循环式移位

第一行不变
第二行循环左移 1 个字节
第三行循环左移 2 个字节
第四行循环左移 3 个字节

ShiftRows 步骤

(4) MixColumns 步骤

MixColumns 步骤

非对称加密

Asymmetric Encryption

每个参与方都有一对密钥

公钥
- 向对方公开
私钥
- 仅自己使用

RSA

1977 年由罗纳德·李维斯特(Ron Rivest)、阿迪·萨莫尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德曼(Leonard Adleman)一起提出，因此名为 RSA 算法

RSA 算法中公私钥的产生

随机选择两个不相等的质数 p 和 q
计算 p 和 q 的乘积 n（明文小于 n）
计算 n 的欧拉函数 v=φ(n)
随机选择一个整数 k

1< k < v，且 k 与 v 互质

计算 k 对于 v 的模反元素 d
公钥：(k,n)
私钥： (d,n)

RSA 算法加解密流程

RSA 算法加解密流程

加密：c ≡ $m^{k}$ (mod n)
- m 是明文，c 是密文
解密：m ≡ $c^{d}$ (mod n)
举例：对明文数字 123 加解密
- 公钥（3,319）加密
  - $123^{3}$ mod 319=140
  - 对140密文用私钥（187,319）解密
    - $140^{187}$ mod 319=123
私钥（187,319）加密
- $123^{187}$ mod 319=161
- 公钥（3,319）解密
  - $161^{3}$ mod 319=123

openssl

生成私钥（公私钥格式参见 RFC3447）

bash

openssl genrsa -out private.pem

从私钥中提取出公钥

bash

openssl rsa -in private.pem -pubout -out public.pem

查看 ASN.1 格式的私钥

bash

openssl asn1parse -i -in private.pem

查看 ASN.1 格式的公钥

bash

openssl asn1parse -i -in public.pem

找到BIT STRING 例如19

bash

openssl asn1parse -i -in public.pem -strparse 19

使用 RSA 公私钥加解密

加密文件

bash

openssl rsautl -encrypt -in hello.txt -inkey public.pem -pubin -out hello.en

解密文件

bash

openssl rsautl -decrypt -in hello.en -inkey private.pem -out hello.de

PKI证书体系

非对称密码应用：数字签名

基于私钥加密，只能使用公钥解密：起到身份认证的使用
公钥的管理：Public Key Infrastructure（PKI）公钥基础设施
- 由 Certificate Authority（CA）数字证书认证机构将用户个人身份与公开密钥关联在一起
- 公钥数字证书组成
  - CA 信息、公钥用户信息、公钥、权威机构的签字、有效期
- PKI 用户
  - 向 CA 注册公钥的用户
  - 希望使用已注册公钥的用户

签发证书流程

签发证书流程

签名与验签流程

签名与验签流程

证书信任链

证书信任链

PKI 公钥基础设施

PKI 公钥基础设施

证书类型

证书类型

验证证书链

验证证书链

DH密钥交换协议

RSA 密钥交换

由客户端生成对称加密的密钥

RSA 密钥交换

问题: 没有前向保密性

DH 密钥交换

1976 年由 Bailey Whitfield Diffie 和 Martin Edward Hellman 首次发表，故称为 Diffie–Hellman key exchange，简称 DH
它可以让双方在完全没有对方任何预先信息的条件下通过不安全信道创建起一个密钥

DH 密钥交换

DH 密钥交换协议举例

DH 密钥交换协议举例1 DH 密钥交换协议举例2

问题和解法:

中间人伪造攻击
- 向 Alice 假装自己是 Bob，进行一次 DH 密钥交换
- 向 Bob 假装自己是 Alice，进行一次 DH 密钥交换
解决中间人伪造攻击
- 身份验证

ECDH密钥交换协议

ECC 椭圆曲线的原理

ECC椭圆曲线的定义

ECC 曲线的特性：+运算

ECC 曲线的特性和运算

+运算的代数计算方法

ECC+运算举例

ECC加运算举例

ECC 的关键原理

DH 协议升级：基于椭圆曲线的 ECDH 协议

ECDH 密钥交换协议

DH 密钥交换协议使用椭圆曲线后的变种，称为 Elliptic Curve Diffie–Hellman key Exchange，缩写为 ECDH，优点是比 DH 计算速度快、同等安全条件下密钥更短
ECC（Elliptic Curve Cryptography）：椭圆曲线密码学
魏尔斯特拉斯椭圆函数（Weierstrass‘s elliptic functions）：y^2=x^3+ax+b