SSL/TLS协议运行机制的概述
互联网的通信安全，建立在SSL/TLS协议之上。
本文简要介绍SSL/TLS协议的运行机制。文章的重点是设计思想和运行过程，不涉及具体的实现细节。如果想了解这方面的内容，请参阅RFC文档。
一、作用
不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明文传播，带来了三大风险。
（1） 窃听风险（eavesdropping）：第三方可以获知通信内容。
（2） 篡改风险（tampering）：第三方可以修改通信内容。
（3） 冒充风险（pretending）：第三方可以冒充他人身份参与通信。
SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的，希望达到：
（1） 所有信息都是加密传播，第三方无法窃听。
（2） 具有校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。
（3） 配备身份证书，防止身份被冒充。
互联网是开放环境，通信双方都是未知身份，这为协议的设计带来了很大的难度。而且，协议还必须能够经受所有匪夷所思的攻击，这使得SSL/TLS协议变得异常复杂。
二、历史
互联网加密通信协议的历史，几乎与互联网一样长。
1994年，NetScape公司设计了SSL协议（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未发布。
1995年，NetScape公司发布SSL 2.0版，很快发现有严重漏洞。
1996年，SSL 3.0版问世，得到大规模应用。
1999年，互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版。
2006年和2008年，TLS进行了两次升级，分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。
目前，应用最广泛的是TLS 1.0，接下来是SSL 3.0。但是，主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的支持。
TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。
三、基本的运行过程
SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法，也就是说，客户端先向服务器端索要公钥，然后用公钥加密信息，服务器收到密文后，用自己的私钥解密。
但是，这里有两个问题。
（1）如何保证公钥不被篡改？
解决方法：将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的，公钥就是可信的。
（2）公钥加密计算量太大，如何减少耗用的时间？
解决方法：每一次对话（session），客户端和服务器端都生成一个"对话密钥"（session key），用它来加密信息。由于"对话密钥"是对称加密，所以运算速度非常快，而服务器公钥只用于加密"对话密钥"本身，这样就减少了加密运算的消耗时间。
因此，SSL/TLS协议的基本过程是这样的：
（1） 客户端向服务器端索要并验证公钥。
（2） 双方协商生成"对话密钥"。
（3） 双方采用"对话密钥"进行加密通信。
上面过程的前两步，又称为"握手阶段"（handshake）。
四、握手阶段的详细过程
"握手阶段"涉及四次通信，我们一个个来看。需要注意的是，"握手阶段"的所有通信都是明文的。
4.1 客户端发出请求（ClientHello）
首先，客户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。
在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。
（1） 支持的协议版本，比如TLS 1.0版。
（2） 一个客户端生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
（3） 支持的加密方法，比如RSA公钥加密。
（4） 支持的压缩方法。
这里需要注意的是，客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只能包含一个网站，否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。
对于虚拟主机的用户来说，这当然很不方便。2006年，TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。
4.2 服务器回应（SeverHello）
服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。
（1） 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。
（2） 一个服务器生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
（3） 确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。
（4） 服务器证书。
除了上面这些信息，如果服务器需要确认客户端的身份，就会再包含一项请求，要求客户端提供"客户端证书"。比如，金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络，就会向正式客户提供USB密钥，里面就包含了一张客户端证书。
4.3 客户端回应
客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。
如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。
（1） 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。
（2） 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
（3） 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。
上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称"pre-master key"。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的同一把"会话密钥"。
至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥"，dog250解释得很好：
"不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。
对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。
pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个*度，随机性增加的可不是一。"
此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。
4.4 服务器的最后回应
服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的"会话密钥"。然后，向客户端最后发送下面信息。
（1）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
（2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。
至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用"会话密钥"加密内容。
五、参考链接
- MicroSoft TechNet, SSL/TLS in Detail
- Jeff Moser, The First Few Milliseconds of an HTTPS Connection
- Wikipedia, Transport Layer Security
- StackExchange, How does SSL work?
（完）
《如何变得有思想》
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2014.09.24: SSL延迟有多大？据说，Netscape公司当年设计SSL协议的时候，有人提过，将互联网所有链接都变成HTTPs开头的加密链接。
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2014.09.20: 图解SSL/TLS协议本周，CloudFlare宣布，开始提供Keyless服务，即你把网站放到它们的CDN上，不用提供自己的私钥，也能使用SSL加密链接。
west 说：
好文。全面而易懂
2014年2月 5日 20:09 | 档案 | 引用
李狗蛋 说：
坏蛋总不放过任何一丝做恶的机会,太多不要脸的运营商在链路劫持强插广告,直接修改用户的HTTP数据包,再就是NSA之流肆无忌惮的窃听
发现一个HTTPS有意思的地方,只要53端口数据被转发,不管域名对应的DNS解析IP是不是域名真实IP,只要最后都是53端口转发到真实IP之上,就不会弹HTTPS证书错误
比如 https://a.com 对应 ipa 不通
那么劫持DNS解析 https://a.com 到 ipb上 (ipb是通的)
只要在ipb上设置 ipb:53转发到 ipa:53
这样访问 https://a.com 就通了,而且没证书错误
2014年2月 5日 20:10 | 档案 | 引用
Niclau 说：
启用Server Name Indication扩展后，第一步客户端发送请求，同时明文发送域名到server?
2014年2月 6日 11:32 | 档案 | 引用
古明地恋 说：
您好，我有一个疑问。
第一步是用服务器公钥加密的。而服务器公钥包含在证书中。但是如果入侵者获取到服务器证书，并用于解密之后的key，再用key来解密通信内容，这样怎么防范？
2014年2月 6日 15:57 | 档案 | 引用
Barret Lee 说：
阮老师写的文章都是鞭辟入里啊，一般是站在那些角度去阐述一个观点或者描述一个事物呢？
2014年2月 6日 23:38 | 档案 | 引用
harchiko 说：
Smart !智慧的发明!!
2014年2月 7日 22:21 | 档案 | 引用
魂魄妖梦 说：
服务器证书只包含公钥，无法解密key。解密需要用私钥。
私钥一般放在server端。
如果能拿到私钥，基本上可以肯定被入侵了。
这时候获取私钥都不算个事了你说是不。
2014年2月 8日 00:10 | 档案 | 引用
lucas 说：
阮兄的文章非常值得一读，简洁又能把事情的来龙去脉讲的清清楚楚的，不简单。
2014年2月 8日 09:47 | 档案 | 引用
CJey 说：
对的, 确实是明文, 否则服务端无法确定向客户端推送哪张证书
而且, 也没法使用密文, 因为密钥尚未协商好
再者, 使用密文也没有意义, 篡改域名只能影响服务端返回的证书, 而所有的证书本来就都是公开的
2014年2月 9日 11:41 | 档案 | 引用
CJey 说：
@李狗蛋：
不太能理解你想表达的意思
不过, SSL/TLS协议并不关心双方的IP, DNS劫持是无法攻击SSL/TLS的
所以, 我觉得你的这个测试结果另有原因
2014年2月 9日 11:53 | 档案 | 引用
onion 说：
其实，看阮兄的博客主要目的就是学习阮兄的总结与再表达能力，对于这篇来说，真的不懂，但是感觉看得很舒服，层次清晰，用语准确，赞！
2014年2月10日 11:43 | 档案 | 引用
masstensor 说：
文章写的浅显易懂，看了很有收获。不过，需要说明的是，使用PKI机制进行密钥交换只是TLS规范的一种实现形式，还有其他的形式可以用于密钥交换，比如SRP和PSK协议。
2014年2月11日 10:19 | 档案 | 引用
twd2 说：
如果有中间人通过判断域名，来决定是否阻断连接怎么办呢
2014年2月13日 00:30 | 档案 | 引用
nuooo 说：
请考虑介绍下常用于SPDY的HTTPS falst start握手，它比标准的握手少一个“server finished"的步骤
2014年2月16日 03:13 | 档案 | 引用
sunny 说：
好文章。
2014年2月23日 11:35 | 档案 | 引用
点虎 说：
感谢！
没有微信公众号？
2014年2月24日 10:35 | 档案 | 引用
hyh 说：
文中的 SeverHello 是不是应该是 ServerHello?
2014年2月27日 20:54 | 档案 | 引用
GlacJAY 说：
只有第一次的握手过程是明文的，之后的自动重协商通信是用上一次的密钥来加密的。
2014年3月 1日 13:19 | 档案 | 引用
yd 说：
您好，我有一个疑问。
第一步，服务器端的响应内容包含证明服务器自身的证书，客户端得到证书后进行有效性验证，
请问客户端是如何进行验证的？根据哪些信息验证的？
2014年3月11日 15:43 | 档案 | 引用
dcb110 说：
查了好多文章，终于在这里把整个握手流程以及中间一些疑问搞清楚了，现在再去看那些代码，清楚了很多，感谢博主。
2014年3月13日 13:45 | 档案 | 引用
Bravluna 说：
证书里是服务器的公钥和身份信息，这些是经过证书颁发机构即CA公证过的，客户端拿到后去CA验证，看这个公钥是不是服务器的，若不是说明证书是伪造的，当然如果证书经过数字签名证书就不可能被伪造了
2014年4月30日 23:29 | 档案 | 引用
ZeroLing 说：
来支持一下阮老师写的东西
2014年5月24日 16:47 | 档案 | 引用
Charles 说：
看来说清楚这个东西，还是太过难了一点，这个文章也太过概述了，感觉很多关键点没有说清楚啊，看得我好累。不过还是感谢阮老师，已经让我省了不少时间了。
2014年5月29日 23:12 | 档案 | 引用
heliar 说：
这里还有一个信任链的问题，一般都是有一家第三方的根证书签名机构办法证书，我们相信这个第三方机构，从而相信它颁发的证书，当然也有根证书授权下一层的证书颁发机构，然后由这个机构给网站服务器做验证的情况
2014年7月19日 02:29 | 档案 | 引用
Pingia 说：
我感觉4。3部分 的（1）步和（2）(3)两步中间还有些步骤可以注明清楚点。
事实上服务端和客户端在拥有pms后计算出来的密钥并不是会话密钥，而是一个中间密钥，最终的会话密钥是通过这个中间密钥计算出来的。至于这个计算方法，我也不清楚是什么？有知道的朋友望告知。
还有这一部分最后一句：
此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。
我感觉客户端发送证书应该是在这一步骤之前。
2014年8月23日 13:31 | 档案 | 引用
王正一 说：
通俗易懂，太赞了
2014年9月15日 14:26 | 档案 | 引用
freenet 说：
讲得非常好！学习了...
2014年10月 2日 16:58 | 档案 | 引用
ikong 说：
2014年10月 9日 02:56 | 档案 | 引用
兴杰 说：
提问一下，
握手的第3步，pre-master key 如果被拦截，是否可以被伪造或篡改？
因为只使用服务器的公钥加密。
2014年10月14日 12:09 | 档案 | 引用
feix 说：
关于 至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥" 这个地方，其实还有一点：pre-master key 用服务器的公钥加密，可以防止第三方冒充服务器，因为任何人都可以获取已经公开的服务器公钥与客户段进行通信。想要获得 pre-master key 明文只有利用服务器的私钥进行解密，所以这里进行了服务器的身份验证，也防止了中间人攻击。
另外，当服务器需要验证客户端时，客户端在发送 pre-master key 之前需要发送客户端公钥到服务器，可以选择对 pre-master key 用客户端的私钥签名然后再用服务器公钥加密，则服务器收到 pre-master key 同时对客户端进行了身份验证。
2014年10月16日 01:27 | 档案 | 引用
中国证书CHINASSL 说：
好文章，通俗易懂的介绍SSL，本文将引用的中国证书CHINASSL博客，谢谢
2014年10月21日 10:38 | 档案 | 引用
lp 说：
有个问题，握手时是明文通信，那就会被截获到公钥、三个随机数，这样对话密钥不久可以知道了？那后面的对话加密不就会被解密？
2014年12月20日 01:41 | 档案 | 引用
goodboy1983 说：
如果有个proxy, 先和客户端建立连接（不下发服务器证书，也不要求客户端上报证书），再和SP建立连接。 对服务器下发的证书默认接受。 相当于 CLIENT-PROXY之间是互相不认证证书，PROXY-WEB SERVER之间是验证服务器证书。 是否有安全隐患？
2014年12月20日 03:02 | 档案 | 引用
nowlater 说：
@goodboy1983: 应该不会有安全隐患吧，pre-master key是用服务器端公钥加密的，client-proxy无法解密，不能获取到pre-master key。在安全要求更高的金融领域，服务器端会认证客户端，比如银行会给客户发u盾。这就更安全了。
2014年12月26日 11:54 | 档案 | 引用
哈哈 说：
服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的"会话密钥"。 这个会话密钥怎么计算的呢？
2015年1月13日 19:57 | 档案 | 引用
youyingyang 说：
阮一峰同志是一座宝库
4年之前就开始看您的博客，但是基本只看人文社科类和科普性质的，视野很开阔，写的很棒。
最近随着自己的兴趣变化，开始学习编程，没想到搜“RESTful架构”，第一篇文章就是您的，写的太好了，明白如水！
高手有很多，但是乐意长时间坚持分享，而且做科普做的这么好的高手太少了！
感谢！
2015年1月15日 15:43 | 档案 | 引用