SSL工作原理介绍以及java实现

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Secure Sockets Layer（安全套接层），在OSI七层模型里，该协议工作在会话层和表示层。本文主要从SSL原理入手，讲解SSL认证过程，并使用java实现单向认证。

1. SSL简介

安全套接字（Secure Socket Layer，SSL）协议是一个TCP连接之间安全交换信息的协议，提供两个基本的安全服务：鉴别与保密。

SSL是Netscape于1994年开发的，后来成为了世界上最通用的安全连接机制，主流的浏览器（IE/Chrome/Firefox等）以及操作系统远程连接服务（Windows的mstsc/Linux的SSH等）都支持SSL协议。

目前有如下版本：SSL2.0、SSL3.0、TLS1.0、TLS1.1、TLS1.2。因之前旧版本暴露出多个严重bug，目前推荐使用TLS1.2版本。

2. SSL工作原理

握手协议（Handshake protocol）

SSL中密钥交换算法有6种：无效（没有密钥交换）、RSA、匿名Diffie-Hellman、暂时Diffie-Hellman、固定Diffie-Hellman、Fortezza。本文以RSA与匿名Diffie-Hellman模式介绍握手协议。

2.1握手阶段使用RSA加密算法

RSA算法概述：
(1)选择两个大素数P、Q
(2)计算N=P*Q
(3)选择一个公钥（加密密钥）E，使其不是(P-1)与(Q-1)的因子
(4)选择私钥（解密密钥）D，满足如下条件：(D*E) mod (P-1)(Q-1)=1
(5)加密时，明文PT计算密文CT如下：CT= PT·E mod N
(6)解密时，从密文CT计算明文PT如下：PT= CT·D mod N 这也是SSL中会用一种密钥交换算法。 

开始加密通信之前，客户端和服务器首先必须建立连接和交换参数，这个过程叫做握手（handshake）。握手阶段分成五步。

第一步，Client给出协议版本号、一个客户端生成的随机数（Client random），以及客户端支持的加密方法。

第二步，Server确认双方使用的加密方法，并给出数字证书、以及一个服务器生成的随机数（Server random）。

第三步，Client确认数字证书有效，然后生成一个新的随机数（Premaster secret），并使用数字证书中的公钥，加密这个随机数，发给Server。

第四步，Server使用自己的私钥，获取Client发来的随机数（即Premaster secret）。

第五步，Client和Server根据约定的加密方法，使用前面的三个随机数，生成”对话密钥”（session key），用来加密接下来的整个对话过程。

上面的五步，如下图所示：

RSA加密算法的握手阶段有四点需要注意：

（1）整个握手阶段都是明文传输。如果有人窃听通信，他可以知道双方选择的加密方法，以及三个随机数中的两个。

（2）生成对话密钥一共需要三个随机数。

（3）握手之后的对话使用”对话密钥”加密（对称加密），服务器的公钥和私钥只用于加密和解密”对话密钥”（非对称加密），无其他作用。

（4）服务器公钥放在服务器的数字证书之中。

也就是说，整个对话过程中（握手阶段和其后的对话），服务器的公钥和私钥只需要用到一次。整个通话的安全，只取决于第三个随机数（Premaster secret）能不能被破解。

理论上，只要服务器的公钥足够长（比如2048位），那么Premaster secret可以保证不被破解。但是为了足够安全，我们可以考虑把握手阶段的算法从默认的RSA算法，改为Diffie-Hellman算法（简称DH算法）。

2.2握手阶段使用Diffie-Hellman加密算法

Diffie-Hellman算法概述：
（1）Alice与Bob确定两个大素数n和g，这两个数不用保密
（2）Alice选择另一个大随机数x，并计算A如下：A=gx mod n
（3）Alice将A发给Bob
（4）Bob选择另一个大随机数y，并计算B如下：B=gy mod n
（5）Bob将B发给Alice
（6）计算Alice的秘密密钥K1如下：K1=Bx mod n
（7）计算Bob的秘密密钥K2如下：K2=Ay mod n
K1=K2，因此Alice和Bob可以用其进行加解密 

使用Diffie-Hellman加密算法时，握手阶段分成五步。

第一步，Client给出协议版本号、一个客户端生成的随机数（Client random），以及客户端支持的加密方法。

第二步，Server确认双方使用的加密方法，并给出数字证书、以及一个服务器生成的随机数（Server random）。通过Client random、Server random以及服务器提供的DH参数（Server DH parameter）算出私钥。

第三步，Server端使用私钥加密Server DH parameter，发送给Client。Client使用证书中公钥解密得到Server DH parameter。

第四步，Client将客户端提供的DH参数（Client DH parameter）传给Server。

第五步，Client和Server根据约定的加密方法，使用之前双方交换的DH参数生成”秘密密钥”（Premaster secret），用来加密接下来的整个对话过程（Session key）。

上面的五步，如下图所示：

Diffie-Hel