本文是对“SSL工作原理 - phlsheji - 博客园”的一个学习笔记，记录以便后面温习。
SSL协议位于传输层和应用层之间，能够为所有的基于TCP协议的应用层协议提供安全性保证。SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，保证网络上传输数据的安全性。
1、 安全机制
SSL实现的安全机制：
传输数据的机密性：利用对称密钥算法对传输的数据进行加密。
身份验证机制：基于证书利用数字签名方法对server和client进行身份验证，当中client的身份验证是可选的。
消息完整性验证：消息传输过程中使用MAC算法来检验消息的完整性。
1.1 传输数据的机密性
SSL采用在通信两方之间建立加密通道的方法保证传输数据的机密性。加密通道指发送方在发送数据前，使用加密算法和加密密钥对数据进行加密，然后将数据发送给对方。接收方接收到数据后，利用解密算法和解密密钥从密文中获取明文。没有解密密钥的第三方，无法将密文恢复为明文，从而保证传输数据的机密性。
加密算法分为两类：
l 对称密钥算法：数据加密和解密时使用同样的密钥。
l 非对称密钥算法：数据加密和解密时使用不同的密钥，一个是公开的公钥，一个是由用户秘密保存的私钥。利用公钥（或私钥）加密的数据仅仅能用对应的私钥（或公钥）才干解密。
SSL加密通道上的数据加解密使用对称密钥算法。眼下主要支持的算法有DES、3DES、AES等，这些算法都能够有效地防止交互数据被窃听。
对称密钥算法要求解密密钥和加密密钥全然一致。因此，利用对称密钥算法加密数据传输之前，须要在通信两端部署同样的密钥，SSL利用非对称密钥算法加密密钥的方法实现密钥交换，保证第三方无法获取该对称加密算法的密钥。
利用非对称密钥算法加密对称加密算法密钥之前，发送者须要获取接收者的公钥，利用该公钥来对对称加密算法密钥进行加密，并保证该公钥确实属于接收者，否则密钥可能会被非法用户窃取。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性，即保证该公钥确实是属于该接收者。
PKI通过数字证书来公布用户的公钥，并提供了验证公钥真实性的机制。数字证书（简称证书）是一个包括用户的公钥及其身份信息的文件，证明了用户与公钥的关联。数字证书由权威机构——CA签发，并由CA保证数字证书的真实性。
如SSLclient把密钥加密传递给SSLserver之前，SSLserver须要将从CA获取的证书发送给SSLclient，SSLclient通过PKI推断该证书的真实性。假设该证书确实属于SSLserver，则利用该证书中的公钥加密密钥，发送给SSLserver。
1.2 身份验证机制
其实身份验证机制在1.1中已经提到了。电子商务和网上银行等应用中必须保证要登录的Webserver是真实的，以免重要信息被非法窃取。SSL利用数字签名来验证通信对端的身份。
非对称密钥算法能够用来实现数字签名。因为通过私钥加密后的数据仅仅能利用相应的公钥进行解密（或者通过公钥加密后的数据仅仅能利用相应的私钥进行解密），因此依据解密是否成功，就能够推断发送者的身份。如同发送者对数据进行了“签名”。比如，Alice使用自己的私钥对一段固定的信息加密后发给Bob，Bob利用Alice的公钥解密，假设解密结果与固定信息同样。那么就能够确认信息的发送者为Alice，这个过程就称为数字签名。
使用数字签名验证身份时，须要确保被验证者的公钥是真实的，否则。非法用户可能会冒充被验证者与验证者通信。比如Cindy冒充Bob，将自己的公钥发给Alice，并利用自己的私钥计算出签名发送给Alice，Alice利用“Bob”的公钥（实际上为Cindy的公钥）成功验证该签名，则Alice觉得Bob的身份验证成功，而实际上与Alice通信的是冒充Bob的Cindy。1.1中已经提到了SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性。
1.3 消息完整性验证
为了避免网络中传输的数据被非法篡改，SSL利用基于MD5或SHA的MAC算法来保证消息的完整性。
发送者在密钥的參与下，利用MAC算法计算出消息的MAC值。并将其加在消息之后发送给接收者。接收者利用相同的密钥和MAC算法计算出消息的MAC值。并与接收到的MAC值比較。假设二者相同。则报文没有改变；否则，报文在传输过程中被改动，接收者将丢弃该报文。
MAC算法具有例如以下特征，使其可以用来验证消息的完整性：
l消息的不论什么改变，都会引起输出的固定长度数据产生变化。通过比較MAC值，可以保证接收者可以发现消息的改变。
l MAC算法须要密钥的參与。因此没有密钥的非法用户在改变消息的内容后，无法加入正确的MAC值。从而保证非法用户无法任意改动消息内容。
MAC算法要求通信两方具有同样的密钥，否则MAC值验证将会失败。因此，利用MAC算法验证消息完整性之前，须要在通信两端部署同样的密钥。MAC密钥的部署方法同样是利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全。
2、 协议工作过程
2.1SSL的分层结构
SSL位于应用层和传输层之间，它能够为不论什么基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。SSL协议本身分为两层：
（1）上层为SSL握手协议（SSL handshake protocol）、SSLpassword变化协议（SSL change cipher spec protocol）和SSL警告协议（SSL alert protocol）。
（2）底层为SSL记录协议（SSL record protocol）。
当中：
l SSL握手协议：是SSL协议很重要的组成部分。用来协商通信过程中使用的加密套件（加密算法、密钥交换算法和MAC算法等）、在server和client之间安全地交换密钥、实现server和client的身份验证。
l SSLpassword变化协议：client和server端通过password变化协议通知对端。随后的报文都将使用新协商的加密套件和密钥进行保护和传输。
l SSL警告协议：用来向通信对端报告告警信息，消息中包括告警的严重级别和描写叙述。
l SSL记录协议：主要负责对上层的数据（SSL握手协议、SSLpassword变化协议、SSL警告协议和应用层协议报文）进行分块、计算并加入MAC值、加密。并把处理后的记录块传输给对端。
2.2SSL握手过程
SSL通过握手过程在client和server之间协商会话參数，并建立会话。会话包括的主要參数有会话ID、对方的证书、加密套件（密钥交换算法、数据加密算法和MAC算法等）以及主密钥（master secret）。通过SSL会话传输的数据，都将採用该会话的主密钥和加密套件进行加密、计算MAC等处理。
不同情况下，SSL握手过程存在差异。
以下将分别描写叙述以下三种情况下的握手过程：
l 仅仅验证server的SSL握手过程
l 验证server和client的SSL握手过程
l 恢复原有会话的SSL握手过程
2.2.1仅仅验证server的SSL握手过程
仅仅须要验证SSLserver身份，不须要验证SSLclient身份时，SSL的握手过程为：
(1)SSLclient通过Client Hello消息将它支持的SSL版本号、加密算法、密钥交换算法、MAC算法等信息发送给SSLserver。
(2)SSLserver确定本次通信採用的SSL版本号和加密套件，并通过Server Hello消息通知给SSLclient。假设SSLserver同意SSLclient在以后的通信中重用本次会话，则SSLserver会为本次会话分配会话ID。并通过Server Hello消息发送给SSLclient。
(3)SSLserver将携带自己公钥信息的数字证书通过Certificate消息发送给SSLclient。
(4)SSLserver发送Server Hello Done消息。通知SSLclient版本号和加密套件协商结束。開始进行密钥交换。
(5)SSLclient验证SSLserver的证书合法后，利用证书中的公钥加密SSLclient随机生成的premaster secret，并通过Client Key Exchange消息发送给SSLserver。
(6)SSLclient发送Change Cipher Spec消息，通知SSLserver兴许报文将採用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(7)SSLclient计算已交互的握手消息（除Change Cipher Spec消息外全部已交互的消息）的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并加入MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSLserver。SSLserver利用相同的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比較，假设二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。
(8)相同地。SSLserver发送Change Cipher Spec消息，通知SSLclient兴许报文将採用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(9)SSLserver计算已交互的握手消息的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并加入MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSLclient。SSLclient利用相同的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比較，假设二者相同。且MAC值验证成功。则证明密钥和加密套件协商成功。
SSLclient接收到SSLserver发送的Finished消息后。假设解密成功，则能够推断SSLserver是数字证书的拥有者，即SSLserver身份验证成功，由于仅仅有拥有私钥的SSLserver才干从Client Key Exchange消息中解密得到premaster secret，从而间接地实现了SSLclient对SSLserver的身份验证。
&说明：
l Change Cipher Spec消息属于SSLpassword变化协议，其它握手过程交互的消息均属于SSL握手协议，统称为SSL握手消息。
l 计算Hash值。指的是利用Hash算法（MD5或SHA）将随意长度的数据转换为固定长度的数据。
2.2.2验证server和client的SSL握手过程
SSLclient的身份验证是可选的，由SSLserver决定是否验证SSLclient的身份。
假设SSLserver验证SSLclient身份。则SSLserver和SSLclient除了交互“2.2.1仅仅验证server的SSL握手过程”中的消息协商密钥和加密套件外，还须要进行下面操作：
(1)SSLserver发送Certificate Request消息。请求SSLclient将其证书发送给SSLserver。
(2)SSLclient通过Certificate消息将携带自己公钥的证书发送给SSLserver。SSLserver验证该证书的合法性。
(3)SSLclient计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值。利用自己的私钥对其进行加密，并通过Certificate Verify消息发送给SSLserver。
(4)SSLserver计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值。利用SSLclient证书中的公钥解密Certificate Verify消息，并将解密结果与计算出的Hash值比較。假设二者同样，则SSLclient身份验证成功。
2.2.3恢复原有会话的SSL握手过程
协商会话參数、建立会话的过程中。须要使用非对称密钥算法来加密密钥、验证通信对端的身份。计算量较大，占用了大量的系统资源。
为了简化SSL握手过程。SSL同意重用已经协商过的会话，详细过程为：
(1)SSLclient发送Client Hello消息，消息中的会话ID设置为计划重用的会话的ID。
(2)SSLserver假设同意重用该会话，则通过在Server Hello消息中设置同样的会话ID来应答。这样，SSLclient和SSLserver就能够利用原有会话的密钥和加密套件。不必又一次协商。
(3)SSLclient发送Change Cipher Spec消息，通知SSLserver兴许报文将採用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(4)SSLclient计算已交互的握手消息的Hash值，利用原有会话的密钥和加密套件处理Hash值，并通过Finished消息发送给SSLserver，以便SSLserver推断密钥和加密套件是否正确。
(5)相同地。SSLserver发送Change Cipher Spec消息，通知SSLclient兴许报文将採用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。
(6)SSLserver计算已交互的握手消息的Hash值，利用原有会话的密钥和加密套件处理Hash值，并通过Finished消息发送给SSLclient。以便SSLclient推断密钥和加密套件是否正确。
参考资料：“SSL工作原理 - phlsheji - 博客园”