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learn.lianglianglee.com/专栏/透视HTTP协议/27 更好更快的握手：TLS1.3特性解析.md.html
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2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>27 更好更快的握手：TLS1.3特性解析</h1>
<p>上一讲中我讲了 TLS1.2 的握手过程，你是不是已经完全掌握了呢？</p>
<p>不过 TLS1.2 已经是 10 年前（2008 年）的“老”协议了，虽然历经考验，但毕竟“岁月不饶人”，在安全、性能等方面已经跟不上如今的互联网了。</p>
<p>于是经过四年、近 30 个草案的反复打磨，TLS1.3 终于在去年（2018 年）“粉墨登场”，再次确立了信息安全领域的新标准。</p>
<p>在抓包分析握手之前，我们先来快速浏览一下 TLS1.3 的三个主要改进目标：<strong>兼容</strong>、<strong>安全与性能</strong>。</p>
<h2>最大化兼容性</h2>
<p>由于 1.1、1.2 等协议已经出现了很多年，很多应用软件、中间代理（官方称为“MiddleBox”）只认老的记录协议格式，更新改造很困难，甚至是不可行（设备僵化）。</p>
<p>在早期的试验中发现，一旦变更了记录头字段里的版本号，也就是由 0x303（TLS1.2）改为 0x304（TLS1.3）的话，大量的代理服务器、网关都无法正确处理，最终导致 TLS 握手失败。</p>
<p>为了保证这些被广泛部署的“老设备”能够继续使用，避免新协议带来的“冲击”，TLS1.3 不得不做出妥协，保持现有的记录格式不变，通过“伪装”来实现兼容，使得 TLS1.3 看上去“像是”TLS1.2。</p>
<p>那么，该怎么区分 1.2 和 1.3 呢？</p>
<p>这要用到一个新的<strong>扩展协议</strong>（Extension Protocol），它有点“补充条款”的意思，通过在记录末尾添加一系列的“扩展字段”来增加新的功能，老版本的 TLS 不认识它可以直接忽略，这就实现了“后向兼容”。</p>
<p>在记录头的 Version 字段被兼容性“固定”的情况下，只要是 TLS1.3 协议，握手的“Hello”消息后面就必须有“<strong>supported_versions</strong>”扩展，它标记了 TLS 的版本号，使用它就能区分新旧协议。</p>
<p>其实上一讲 Chrome 在握手时发的就是 TLS1.3 协议，你可以看一下“Client Hello”消息后面的扩展，只是因为服务器不支持 1.3，所以就“后向兼容”降级成了 1.2。</p>
<pre><code>Handshake Protocol: Client Hello
Version: TLS 1.2 (0x0303)
Extension: supported_versions (len=11)
Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)
</code></pre>
<p>TLS1.3 利用扩展实现了许多重要的功能，比如“supported_groups”“key_share”“signature_algorithms”“server_name”等，这些等后面用到的时候再说。</p>
<h2>强化安全</h2>
<p>TLS1.2 在十来年的应用中获得了许多宝贵的经验，陆续发现了很多的漏洞和加密算法的弱点，所以 TLS1.3 就在协议里修补了这些不安全因素。</p>
<p>比如：</p>
<ul>
<li>伪随机数函数由 PRF 升级为 HKDF（HMAC-based Extract-and-Expand Key Derivation Function）；</li>
<li>明确禁止在记录协议里使用压缩；</li>
<li>废除了 RC4、DES 对称加密算法；</li>
<li>废除了 ECB、CBC 等传统分组模式；</li>
<li>废除了 MD5、SHA1、SHA-224 摘要算法；</li>
<li>废除了 RSA、DH 密钥交换算法和许多命名曲线。</li>
</ul>
<p>经过这一番“减肥瘦身”之后，TLS1.3 里只保留了 AES、ChaCha20 对称加密算法，分组模式只能用 AEAD 的 GCM、CCM 和 Poly1305，摘要算法只能用 SHA256、SHA384，密钥交换算法只有 ECDHE 和 DHE，椭圆曲线也被“砍”到只剩 P-256 和 x25519 等 5 种。</p>
<p>减肥可以让人变得更轻巧灵活，TLS 也是这样。</p>
<p>算法精简后带来了一个意料之中的好处：原来众多的算法、参数组合导致密码套件非常复杂，难以选择，而现在的 TLS1.3 里只有 5 个套件，无论是客户端还是服务器都不会再犯“选择困难症”了。</p>
<p><img src="assets/eeeb1d30acbc0e69541ce0620346b765.jpg" alt="img" /></p>
<p>这里还要特别说一下废除 RSA 和 DH 密钥交换算法的原因。</p>
<p>上一讲用 Wireshark 抓包时你一定看到了，浏览器默认会使用 ECDHE 而不是 RSA 做密钥交换，这是因为它不具有“<strong>前向安全</strong>”（Forward Secrecy）。</p>
<p>假设有这么一个很有耐心的黑客，一直在长期收集混合加密系统收发的所有报文。如果加密系统使用服务器证书里的 RSA 做密钥交换，一旦私钥泄露或被破解（使用社会工程学或者巨型计算机），那么黑客就能够使用私钥解密出之前所有报文的“Pre-Master”，再算出会话密钥，破解所有密文。</p>
<p>这就是所谓的“<strong>今日截获，明日破解</strong>”。</p>
<p>而 ECDHE 算法在每次握手时都会生成一对临时的公钥和私钥，每次通信的密钥对都是不同的，也就是“一次一密”，即使黑客花大力气破解了这一次的会话密钥，也只是这次通信被攻击，之前的历史消息不会受到影响，仍然是安全的。</p>
<p>所以现在主流的服务器和浏览器在握手阶段都已经不再使用 RSA，改用 ECDHE，而 TLS1.3 在协议里明确废除 RSA 和 DH 则在标准层面保证了“前向安全”。</p>
<h2>提升性能</h2>
<p>HTTPS 建立连接时除了要做 TCP 握手，还要做 TLS 握手，在 1.2 中会多花两个消息往返（2-RTT），可能导致几十毫秒甚至上百毫秒的延迟，在移动网络中延迟还会更严重。</p>
<p>现在因为密码套件大幅度简化，也就没有必要再像以前那样走复杂的协商流程了。TLS1.3 压缩了以前的“Hello”协商过程，删除了“Key Exchange”消息，把握手时间减少到了“1-RTT”，效率提高了一倍。</p>
<p>那么它是怎么做的呢？</p>
<p>其实具体的做法还是利用了扩展。客户端在“Client Hello”消息里直接用“<strong>supported_groups</strong>”带上支持的曲线，比如 P-256、x25519，用“<strong>key_share</strong>”带上曲线对应的客户端公钥参数，用“<strong>signature_algorithms</strong>”带上签名算法。</p>
<p>服务器收到后在这些扩展里选定一个曲线和参数，再用“key_share”扩展返回服务器这边的公钥参数，就实现了双方的密钥交换，后面的流程就和 1.2 基本一样了。</p>
<p>我为 1.3 的握手过程画了一张图，你可以对比 1.2 看看区别在哪里。</p>
<p><img src="assets/4d1df4d07dbb1c2500fc4ea69ecf7ab0.png" alt="img" /></p>
<p>除了标准的“1-RTT”握手，TLS1.3 还引入了“0-RTT”握手，用“pre_shared_key”和“early_data”扩展，在 TCP 连接后立即就建立安全连接发送加密消息，不过这需要有一些前提条件，今天暂且不说。</p>
<h2>握手分析</h2>
<p>目前 Nginx 等 Web 服务器都能够很好地支持 TLS1.3，但要求底层的 OpenSSL 必须是 1.1.1，而我们实验环境里用的 OpenSSL 是 1.1.0，所以暂时无法直接测试 TLS1.3。</p>
<p>不过我在 Linux 上用 OpenSSL1.1.1 编译了一个支持 TLS1.3 的 Nginx，用 Wireshark 抓包存到了 GitHub 上，用它就可以分析 TLS1.3 的握手过程。</p>
<p><img src="assets/7a2bc39fdbb421cf72a01e887e9156db.png" alt="img" /></p>
<p>在 TCP 建立连接之后，浏览器首先还是发一个“<strong>Client Hello</strong>”。</p>
<p>因为 1.3 的消息兼容 1.2，所以开头的版本号、支持的密码套件和随机数（Client Random）结构都是一样的（不过这时的随机数是 32 个字节）。</p>
<pre><code>Handshake Protocol: Client Hello
Version: TLS 1.2 (0x0303)
Random: cebeb6c05403654d66c2329…
Cipher Suites (18 suites)
Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
Cipher Suite: TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0x1303)
Cipher Suite: TLS_AES_256_GCM_SHA384 (0x1302)
Extension: supported_versions (len=9)
Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)
Extension: supported_groups (len=14)
Supported Groups (6 groups)
Supported Group: x25519 (0x001d)
Supported Group: secp256r1 (0x0017)
Extension: key_share (len=107)
Key Share extension
Client Key Share Length: 105
Key Share Entry: Group: x25519
Key Share Entry: Group: secp256r1
</code></pre>
<p>注意“Client Hello”里的扩展，“<strong>supported_versions</strong>”表示这是 TLS1.3，“<strong>supported_groups</strong>”是支持的曲线，“<strong>key_share</strong>”是曲线对应的参数。</p>
<p>这就好像是说：</p>
<p>“还是照老规矩打招呼，这边有这些这些信息。但我猜你可能会升级，所以再多给你一些东西，也许后面用的上，咱们有话尽量一口气说完。”</p>
<p>服务器收到“Client Hello”同样返回“Server Hello”消息，还是要给出一个<strong>随机数</strong>（Server Random）和选定密码套件。</p>
<pre><code>Handshake Protocol: Server Hello
Version: TLS 1.2 (0x0303)
Random: 12d2bce6568b063d3dee2…
Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
Extension: supported_versions (len=2)
Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
Extension: key_share (len=36)
Key Share extension
Key Share Entry: Group: x25519, Key Exchange length: 32
</code></pre>
<p>表面上看和 TLS1.2 是一样的，重点是后面的扩展。“<strong>supported_versions</strong>”里确认使用的是 TLS1.3，然后在“<strong>key_share</strong>”扩展带上曲线和对应的公钥参数。</p>
<p>服务器的“Hello”消息大概是这个意思：</p>
<p>“还真让你给猜对了，虽然还是按老规矩打招呼，但咱们来个‘旧瓶装新酒’。刚才你给的我都用上了，我再给几个你缺的参数，这次加密就这么定了。”</p>
<p>这时只交换了两条消息，客户端和服务器就拿到了四个共享信息：<strong>Client Random</strong>和<strong>Server Random</strong>、<strong>Client Params</strong>和<strong>Server Params</strong>，两边就可以各自用 ECDHE 算出“<strong>Pre-Master</strong>”，再用 HKDF 生成主密钥“<strong>Master Secret</strong>”，效率比 TLS1.2 提高了一大截。</p>
<p>在算出主密钥后，服务器立刻发出“<strong>Change Cipher Spec</strong>”消息，比 TLS1.2 提早进入加密通信，后面的证书等就都是加密的了，减少了握手时的明文信息泄露。</p>
<p>这里 TLS1.3 还有一个安全强化措施，多了个“<strong>Certificate Verify</strong>”消息，用服务器的私钥把前面的曲线、套件、参数等握手数据加了签名，作用和“<strong>Finished</strong>”消息差不多。但由于是私钥签名，所以强化了身份认证和和防窜改。</p>
<p>这两个“Hello”消息之后，客户端验证服务器证书，再发“Finished”消息，就正式完成了握手，开始收发 HTTP 报文。</p>
<p>虽然我们的实验环境暂时不能抓包测试 TLS1.3，但互联网上很多网站都已经支持了 TLS1.3，比如<a href="https://www.nginx.com/">Nginx</a>、<a href="https://github.com/">GitHub</a>，你可以课后自己用 Wireshark 试试。</p>
<p>在 Chrome 的开发者工具里，可以看到这些网站的 TLS1.3 应用情况。</p>
<p><img src="assets/44d8c3349ffdea5a1e4e13d222bc743c.png" alt="img" /></p>
<h2>小结</h2>
<p>今天我们一起学习了 TLS1.3 的新特性，用抓包研究了它的握手过程，不过 TLS1.3 里的内容很多，还有一些特性没有谈到，后面会继续讲。</p>
<ol>
<li>为了兼容 1.1、1.2 等“老”协议，TLS1.3 会“伪装”成 TLS1.2，新特性在“扩展”里实现；</li>
<li>1.1、1.2 在实践中发现了很多安全隐患，所以 TLS1.3 大幅度删减了加密算法，只保留了 ECDHE、AES、ChaCha20、SHA-2 等极少数算法，强化了安全；</li>
<li>TLS1.3 也简化了握手过程，完全握手只需要一个消息往返，提升了性能。</li>
</ol>
<h2>课下作业</h2>
<ol>
<li>TLS1.3 里的密码套件没有指定密钥交换算法和签名算法，那么在握手的时候会不会有问题呢？</li>
<li>结合上一讲的 RSA 握手过程，解释一下为什么 RSA 密钥交换不具有“前向安全”。</li>
<li>TLS1.3 的握手过程与 TLS1.2 的“False Start”有什么异同？</li>
</ol>
<p>欢迎你把自己的学习体会写在留言区，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。</p>
<p><img src="assets/ab532f0074ddb136cd96c76c3a385164.png" alt="unpreview" /></p>
</div>
</div>
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