HTTPS - TLS 1.3 為何性能和安全性更高？
2008 年 8 月 TLS v1.2 發(fā)布，時隔 10 年，TLS v1.3 于 2018 年 8 月發(fā)布，在性能優(yōu)化和安全性上做了很大改變，同時為了避免新協(xié)議帶來的升級沖突，TLS v1.3 也做了兼容性處理，通過增加擴(kuò)展協(xié)議來支持舊版本的客戶端和服務(wù)器。
安全性
TLS v1.2 支持的加密套件很多，在兼容老版本上做的很全，里面有些加密強(qiáng)度很弱和一些存在安全漏洞的算法很可能會被攻擊者利用，為業(yè)務(wù)帶來潛在的安全隱患。TLS v1.3 移除了這些不安全的加密算法，簡化了加密套件，對于服務(wù)端握手過程中也減少了一些選擇。
- 移除 MD5、SHA1 密碼散列函數(shù)的支持，推薦使用 SHA2(例如，SHA-256)。
- 移除 RSA 及所有靜態(tài)密鑰(密鑰協(xié)商不具有前向安全特性)。
- 溢出 RC4 流密碼、DES 對稱加密算法。
- 密鑰協(xié)商時的橢圓曲線算法增加 https://www.wanweibaike.net/wiki-X25519 支持。
- 支持帶 Poly1305消息驗(yàn)證碼 的 ChaCha20 流加密算法，流加密也是一種對稱加密算法。
- 移除了 CBC 分組模式，TLS v1.3 對稱加密僅支持 AES GCM、AES CCM、ChaCha20**-**Poly1305 三種模式。
- 服務(wù)端 “Server Hello” 之后的消息都會加密傳輸，因此常規(guī)抓包分析就會有疑問為什么看不到證書信息。
性能優(yōu)化
性能優(yōu)化一個顯著的變化是簡化了 TLS 握手階段，由 TLS v1.2 的 2-RTT 縮短為 1-RTT，同時在第一次建立鏈接后 TLS v1.3 還引入了 0-RTT 概念。
來源 https://www.a10networks.com/wp-content/uploads/differences-between-tls-1.2-and-tls-1.3-full-handshake.png
密鑰協(xié)商在 TLS v1.2 中需要客戶端/服務(wù)端雙方交換隨機(jī)數(shù)和服務(wù)器發(fā)送完證書后，雙方各自發(fā)送 “Clent/Server Key Exchange” 消息交換密鑰協(xié)商所需參數(shù)信息。在安全性上，TLS v1.3 移除了很多不安全算法，簡化了密碼套件，現(xiàn)在已移除了 “Clent/Server Key Exchange” 消息，在客戶端發(fā)送 “Client Hello” 消息時在擴(kuò)展協(xié)議里攜帶支持的橢圓曲線名稱、臨時公鑰、簽名信息。服務(wù)器收到消息后，在 “Server Hello” 消息中告訴客戶端選擇的密鑰協(xié)商參數(shù)，由此可少了一次消息往返(1-RTT)。
- Client Server
- Key ^ ClientHello
- Exch | + key_share*
- | + signature_algorithms*
- | + psk_key_exchange_modes*
- v + pre_shared_key* -------->
- ServerHello ^ Key
- + key_share* | Exch
- + pre_shared_key* v
- {EncryptedExtensions} ^ Server
- {CertificateRequest*} v Params
- {Certificate*} ^
- {CertificateVerify*} | Auth
- {Finished} v
- <-------- [Application Data*]
- ^ {Certificate*}
- Auth | {CertificateVerify*}
- v {Finished} -------->
- [Application Data] <-------> [Application Data]
- The basic full TLS handshake
當(dāng)訪問之前訪問過的站點(diǎn)時，客戶端可以通過利用先前會話中的 預(yù)共享密鑰 (PSK) 將第一條消息上的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn) “零往返時間(0-RTT)”。
- Client Server
- ClientHello
- + early_data
- + key_share*
- + psk_key_exchange_modes
- + pre_shared_key
- (Application Data*) -------->
- ServerHello
- + pre_shared_key
- + key_share*
- {EncryptedExtensions}
- + early_data*
- {Finished}
- <-------- [Application Data*]
- (EndOfEarlyData)
- {Finished} -------->
- [Application Data] <-------> [Application Data]
- Message Flow for a 0-RTT Handshake
TLS v1.3 抓包分析
以一次客戶端/服務(wù)端完整的 TLS 握手為例，通過抓包分析看下 TLS v1.3 的握手過程。下圖是抓取的 www.zhihu.com 網(wǎng)站數(shù)據(jù)報(bào)文，且對報(bào)文做了解密處理，否則 “Change Cipher Spec” 報(bào)文后的數(shù)據(jù)都已經(jīng)被加密是分析不了的。抓包請參考 “網(wǎng)絡(luò)協(xié)議那些事兒 - 如何抓包并破解 HTTPS 加密數(shù)據(jù)?”。
image.png
TLS v1.3 握手過程如下圖所示：
tls-1-3-full-handshake.jpg
Client Hello
握手開始客戶端告訴服務(wù)端自己的 Random、Session ID、加密套件等。
除此之外，TLS v1.3 需要關(guān)注下 “擴(kuò)展協(xié)議”，TLS v1.3 通過擴(kuò)展協(xié)議做到了 “向前兼容“，客戶端請求的時候告訴服務(wù)器它支持的協(xié)議、及一些其它擴(kuò)展協(xié)議參數(shù)，如果老版本不識別就忽略。
下面看幾個主要的擴(kuò)展協(xié)議：
- supported_versions：客戶端支持的 TLS 版本，供服務(wù)器收到后選擇。
- supported_groups：支持的橢圓曲線名稱
- key_share：橢圓曲線名稱和對應(yīng)的臨時公鑰信息。
- signature_algorithms：簽名
- Transport Layer Security
- TLSv1.3 Record Layer: Handshake Protocol: Client Hello
- Version: TLS 1.0 (0x0301)
- Handshake Protocol: Client Hello
- Handshake Type: Client Hello (1)
- Version: TLS 1.2 (0x0303)
- Random: 77f485a55b836cbaf4328ea270082cdf35fd8132aa7487eae19997c8939a292a
- Session ID: 8d4609d9f0785880eb9443eff3867a63c23fb2e23fdf80d225c1a5a25a900eee
- Cipher Suites (16 suites)
- Cipher Suite: Reserved (GREASE) (0x1a1a)
- Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
- Cipher Suite: TLS_AES_256_GCM_SHA384 (0x1302)
- Cipher Suite: TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0x1303)
- Extension: signature_algorithms (len=18)
- Extension: supported_groups (len=10)
- Supported Groups (4 groups)
- Supported Group: Reserved (GREASE) (0xcaca)
- Supported Group: x25519 (0x001d)
- Supported Group: secp256r1 (0x0017)
- Supported Group: secp384r1 (0x0018)
- Extension: key_share (len=43)
- Type: key_share (51)
- Key Share extension
- Client Key Share Length: 41
- Key Share Entry: Group: Reserved (GREASE), Key Exchange length: 1
- Key Share Entry: Group: x25519, Key Exchange length: 32
- Group: x25519 (29)
- Key Exchange Length: 32
- Key Exchange: 51afc57ca38df354f6d4389629e222ca2654d88f2800cc84f8cb74eefd473f4b
- Extension: supported_versions (len=11)
- Type: supported_versions (43)
- Supported Versions length: 10
- Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
- Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)
Server Hello
服務(wù)端收到客戶端請求后，返回選定的密碼套件、Server Random、選定的橢圓曲線名稱及對應(yīng)的公鑰(Server Params)、支持的 TLS 版本。
這次的密碼套件看著短了很多 TLS_AES_256_GCM_SHA384，其中用于協(xié)商密鑰的參數(shù)是放在 key_share 這個擴(kuò)展協(xié)議里的。
- TLSv1.3 Record Layer: Handshake Protocol: Server Hello
- Content Type: Handshake (22)
- Handshake Protocol: Server Hello
- Handshake Type: Server Hello (2)
- Version: TLS 1.2 (0x0303)
- Random: 1f354a11aea2109ba22e26d663a70bddd78a87a79fed85be2d03d5fc9deb59a5
- Session ID: 8d4609d9f0785880eb9443eff3867a63c23fb2e23fdf80d225c1a5a25a900eee
- Cipher Suite: TLS_AES_256_GCM_SHA384 (0x1302)
- Compression Method: null (0)
- Extensions Length: 46
- Extension: supported_versions (len=2)
- Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
- Extension: key_share (len=36)
- Type: key_share (51)
- Key Share extension
- Key Share Entry: Group: x25519, Key Exchange length: 32
- Group: x25519 (29)
- Key Exchange: ac1e7f0dd5a4ee40fd088a8c00113178bafb2df59e0d6fc74ce77452732bc44d
服務(wù)端此時拿到了 Client Random、Client Params、Server Random、Server Params 四個參數(shù)，可優(yōu)先計(jì)算出預(yù)主密鑰。在 TLS v1.2 中是經(jīng)歷完第一次消息往返之后，客戶端優(yōu)先發(fā)起請求。
在計(jì)算出用于對稱加密的會話密鑰后，服務(wù)端發(fā)出 Change Cipher Spec 消息并切換到加密模式，之后的所有消息(證書、證書驗(yàn)證)傳輸都會加密處理，也減少了握手期間的明文傳遞。
Certificate、Certificate Verify、Finished
除了 Certificate 外，TLS v1.3 還多了個 “Certificate Verify” 消息，使用服務(wù)器私鑰對握手信息做了一個簽名，強(qiáng)化了安全措施。
- Transport Layer Security
- TLSv1.3 Record Layer: Handshake Protocol: Certificate
- TLSv1.3 Record Layer: Handshake Protocol: Certificate Verify
- Handshake Protocol: Certificate Verify
- Signature Algorithm: rsa_pss_rsae_sha256 (0x0804)
- Signature Hash Algorithm Hash: Unknown (8)
- Signature Hash Algorithm Signature: Unknown (4)
- Signature length: 256
- Signature: 03208990ec0d4bde4af8e2356ae7e86a045137afa5262ec7c82d55e95ba23b6eb5876ebb…
- TLSv1.3 Record Layer: Handshake Protocol: Finished
- Handshake Protocol: Finished
- Verify Data
客戶端切換加密模式
客戶端獲取到 Client Random、Client Params、Server Random、Server Params 四個參數(shù)計(jì)算出最終會話密鑰后，也會發(fā)起 “Certificate Verify”、“Finished” 消息，當(dāng)客戶端和服務(wù)端都發(fā)完 “Finished” 消息后握手也就完成了，接下來就可安全的傳輸數(shù)據(jù)了。
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