TLS/SSL握手协议详解与HTTPS流量分析

1. HTTPS基础概念

HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure) 是在HTTP基础上通过SSL/TLS协议实现数据加密传输的安全协议，主要提供：

• 数据加密传输：防止数据在传输过程中被窃听
• 身份认证：验证网站服务器的真实性
• 数据完整性：防止数据在传输过程中被篡改

协议分层

加密后的数据传输路径：

应用层 -> SSL/TLS层 -> 传输层 -> 网络层 -> 数据链路层

2. TLS握手流程详解

完整的TLS握手过程包含以下步骤：

2.1 Client Hello

客户端发起握手请求，发送：

• 支持的协议版本(TLS 1.0/1.1/1.2等)
• 32字节随机数(用于生成主密钥)
• 会话ID(用于会话恢复)
• 支持的加密套件列表
• 支持的压缩方法
• 扩展数据(如SNI域名信息)

结构定义：

struct {
    ProtocolVersion client_version;
    Random random;
    SessionID session_id;
    CipherSuite cipher_suites<2..2^16-2>;
    CompressionMethod compression_methods<1..2^8-1>;
    select (extensions_present) {
        case false: struct {};
        case true: Extension extensions<0..2^16-1>;
    };
} ClientHello;

2.2 Server Hello

服务端响应，发送：

• 确定的协议版本
• 32字节随机数
• 会话ID(若支持会话恢复)
• 选择的加密套件
• 选择的压缩方法
• 扩展数据

结构定义：

struct {
    ProtocolVersion server_version;
    Random random;
    SessionID session_id;
    CipherSuite cipher_suite;
    CompressionMethod compression_method;
    select (extensions_present) {
        case false: struct {};
        case true: Extension extensions<0..2^16-1>;
    };
} ServerHello;

2.3 Server Certificate

服务端发送证书链，包含：

1. 网站证书
2. 中间CA证书
3. 根CA证书(通常不发送，客户端内置)

证书内容：

• 版本号
• 序列号
• 签名算法标识符
• 签发机构名
• 有效期
• 证书用户名
• 公钥信息
• 扩展项
• 签名值

2.4 Server Key Exchange

服务端发送密钥交换参数：

• 密钥交换算法公钥(如ECDHE的公钥)
• 椭圆曲线参数
• 签名(用于验证数据完整性)

2.5 Server Hello Done

服务端通知客户端已完成初始握手消息发送。

2.6 Client Key Exchange

客户端生成并发送密钥交换参数：

• 客户端公钥(如ECDHE的公钥)

密钥协商过程(以ECDHE为例)：

1. 双方确定椭圆曲线参数(E, N, G)
2. 服务端生成随机数a，计算A = a*G，发送A
3. 客户端生成随机数b，计算B = b*G，发送B
4. 双方计算预主密钥：
   • 客户端：Q = bA = b(a*G)
   • 服务端：Q' = aB = a(b*G)
   • Q = Q'，完成密钥协商

2.7 Client Change Cipher Spec

客户端通知服务端将开始加密通信。

2.8 Client Finished

客户端发送加密的验证数据，包含：

verify_data = PRF(master_secret, "client finished", Hash(handshake_messages))

2.9 Server Change Cipher Spec

服务端通知客户端将开始加密通信。

2.10 Server Finished

服务端发送加密的验证数据，包含：

verify_data = PRF(master_secret, "server finished", Hash(handshake_messages))

2.11 Application Data

双方使用协商的对称密钥加密传输应用数据。

3. 密钥生成过程

1. 预主密钥(PreMasterSecret)：通过密钥交换算法协商得到
2. 主密钥(MasterSecret)：

   MasterSecret = PRF(PreMasterSecret, "master secret", Client.random || Server.random)[0..47]
   

3. 密钥块(KeyBlock)：

   KeyBlock = PRF(MasterSecret, "key expansion", Server.random || Client.random)
   

   KeyBlock包含实际用于对称加密的密钥材料

4. 证书验证机制

证书校验步骤：

1. 检查证书链是否由可信CA签发
2. 使用CA公钥解密签名值，得到摘要A
3. 计算证书信息的摘要B
4. 比较摘要A和B是否一致
5. 检查证书有效期、域名匹配等

证书信任链：

根CA证书 -> 中间CA证书 -> 网站证书

5. 会话恢复机制

5.1 Session ID方式

• 客户端在ClientHello中携带上次会话ID
• 服务端从内存查找会话状态
• 若找到则快速恢复，否则完整握手

5.2 Session Ticket方式

• 服务端加密会话状态发送给客户端
• 客户端下次握手时携带Ticket
• 服务端解密Ticket恢复会话状态

Ticket存储内容：

struct {
    ProtocolVersion protocol_version;
    CipherSuite cipher_suite;
    CompressionMethod compression_method;
    opaque master_secret[48];
    ClientIdentity client_identity;
    uint32 timestamp;
} StatePlaintext;

6. 加密套件组成

典型加密套件格式：TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256

包含：

1. 密钥交换算法：ECDHE
2. 认证算法：RSA
3. 加密算法：AES-128-GCM
4. 消息认证码算法：SHA256

7. 安全性考虑

虽然TLS协议本身设计安全，但实现中可能出现漏洞：

• 心血漏洞(Heartbleed)
• 中间人攻击
• DROWN攻击
• FREAK漏洞
• POODLE攻击

8. 协议演进

• TLS 1.3删除了ChangeCipherSpec等冗余步骤
• TLS 1.3移除了压缩支持(因CRIME/BREACH攻击)
• 密钥交换算法优化，提高前向安全性

9. 实际流量分析要点

分析HTTPS流量时需关注：

1. ClientHello中的加密套件列表和扩展
2. ServerHello中选择的加密套件
3. 证书链的完整性和验证过程
4. 密钥交换参数和算法
5. Finished消息的验证数据

通过深入理解TLS握手过程，可以更好地分析HTTPS通信的安全性，识别潜在的安全问题，并为安全配置和调优提供依据。