TLS是如何保障数据传输安全(中间人攻击)

前言

前段时间和同事讨论HTTPS的工作原理，当时对这块知识原理掌握还是靠以前看了一些博客介绍，深度不够，正好我这位同事是密码学专业毕业的，结合他密码学角度对tls加解密这阐述，让我对这块原理有了更进一步的理解，正文开始...

今天我们讨论2个话题

• TLS是如何保障数据传输安全的
• 中间人攻击的原理和攻防

什么是TLS

TLS（Transport Layer Security）是新的标准，旧的标准叫SSL(Secure Sockets Layer)。
不管新旧标准，他们的目的都是同一个，那就是保护数据的安全，那...究竟是怎样算保护呢?

TLS是如何保障数据传输安全的

先来说一般的情况，没有SSL的时候，客户端和服务器，之间有一个传输通道是用来传输各种数据，但！！！这个通道是透明的，也就是说，其他人可以清楚的看到客户端和服务器到底在秘密的交换什么东西，而有了SSL之后，就是从原本的透明传输通道升级成了非透明的传输通道。这样其他人就不容易的看到到底在传输什么东西了

这里不就说http和https的概念了，简单来说就是http有了ssl就升级为https。
http 就是走的透明的通道
https 就是非透明的通道

没用https会经常被网络服务商植入广告

没准你也遇到过，访问某个网站时会被植入广告诱导点击。

这就是有因为http是明文传输的，长城宽带是知道你访问的网站服务器下发的明文，自然就可以在明文中加点“东西”
达到他不可告人的目的！！

长城宽带还是比较收敛的，只会在第一次访问植入广告，后面再访问就不会植入了。
反正这种行为是绝对鄙视的！！！

SSL是怎么起作用的

既然明文传输是不行的，那么把明文进行加密传输呗。

就是客户端通过加密 传输到 服务端解密

反之

服务端加密 传输到 客户端解密

在到数据加密传输这一步之前，得首先建立安全连接通道！

SSL需要用到非对称加密的公私钥达到认证并建立连接通道。

建立安全连接通道后，在利用对称式加密对通道里所有的数据进行加解密。

听起来有点绕，没关系为了要了解整个概念，必须先了解下对称式加密和非对称式加密

对称式加密

假如说有一个加密的算法是【把字母往后移位k位，把位移后的结果以及k给对方】
所以当A想要和B说HI

A首先通过这个加密方法把HI这个词，往后移2位，就变成了JK

当B收到位移数:2 以及JK。B就可以通过位移数2 往回推成HI

这里的位移数：2 就是这个对称式加密算法的秘钥

A和B都拿到同样的秘钥2，是一个对称的概念！！

非对称式加密

那就是A和B拿到的秘钥是不同的。(上面的例子，A拿公钥，B拿私钥)

公钥和私钥一定是一组一对配对起来的。如果公钥是O 私钥是P 那么绝对OP是一组。

B先把公钥给A B手上有私钥

• 私钥(是绝对不能外泄的) 公钥是公开的

A 通过 B给的公钥进行加密变成 xx ，B收到后用自己的私钥把xx进行解密变成HI

如下图：

整个SSL的建立的步骤分为3个大项目 ，粉色标记的三个大块

• Authentication 使用非对称加密进行对服务器下发的证书认证
• Key Exchange (这里注意当采用Diffie—Hellman算法会和RSA算法的不同点)
• Encrypted Data Transfer 利用第二步的对称式加密，对数据传输进行加解密

想要更详细了解图中每一步请参阅
那些關於ssl-tls的二三事-九

注意：在公开网络中比如浏览器访问的站点，站点服务器不会要求客户端发送客户端证书，所以上图的4和5是灰色展示

下面说一下之前我误解的点

1. RAS和DH

都知道SSL用到了非对称加密，包括网上文章：

网上文章这么说对于理解是有帮助的，如果你只想了解大概没问题，但是作为程序员我们需要更加深入理解。

上面文章说的其实是针对采用RSA算法的。因为DH算法中不需要，所以不会在KeyExchange这一环节中利用非对称加密传输数据！

DH算法说白话一点，就是在教你如何“安全的”告诉对方密码而不用担心密码被窃听。
以下是擷取自wiki的DH流程簡圖:

上图中，Alice和Bob通过DH算法生成秘钥K，
其中：

• g、p是2个非私密数据；
• a、b是私密数据；
• A是根据：g、p、a算出来的非私密数据；B是根据：g、p、b算出来的非私密数据；
• 把A从a传到b，根据求K公式，b得到秘钥k；a同理；

注：

• p是一个大素数。p的位数决定了攻击者破解的难度。
• g则不需要很大，并且在一般的实践中通常是2或者5。

2. RSA对称加密算法中的秘钥(master secret)是不经过网络传输的

• Pre-master secret （PMS）
• Client’s random number
• Server’s random number

PMS是通过网络传输的这里面用到了非对称加密！

3. 容易被忽略的重要点：客户端验证服务端证书也用到了非对称加密

一般我们会给域名申请证书，最终的证书是最终用CA机构的Root根证书签发的。

每一次签发的证书，都是自己的私钥做了签名，并放在证书里。

由于CA机构也会用Root根证书签发一些中间证书，再由中间证书签发的证书去签名生成你要申请的证书.

如下图：

服务端下发也是下发一个证书链的结构，浏览器拿到后去一步步验证。但光有证书链，客户端是不能完成证书校验的，必须有一张根证书才能迭代完成签名认证，也就是说客户端必须信任根证书才能构建信任基础，那么根证书在哪儿呢？

浏览器用的[可信任证书库]，

• 在 windows 平台中，微软有专门的根证书库。
• 在 Linux 平台中，软件和服务一般使用 NSS 根证书库。
• 在苹果平台中，也有专门的根证书库。

在windows操作系统中 打开cmd 输入 certmgr 就可以打开

浏览器在收到server端发来的ssl证书信息，拿到证书后验证其数字签名。具体就是，根据证书上写的CA签发机构，在浏览器内置的根证书里找到对应的公钥，用此公钥解开数字签名，得到摘要（digest,证书内容的hash值），据此验证证书的合法性。

总之一句话，CA就是神一样的存在，如果你信任神，你就应该信任这些CA。

中间人攻击(MITM )

中间人攻击，就是中间卡了一个人帮你和服务器进行数据交换。

这样就代表传输的所有数据都被这个中间人看光光。

为什么我都用SSL了。不应该都是数据加密了嘛，中间人是如何知道的？

用Fiddler来模拟下中间人攻击，要完成中间人攻击需要配置

• Fiddler会在证书信任中心安装一个它的证书
• 然后浏览器通过Fddler暴露的端口来访问目标站点

首先看下正常的证书长啥样的 如下图：

中了中间人攻击的证书是长啥样的 ，如下图

其实中间人的角色，就是充当了服务器在和你建立SSL。

所以对浏览器来说，这个中间人就是真正的服务器，只是浏览器不知情而已。

但是其实浏览器并不会那么笨，因为如上面我们讲了浏览器会去【可信任证书中心】去验证。如果遇到不存在的证书，浏览器就会出现以下的提示

客户端本身就是坏人的情况下，才会在自己的【可信任证书中心】装一个用于中间人攻击的证书。

有什么办法可以防止中间人攻击 -》 SSL Pinning

什么是SSL Pinning

SSL Pinning 也叫 Certificate Pinning

而前面有提到一個概念，公钥私钥是一对一配对的。

所以同一组公私钥出来的凭证，這個凭证里面的公钥绝对是不会变的。

而 SSL Pinning 就是要把 SSL 固定起来，这个固定就是利用公钥的特性实现的。

假设有一个APP是专门访问baidu.com的

baidu.com证书里面的公钥是O的话，而我app里面的代码，已经有预先写好O这个公钥，

所以当我的app浏览 baidu.com的时候，取得证书里面的公钥O

拿这个公钥O和代码写的O对比是否一致。如果不一致就拒绝。

为啥是中间人攻击的话，那么这2个O肯定不一致！

验证一下就知道了，下面这段脚本可以从服务端下发的证书拿到公钥

分别测试下 正常情况和中间人攻击的情况

正常情况

#!/bin/bash
certs=`openssl s_client -connect $1:443 -servername $1 -showcerts </dev/null 2>/dev/null | sed -n '/Certificate chain/,/Server certificate/p'`
rest=$certs
while [[ "$rest" =~ '-----BEGIN CERTIFICATE-----' ]]
do
    cert="${rest%%-----END CERTIFICATE-----*}-----END CERTIFICATE-----"
    rest=${rest#*-----END CERTIFICATE-----}
    echo `echo "$cert" | grep 's:' | sed 's/.*s:\(.*\)/\1/'`
    echo "$cert" | openssl x509 -pubkey -noout | 
        openssl rsa -pubin -outform der 2>/dev/null | 
        openssl dgst -sha256 -binary | openssl enc -base64
done

百度的CA证书是一个证书链，如下图，分别是

//颁发者是  GlobalSign Organization Validation CA
9ncsiOH9INfRO1dZosXOLZck/Z+/ikYsRl0e+iOUmiw=

//颁发者是 DigiCert Inc
BbkOPUFIMuqBj5SBjChDvpb1ZCdk3b9ZNDWOnKRB/bo=

中间人攻击情况

需要设置 -proxy 去模拟

#!/bin/bash
certs=`openssl s_client -proxy 127.0.0.1:8888 -connect $1:443 -servername $1 -showcerts </dev/null 2>/dev/null | sed -n '/Certificate chain/,/Server certificate/p'`
rest=$certs
while [[ "$rest" =~ '-----BEGIN CERTIFICATE-----' ]]
do
    cert="${rest%%-----END CERTIFICATE-----*}-----END CERTIFICATE-----"
    rest=${rest#*-----END CERTIFICATE-----}
    echo `echo "$cert" | grep 's:' | sed 's/.*s:\(.*\)/\1/'`
    echo "$cert" | openssl x509 -pubkey -noout | 
        openssl rsa -pubin -outform der 2>/dev/null | 
        openssl dgst -sha256 -binary | openssl enc -base64
done

客户端如何用代码去实现SSL Pinning

CertificatePinner certPinner = new CertificatePinner.Builder()
        .add("baidu.com",
              "sha256/9ncsiOH9INfRO1dZosXOLZck/Z+/ikYsRl0e+iOUmiw=")
        .build();

OkHttpClient okHttpClient = new OkHttpClient.Builder()
        .certificatePinner(certPinner)
        .build();