安全协议工程之SSL协议分析

平安协议工程

题目：SSL协议分析—

系另U：

专业：____________

学生姓名：______________

学号：__________

指导教师：_______________

2011年6月23日

摘要

目前，随着Internet的快速开展，人们在使用互联网的场地越来越多，范围越来越广泛，互

联网上的信息平安越来越引起人们的关注。特别是近年来网上银行、电子商务和电子政务的快速开

展，如何保证用户的传输信息，特别是交易信息的保密性、完整性已成为迫切需要解决的问题。为

此人们研究越来越多的措施来保护用户的信息，所以有了强多的平安协议，其中平安套接层协议

(SecuritySocketLayerProtocol,简称SSL)是Internet上进行保密通信的一个平安协议。

关键词：Internet；信息平安；保密性；完整性；平安套阶层协议

目录

引言..................................................4

1.SSL简介............................................4

2.SSL工作原理.......................................4

3.SSL协议提供的效劳...................................5

4.SSL记录层协议.......................................5

5.SSL握手协议.........................................7

6.SSL的应用............................................10

7.SSL的平安性分析......................................11

引言

网络的迅速开展，逐渐普及到各个领域，但是有利也有弊，开展越快，出现的问题也就越多。

而最终的的还是信息方面的平安保证，特别是在传输过程中，为此诸多杰出的人员也参加到这个研

究中，研究怎么样最大程度保护信息的平安传输。

传输层在TCP/IP协议族中具有重要地位，它加强和弥补了IP层的效劳。从效劳类型看，IP

层是点到点的，而传输层提供端到端的效劳；从效劳质量看，传输层提高了可靠性，使得高层应用

不必关注可靠性问题，而仅需解决与自身应用功能相关的问题；从协议依赖关系看，应用层协议直

接构建于传输层之上。

应用层协议直接与用户交互，因此它们的平安性也会受到最直接的关注。举个直观的例子，电子商

务系统通常采用B/S结构，用户通过浏览器访问电子商务网站、购置商品并进行网上支付。在这类

应用中，机密性、完整性、效劳器身份认证、不可否认性和可用性都是用户所需的。此外，在进行

文件和邮件传输时，用户也有类似的平安需求。遗憾的是，常用的HTTP、FTP等协议都无法满足这

些平安需求。虽然HTTP、等协议提供了基于口令的身份认证机制，但在互联网这个开放的环境中，

这种简单的保护显得微缺乏道。

改变这种现状的途径之一就是为每个应用层协议都增加平安功能。对于应用设计者而言，这是

一个并不轻松的工作；对于应用使用者而言，部署多个平安应用时，势必会消耗大量的系统资源。

另一种途径就是从传输层人手。既然高层应用都是基于传输层的，那么增强这个层次的平安性显得

更具备通用性。它可以把高层应用从平安性这个复杂的命题中解放出来，使用者也可用较小的开销

获得所需的平安效劳。

1.SSL简介

SSL和TLS,它们分别是平安套接层(SecureSocketLayer)和传输层平安(TransportLayer

Security)的缩写，是为网络通信提供平安及数据完整性的一种平安协议TLS与SSL,在传输层对

网络连接进行加密。SSL首先由网景公司提出，最初是为了保护Web平安，最终却为提高传输

层平安提供了一个通用的解决方案。在SSL获得了广泛应用之后，IETF期于SSLv3,制定TLS标

准。TLSvl与SSLv3几乎完全一致。

SSL协议位于与各种应用层协议之间，为数据通讯提供平安支持。SSL协议可分为两层：SSL

记录协议(SSLRecordProtocol)：它建立在可靠的传输协议(如TCP)之上，为高层协议提供

数据封装、压缩、加密等根本功能的支持。SSL握手协议(SSLHandshakeProtocol)：它建立

在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交

换加密等。

2.SSL工作原理

SSL的工作原理：当一个使用者在Web上用Netscape浏览器漫游时，浏览器利用HTTP协议与Web

效劳器沟通。例如，浏览器发出一个HTTPGET命令给效劳器，想下载一个首页的HTML档案，而效劳

器会将档案的内容传送给浏览器来响应。GET这个命令的文字和HTML档案的文字会通过会话层

(Socket)的连接来传送，Socket使两台远程的计算机能利用Internet来通话。通过SSL,资料在

传送出去之前就自动被加密了，它会在接收端被解密。对没有解密钥的人来说，其中的资料是无法

阅读的。

SSL采用TCP作为传输协议提供数据的可靠传送和接收。SSL工作在Socket层上，因此独立于更

高层应用，可为更高层协议，如Telnet、提供平安业务。SSL提供的平安业务和TCP层一样，采用了

公开密钥和私人密钥两种加密体制对Web效劳器和客户机(选项)的通信提供保密性、数据完整性

和认证。在建立连接过程中采用公开密钥，在会话过程中使用私人密钥。加密的类型和强度则在两

端之间建立连接的过程中判断决定。在所有情况下，效劳器通过以下方法向客户机证实自身：给出

包含公开密钥的、可验证的证明；演示它能对用此公开密钥加密的报文进行解密。

为了支持客户机，每个客户机都要拥有一对密钥，这要求在Internet上通过Netscape分配。

由于Internet中的效劳器数远少于客户机数，因此能否处理签字及密钥管理的业务量是很重要的，

并且与客户联系比给商家以同样保证更重要。

3.SSL协议提供的效劳

(1)用户和效劳器的合法性认证

使得用户和效劳器能够确信数据将被发送到正确的客户机和效劳器上。客户机和效劳器都有各

自的设别号，由公开密钥编排。为了验证用户，平安套接层协议要求在握手交换数据中做数字认证,

以此来确保用户的合法性。

(2)加密数据以隐藏被传送的数据

平安套接层协议采用的加密技术既有对称密钥，也有公开密钥。具体来说，就是客户机与效劳

器交费数据之前，先交换SSL初始握手信息。在SSL握手信息中采用了各种加密技术，以保证其机

密性和数据的完整性，并且经数字证书鉴别，这样就可以防止非法用户破译。

(3)维护数据的完整性

平安套接层协议采用密码杂凑函数和机密共享的方法，提供完整信息性的效劳，来建立客户机

与效劳器之间的平安通道，使所有经过平安套接层协议处理的业务，在传输过程中都能完整、准确

无误地到达目的地。

4.SSL记录层协议

SSL记录层协设限定了所有发送和接收数据的打包，它提供了通信、身份认证功能，它是一个

面向连接的可靠传输协议，如TCP/IP提供平安保护。

在SSL中所有数据被封装在记录中。一个记录由两局部组成：记录头和非零长度的数据。记录

头可以是2字节或3字节(当有填充数据时使用)。SSL握手层协议的报文要求必须放在一个SSL

记录层的记录里，但应用层协议的报文允许占用多个SSL己录来传送。

1.SSL记录头格式

SSL记录头可以是2个或3个字节长的编码。SSL记录头包含的信息有记录头的长度、记录数

据的长度，以及记录数据中是否有填充数据，其中填充数据是在使用块加密(blocken-cryption)

算法时，填允实际数据，使具长度恰好是块的整数倍。最品位为1时，不含杓填允数据，记录头的

长度为2个字节，记录数据的最大长度为32767个字节；最高位为0时，含有填充数据，记录头的

长度为3个字节，记录数据最长为16383个字节。

当数据头长度是3个字节时，次高位有特殊的含义。次高位为1时，表示所传输的记录是普通

的数据记录；次高位为0时，表示所传输的记录是平安空白记录(被保存用于将来协议的扩展)。

记录头中数据长度编码不包括数据头所占用的字节长度。记录头长度为2个字节时，记录长度的计

算公式为:记录长度？((Byte[0]&0x7f)«8)|Byte[l]o其中Byte[O]、Byte[l]分别表示传输

的第一个、第二个字节。

记录头长度为3个字节时，记录长度的计算公式是：记录长((Byte[O]&Ox3f«8))

|Byte[l]o其中Byte[O]、Bytc[l]的含义同上。判断是否是平安空白记录的计算公式是:

(Byte[0]&0x40)!?0。填充数据的长度为传输的第三个字节。

2.SSL记录数据格式

SSL记录数据局部有3个分量：MAC-DATA>ACTUAL-DATA和PADDING-DATA。

MAC数据用于数据完整性检查。计算MAC所用的散列函数由握手协议中的CIPHER-CHOICE消息确定。

若使用MD2和MD5算法，则MAC数据长度是16个字节。MAC的计算公式为:MAC数据二Hash[密钥，实

际数据，填充数据，序号]。

当会活的客户端发送数据时，密钥是客户的写密钥(效劳器用读密钥来验证MAC数据)；而当会话

的客户端接收数据时，密钥是客户的读密钥(效劳器用写密钥来产生MAC数据)o序号是一个可以

被发送和接收双方递增的计数器,每个通信方向都会建立一对计数器,分别被发送者和接收者拥有。

计数器有32位，计数值循环使用，每发送一个记录，计数值递增一次，序号的初始值为0。

ACTUAL-DATA是被传送的应用数据，PADDING-DATA是当采用分组码时所需要的填充数据，在明文传

送下只有第二项。

3.记录协议的作用

记录协议层封装了高层协议的数据，协议数据采用SSL握手协议中协商好的加密算法及MAC算

法来保护。记录协议传送的数据包括一个序列号，这样就可以检测消息的丧失、改动或重放。如果

协商好了压缩算法，那么SSL记录协议还可以执行压缩功能。SSLV3版的高层由记录传递的消息

组成，这包括改变密码标准协议、警报协议和握手协议。改变密码标准协议指明对使用的密码标准

的改变，协议中还包括了一个用当前密码标准加密的单独消息。客户和效劳静都要发送改变密码标

准消息来说明它们准备使用一个新的密码标准和密钥。警报协议传送与事件相关的消息，包括事件

严重性及事件描述。这里的事件主要是指错误情形，如错误的MAC码、证书过期或是非法参数。警

报协议也用于共享有关预计连接终止的信息。

5.SSL握手协议

握手协议是关于客户和效劳器如何协商它们在平安信道中要使用的平安参数，这些参数包括要

采用的协议版本、加密算法和密钥。另外，客户要认证效劳器，效劳器则可以选择认证/不认证客

户。PKI在客户一效劳器认证阶段就开始运作了，这就是握手协议的实质。

1.握手协议工作过程

①客户(client)端发送ClientHello信息给效劳器CServer)端，Server答复ServerHello©

这个过程建立的平安参数包括协议版本、“佳话〃标识、加密算法、压缩方法。另外，还交换两个

随机数：ClientHello.Random和ServerHello.Random,用于计算机”会话主密钥〃。

②Hello消息发送完后，Server端会发送它的证书和密钥交换信息。如果Server端被认证,

它就会请求Client端的证书，在验证以后，Server就发送HeiloDone消息，以示达成了握手协议,

即双方握手接通。

③Server请求Client证书时，Client要返回证书或返回没有证书的指示，这种情况用于单

向认证，即客户端不装有证书。然后，Client发送密钥交换消息。

④效劳器Server此时要答复“握手完成〃消息（Finished）,以示完整的握手消息交换已经

全部完成。

⑤握手协议完成后，Client端即可与Server端传输应用加密数据，应用数据加密一般是用

第②步密钥协商时确定的对称加/解密密钥，如DES、3DE等。目前，商用加密强度为128位，非对

称密为一般为RAS,商用强度为1024位，用于证书的验证。

其中，带*号的命令是可选的，或依据状态而发的消息，而改变加密算法协议

（ChangeCiphorSpec）并不在实际的握手协议之中，它在第③步与第④步之间，用于Cliont与

Server协商新的加密数据包时而改变原先的加密算法。

2.握手协议的作用

SSL中的握手协议，将公钥加密技术与对称密钥加密技术的应用有效、巧妙地结合在一起，有

机地组成了互联网（或其他网络）上信息平安传输的通道。这种信息平安通道，有其实用价值，比

方，利用对称加密技术比公钥加密技术对大容量信息的加/解密速度要快，而公钥技术却提供了更

好的身份认证技术。SSL的握手协议可以非常有效地让客户与效劳器之间完成身份认证。

通过SSL客户端与效劳器传送自己的数字证书，互验合法性，特别是验证效劳器的合法性，可

以有效地防止互联网上虚假网站的网上钓鱼事件；同时，效劳器端也可以严格验证客户端的真实身

份。其作用如下：

①客户端的浏览器向效劳器传送客户端SSL协议的版本号、加密算法的种类、产生的随机数,

以及其他效劳器和客户端之间通信所需要的各种信息。

②效劳器向客户端传送SSL协议的版本号、加密算法的种类、随机数及其他相关信息，同时,

效劳器还将向客户端传送自己的证书。

③客户利用效劳器传过来的信息验证效劳器的合法性。效劳器的合法性包括：证书是否过期,

发行效劳器证书的CA是否可靠，发行者证书的公钥能否正确解开效劳器证书的“发行者的数字签

名〃，效劳器证书上的域名是否和效劳器的实际域名相匹配。如果合法性验证没有通过，则通信将

断开；如果合法性验证通过，则将继续进行第④步。

@客户端随机产生一个用于后面通信的“对称密码〃，然后用效劳器的公钥（从步骤②中效

劳器的证书中获得）对其加密，再将加密后的“预主密码”传给效劳器。

⑤如果效劳潜要求客户的身份认证（在握手过程中为可选），用户则可以建立一个随机数，

然后对其进行数字签名，将这个含有签名的随机数和客户自己的证书，以及加密过的“预主密码〃

一起榜给效劳器。

⑥如果效劳器要求客户的身份认证，效劳器则必须检验客户证书和签名随机数的合法性。具

体的合法性验证包括：客户的证书使用日期是否有效，为客户提供证书的CA是否可靠，发行CA

的公钥能否正确解开客户证书的发行CA的数字签名，检查客户的证书是否在证书撤绡列表（CRL）

中。检验如果没枸通过，则通信立刻中断；如果验证通过，则效劳器将用自己的私钥解开加密的“预

主密码〃，然后执行一系列步骤来产生主通信密码（客户端也将通过同样的方法产生相同的主通信

密码）。

⑦效劳器和客户端用相同的主密码，即“通话密码〃，一个对称密钥用于SSL协议的平安数

据通信的加/解密通信。同时，在SSL通信过程中还要完成数据通信的完整性，以防止数据通信中

的任何变化。

⑧客户端向效劳器端发出信息，指明后面的数据通信将使用步骤⑦中的主密码为对称密钥，

同时通知效劳器客户端的握手过程结束。

⑨效劳器向客户端发出信息，指明后面的数据通信将使用步骤⑦中的主密码为对称密钥，同

时通知客户端效劳器端的握手过程结束。

⑩SSL的握手局部结束，SSL平安通道的数据通信开始，客户和效劳器开始使用相同的对称密

钥进行数据通信，同时进行通信完整性的检验。

证书各局部的含义

Version证书版本号，不同版本的证书格式不同

SerialNumber序列号，同一身份验证机构签发的证书序列号唯一

AlgorithmIdentifier签名算法，包括必要的参数Issuer身份验证机构的标识信息

PeriodofValidity有效期

Subject证书持有人的标识信息

Subject*sPublicKey证书持有人的公钥

Signature身份验证机构对证书的签名

证书的格式认证中心所发放的证书均遵循X.509V3标准，其根本格式如下：

证书版本号(CertificateFormatVersion)含义：用来指定证书格式采用的X.509版本号。

证书序列号(CertificateSerialNumber)含义：用来指定证书的唯一序列号，以标识CA发

出的所有公钥证书。

签名(Signature)算法标识(AlgorithmIdentifier)含义：用来指定CA签发证书所用

的签名算法。

签发此证书的CA名称(Issuer)含义：用来指定签发证书的CA的X.500唯一名称(DN,

DistinguishedName)。

证书有效期(ValidityPeriod)起始日期(notBefore)终止日期(notAfter)含义：用

来指定证书起始日期和终止日期。

用户名称(Subject)含义:用来指定证书用户的X.500唯一名称(D称DistinguishedName)。

用户公钥信息(SubjectPublicKeyInformation)算法(algorithm)算法标识(Algorithm

Identifier)用户公钥(subjectPublicKey)含义：用来标识公钥使用的算法，并包含公钥

本身。

证书扩充局部(扩展域)(Extensions)含义：用来指定额外信息。

X.509V3证书的扩充局部(扩展域)及实现方法如下：CA的公钥标识(AuthorityKey

Identifier)公钥标识(SET未使用)(KeyIdentifier)签发证书者证书的签发者的甄别名

(CertificateIssuer)签发证书者证书的序列号(CertificateSerialNumber)

X.509V3证书的扩充局部(扩展域)及实现CA的公钥标识(AuthorityKeyIdentifier)

公钥标识(SET未使用)(KeyIdentifier)签发证书者证书的签发者的甄别名(Certificat

签发证书者证书的序列号(CertificateSerialN含义：CA签名证书所用的密钥对的唯一标识用

户的公钥标识(SubjectKeyIdentifier)含义：用来标识与证书中公钥相关的特定密钥进行

解密。证书中的公钥用途(KeyUsage)含义：用来指定公钥用途。

用户的私钥有效期(PrivateKeyUsagePeriod)起始日期(NoteBefore)终止日期

(NoteAfter)含义：用来指定用户签名私钥的起始日期和终止日期。CA成认的证书政策列表

(CertificatePolicies)含义：用来指定用户证书所适用的政策，证书政策可由对象标识符表

示。用户的代用(SubstitutionalName)含义：用来指定用户的代用名。CA的代用名(Issuer

AltName)含义：用来指定CA的代用名。根本制约(BasicConstraints)含义：用来说明

证书用户是最终用户还是CA。在SET系统中有一些私有扩充局部(扩展域)HashedRootKey

含义：只在根证书中使用，用于证书更新时进行回溯。证书类型(CertificateType)含义：

用来区别不同的实体。该项是必选的。商户数据(MerchantData)含义：包含支付网关需要的

所有商户信息。持卡人证书需求(CardCertRequired)含义：显示支付网关是否支持与没有

证书的持卡人进行交易。SET扩展(SETExlensions)含义：列出支付网关支持的支付命令的SET

信息扩展。CRL数据定义版本(Version)含义：显示CRL的版本号。

CRL的签发者(Issuer)含义:指明签发CRL的CA的甄别名。CRL发布时间(thisUpdate)

预计下一个CRL更新时间(NextUpdate)撤销证书信息目录(RevokedCertificates)CRL扩

展(CRLExtension)CA的公钥标识(AuthorityKeyIdentifier)CRL号(CRLNumber)

6.SSL的应用

1.单向认证：又称匿名SSL连接，这是SSL平安连接的最根本模式，它便于使用，主要的浏

览器都支持这种方式，适合单向数据平安传输应用。在这种模式下客户端没有数字证书，只是效劳

器端具有证书，以不在认用户访问的是自己要访问的站点。典型的应用就是用户进行网站注册时彩

ID+口令的匿名认证，过去网上银行的所谓“群众版〃就是这种?？因子认证。

2.双方认证：是对等的平安认证，这种模式通信双方都可以发起和接收SSL连接请求。通信

双方可以利用平安应用程序(控键)或平安代理软件，前者一•般适合于B/S结构，而后者适用于

C/S结构，平安代理相当于一个加密/解密的网关，这种模式双方皆需安装证书，进行双向认证。

这就是网上银行的B2B的专业版等应用。

3.电子商务中的应用。电子商务与网上银行交易不同，因为有商户参加，形成客户一一商家一

银行，两次点对点的SSL连接。客户，商家，银行，都必须具证书，两次点对点的双向认证，如下

图。

7.SSL协议的平安性分析

SSL协议所采用的加密算法和认证算法使它具有较高的平安性，但也存在一些问题。

1.SSL协议采用的加密算法和认证算法

(1)加密算法和会话密钥

SSLV2协议和SSLV3协议支持的加密算法包括RC4、RC2、IDEA和DES,

加密一般分三类：对称加密、非对称加密和单向散列函数；

对称加密：分组密码(DES,RC5,IDEA)和序列密码(RC4),其中CBC(cipherblockchaining)

是分组密码的一类，是指一个明文分组在被加密之前要与前一个的密文分组进行异或运算，当加密

算法用于此模式的时候除密钥外，还需协商一个初始化向量(IV),这个IV没有实际意义，只是

在第一次II算的时候需要用到而己，采用这种模式的活平安性会有所提高；

单向散列函数：由于信道的破坏，一个通用的方法就是参加校验码。单向散列函数可用于此用

途，一个典型的例子是MD5,它产生128位的摘要，在现实中用的更多的是平安散列算法(SHA),

SHA的早期版本存在问题，目前用的实际是SHAT,它可以产生160位的摘要，因此比128位散列

更能有效抵抗穷举攻击。由于单向散列的算法是公开的，所以其它人可以先改动原文，再生成另外

一份前要，解决这个问题的方法可以通过HMAC,它包含了一个密钥，只有拥有相同密钥的人才能

鉴别这个散列

(2)认证算法

认证算法采用X.509电子证书标准，是通过RSA算法进行数字签名来实现的。

效劳器的认证

在上述的两对密钥中，效劳器方的写密钥和客户方的读密钥、客户方的写密钥和效劳器方的读

密钥分别是一对私有、公有密钥。对效劳器进行认证时，只有用正确的效劳器方写密钥加密，

ClientHcllo消息形成的数字签名才能被客户正确地解密，从而验证效劳器的身份。

若通信双方不需要新的密钥，则它们各自所拥有的密钥已经符合上述条件。若通信双方需要新

的密钥，首先效劳器方在ServerHell。消息中的效劳器证书中提供了效劳器的公有密钥，效劳器用

其私有密钥才能正确地解密由客户方使用效劳器的公有密切加密的MASTER-KEY,从而获得效劳器

方的读密钥和写密钥。

客户的认证

同上，只有用正确的客户方写密钥加密的内容才能被效劳器方用其读密钥正确地解开。当客户

收到效劳器方发出的REQUEST-CERTIFICATE消息时，客户首先使用MD5消息散列函数获得效劳器方

信息的摘要，效劳器方的信息包括：KEY-MATERIAL-0、KEY-MATERIAL-UKEY-MATERIAL-2、

CERTIFICATE-CHALLENAGE-DATA(来自于REQUEST-CERTIFICATE消息)、效劳器所赋予的证书(来

自于ServerHello)消息。

其中KEY-MATERIAL-1、KEY7IATERIAL-2是可选的，与具体的加密算法有关。然后客户使用自

己的读密钥加密摘要形成数字签名，从而被效劳器认证。

2.SSL平安优势

(1)监听和中间人式攻击

SSL使用一个经过通信双方协商确定的加密算法和密钥，对不同的平安级别应用都可找到不同

的加密算法，从而用于数据加密。它的密钥管理处理比较好，在每次连接时通过产生一个密码杂凑

函数生成一个临时使用的会话密钥，除了不同连接使用不同密钥外，在一次连接的两个传输方向上

也使用各自的密钥。尽管SSL协议为监听者提供了很多明文，

但由于采用RSA交换密钥具有较好的密钥保护性能，以及频繁更换密钥的特点，因此对监听和

中间人式攻击而言，具有较高的防范性。

（2）流量数据分析式攻击

流量数据分析式攻击的核心是通过检查数据包的未加密字段或未加保护的数据包属性，试图进

行攻击。在一般情况下该攻击是无害的，SSL无法阻止这种攻击。

（3）截取再拼接式攻击

对需要较强的连