TLS和安全通信

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小牛编辑

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2023-12-01

我曾经以为互联网安全总是处在社会和法律控制的范围里，但是在学习 TLS 的
过程中才意识到真实的互联网四处漏洞简直就是是一个Sin City。而TLS相关知
识就像美女包包里的避孕套和枪一样——我们希望永远也用不上，但是当不得不用
的时候，我们希望在手边。

加密技术

TLS 依赖两种加密技术：

对称加密（symmetric encryption）
非对称加密（asymmetric encryption）

对称加密

对称加密的一方（比如小红）用秘钥 K 给文本 M 加密；另一方（比如小明）用
同一个秘钥解密：

小红 : C = E(M, K)
小明 : M = D(C, K)

这有一个问题：当一方生成了秘钥 K 之后得把 K 分享给另一方。但是穿越 Sin
City 的道路危险中途很可能有人窃听到 K，窃听者就可以假扮双方中的任何一
方与另一方通信。这叫中间人攻击^mim。

非对称加密

非对称加密利用成对的两个秘钥：K1 和 K2。小红用其中一个加密文本，小明可
以用另一个解密文本。比如，小红用 K1 加密，小明用 K2 解密：

小红 : C = E(M, K1)
小明 : M = D(C, K2)

这样一来，双方中的一方（比如小红）可以生成 K1和K2，然后把其中一个秘钥
（比如K1）私藏，称为私钥；另一个（比如K2）公开，称为公钥。另一
方（比如小明）得到公钥之后，双方就可以通信。

然并卵，中间人还是可能截获公钥 K2，然后自己弄一对秘钥（κ1, κ2），然后
告诉小明说 κ2 是小红的公钥。这样中间人每次可以用截获的 K2 解密小红发给
小明的文本（甚至可能修改文本），再用 κ1 加密了发出去；小明用 κ2 解密接
收。

这里有一个用OpenSSL工具生成密钥对的例子。

数字签名和CA

为了帮小明确定得到的公钥确实是小红的 K2，而不是中间人伪造的 κ2，牛人们
发明了数字签名（digital signature）技术。

数字签名的做法是：

小红把自己的公钥和ID（身份证号码，或者域名）合为身份证申请（certificate signing request，CSR），
小红把CSR发给一个德高望重的人（被称为 certificate authority，CA），比如小亮，
小亮用自己的私钥加密小红的 CSR，得到的密文被称为数字签名（digital signature），
小亮把 signature 和 CSR 的明文合在一起称为 CA签署的身份证（CA signed certificate，CRT），发给小红，

小红：CSR = 小红公钥+小红域名
     signature = E(CSR, 小亮的私钥)
     CRT = CSR + signature

这里有一个用OpenSSL生成CSR的例子。签署
CSR的例子在这里。

每当其他人（比如小明）找小红聊天（建立HTTPS连接）的时候，小红出示自己的小亮签署的身份证。
拿到这个身份证的人，只要他是相信小亮的——在自己机器上安装了小亮的身份证，就可以

从小亮的身份证中的小亮的CSR里提取小亮的公钥；
然后用小亮的公钥解密小红的身份证中小亮的signature，得到一个小红的CSR’；
如果这个CSR’和小红身份证中的CSR明文一致，则说明“这个小红的身份证是小亮确认过并且签名的”。

小明：小亮的公钥 = 小亮的CRT.CSR.小亮的公钥
     CSR' = D(CRT.signature, 小亮的公钥)
     if CSR' == CRT.CSR then OK

由此过程可以看出来：随便谁都可以当CA——只要愿意公开自己的公钥，即可用自
己的私钥去加密别人的认证。那我们要是信错了 CA，被他摆一道怎么办？答案
是：没办法。我们选择信任社会，要相信如果 CA 说谎，万一被识破，就没有人
再相信他了。现实中，很多操作系统（Windows、Mac OS X）和浏览器（Chrome、
Firefox、IE）会内置一些靠谱的 CA 的身份证。但是有没有 CA 冒天下之大不
韪说谎呢？据传说有一个自称 CNNIC 的机构说过谎。

这个过程可以用下图描述：

请注意，这只是一个示意图，并不为了精准描述HTTPS协议的握手和通信过程。
图中省略了一些重要的细节，比如握手之后的实际通信都是采用
对称加密技术来实现的。

信任链

小亮如果担心没有人信任自己是个好 CA（就像没人信CNNIC一样），可以找一个
大家都信的 CA，比如老王，用老王的私钥在小亮的身份证上签名：

小亮：CSR = 小亮的公钥+小亮域名
     signature = E(CSR, 老王的私钥)
     CRT = CSR + signature

如果浏览器或者操作系统里安装了老王的公钥则可以验证“小亮的身份证是老王
确认并且签名过的”。

这样，小亮在签署小红的身份证的时候，可以在小红身份证后面附上自己的身份
证。这样小红的身份证就有“两页”了。

当小明和小红通信的时候：

小明会先要求小红出示自己的身份证；
小明虽然不信任小亮，但是信任老王，所以小明可以用老王的身份证里的老
王的公钥来验证小红身份证附带的小亮的身份证，于是就可以信任小亮了；
然后小明用小亮身份证里的公钥验证小红的身份证。

要是怕小明连自己也也不信任，老王可以再找一个小明信任的人来签名确认自己
的身份证。这个过程可以不断递推，从而形成了一条信任链（trust of
chain)^chain。

根身份证和自签名

信任链总会有个顶端，被称为根身份证（root CA）。那么根身份证是谁签名
的呢？答案是：自己签名。实际上，我们每个人都可以自己签名认证自己的身份
证，得到自签名的身份证（self-signed certificate）。具体过程是：

生成一对秘钥：公钥 K2 和私钥 K1，
创建自己的 CSR，
用自己的秘钥加密CSR得到signature，然后把CSR明文和signature一起发布。

任何人只要信任我们自签名的身份证 CRT，也就可以用 CRT.CSR.K2 作为公钥加
密要传递给我们的文本。我们可以用自己的私钥 K1 来解密文本。

如果老王就是根CA了，那么上述各位的身份证的信任链如下：

小红：CSR = 小红公钥+小红域名
     signature = E(CSR, 小亮的私钥)
     CRT = CSR + signature
小亮：CSR = 小亮的公钥+小亮域名
     signature = E(小亮的CSR, 老王的私钥)
     CRT = 小亮的CSR + signature
老王：CSR = 老王的公钥+老王的域名
     signature = E(老王的CSR, 老王自己的私钥)
     CRT = 老王的CSR + signature

这里有一个用OpenSSL工具自签署身份证的例子，
以及一个用自己创建的根身份证签署其他身份证的例子。

双方TLS认证

上述例子解释了通信的一方如何验证另一方的身份。这种情况的一个常见应用是：
我们通过浏览器访问银行的网页。这里的关键是，我们要能验证银行的身份证，
然后才敢于在网页里输入账号和密码。浏览器验证银行的身份证的过程如下：

在浏览器和银行的HTTPS服务建立安全连接的过程中，银行的HTTPS服务会把
它的身份证发给浏览器^showcerts；
浏览器使用内置的CA的身份证来验证银行的身份证。

浏览器验证了银行的HTTPS服务的身份之后，就轮到银行验证浏览器的用户的身份了：

浏览器展示银行HTTPS服务发来的登陆页面；
用户在这个页面里输入账号和密码，银行的HTTPS服务由此验证用户的身份。

在这个过程中，银行HTTPS服务器的身份是通过TLS身份证来验证的。而我们（用
户）的身份是通过我们输入的账号和密码来验证的。

有时通信的双方都是程序（而不是人）。此时，让一方输入账号和密码，不如让
双方都通过TLS身份证来互相验证方便。尤其是在很多分布式系统里，有多种类
型的程序互相通信，而不只是两方通信。

比如在 Kubernetes 机群里，不光操作机群的客户端程序 kubectl 要能验证
Kubernetes master node（具体的说是 apiserver）的身份，才能放心地把包括
敏感信息（比如数据库密码）的计算作业提交给 apiserver。类似的，
apiserver也要能验证 kubectl 的身份，以确认提交作业的是公司的合法雇员，
而不是外贼^sign。

为此，通信各方都需要有各自的身份证。一个公司可以自签名一个CA身份证，并
且用它来给每个雇员以及每个程序签署身份证。这样，只要每台电脑上都预先安
装好公司自己的CA身份证，就可以用这个身份证验证每个雇员和程序的身份了。
这是目前很多公司的常用做法。

双向认证和通信的过程请参见下图

加密和解密的性能

因为TLS模式下所有传输的数据都是加密的，大家会关注加密和解密的性能。客
观的说，非对称加密技术的加密和解密比较慢，相对来说，对称加密技术的加密
解密过程更快。所以实际的连接和握手过程中，通信双方会协商一个对称加密秘
钥，之后的数据通信过程中的加密都是利用对称加密技术来实现的。

具体的做法是：握手的时候，双方各自生成一个随机数，并且以非对称加密的方式
分享给对方。然后每一方都把自己的随机数和对方的随机数拼起来，就是接下来
通信时候使用的对称加密方法的秘钥了。

下一步

上面介绍的概念在实际操作中往往是靠开源工具 openssl 实现的。
下一篇介绍如何使用 openssl。