From cryptography to TLS

密码学

目标

机密性（Confidentiality）：由加密算法保证，确保信息只能被授权方访问，防止未授权者获取内容
完整性（Integrity）：由消息验证码（MAC）保证，确保信息在传输或存储过程中未被篡改或破坏
身份验证（Authentication）：由数字签名保证，确认通信双方的身份真实有效，防止冒充
不可抵赖（Non-repudiation）：由数字签名保证，确保发送方无法否认已发送的信息，提供行为证据

随机数

密码学中的密钥、初始化向量（IV）、盐值（Salt）等均采用随机数的形式，主要包括：

TRNG(True Random Number Generator)：真随机数生成器，基于物理过程（如电子噪声、放射性衰变）生成随机数
PRNG(Pseudo Random Number Generator)：伪随机数生成器，使用确定性算法和种子生成随机数序列

Hash 算法

Hash算法可以将任意长度的数据映射为固定长度的哈希值（通常称为摘要），主要包括：

MD5(Message Digest Method 5)：128 bits，不够安全
SHA-2(Secure Hash Algorithm – 2)
SHA-256
SHA-512

对称加密算法

加密过程：通过一个算法和一个密钥（secret key）对明文（plaintext）进行处理，得到的不规则字符就是密文（ciphertext）

块密码算法

块密码算法将固定长度的明文块通过多轮操作（如替换、移位、混淆和密钥混合）转换为密文块，每轮使用不同的子密钥，最终输出加密后的数据。

当明文长度超过一个分组的长度时，需要对其进行分组，分组模式主要包括：

ECB（Electronic Codebook）模式：直接对每个明文块单独加密
CBC（Cipher Block Chaining）模式：每个明文块与前一个密文块异或后再加密，第一个块使用初始化向量（IV）进行异或
CTR（Counter）模式：使用计数器生成密钥流，与明文块异或生成密文块

消息验证码（MAC）

Hash 算法仅能保证消息的完整性，却无法证明消息是否被篡改，由此引入消息验证码（Message Authentication Code），通信双方利用同一个密钥计算MAC，MAC算法主要包括：

HMAC（基于Hash函数）：使用哈希函数（如SHA-256、MD5等）和密钥生成MAC
CBC-MAC（基于分组密码）：使用分组密码（如AES）在CBC模式下对消息加密，最后一块密文作为MAC

AEAD加密模式

加密算法不能提供完整性，加密的同时必须引入MAC算法避免消息被篡改，AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）加密模式在底层组合了加密算法和MAC算法，能够同时保证数据的机密性和完整性，AEAD加密模式主要包括：

CCM模式
GCM模式
ChaCha20-Poly1305

公开密钥算法

多种用途（加解密、数字签名等）；成对密钥（公钥和私钥）；运算缓慢（O(n)复杂度）

RSA算法

RSA算法基于大整数分解，通过选择两个大素数生成公钥和私钥，利用模幂运算实现加密（明文用公钥指数加密）和解密（密文用私钥指数解密），确保只有持有私钥的一方能够解密数据。具体过程为：

密钥协商算法

通信双方通过密钥协商算法协商出一个临时会话密钥，可用于消息的对称加密，且连接断开时自动消失

RSA密钥协商算法

RSA密钥协商算法通过客户端生成一个随机值作为会话密钥，使用服务端公钥加密后传给服务端，服务端收到后再使用私钥进行解密

DH密钥协商算法

DH密钥协商算法 通过双方交换公开参数并利用各自的私钥计算，生成一个共享的密钥，而无需直接传输密钥本身

椭圆曲线密码学

ECC（Elliptic Curve Cryptography，椭圆曲线密码学）是一种基于椭圆曲线数学的公钥密码学方法，与RSA相比，它在相同安全性下使用更短的密钥，具有更高的效率 ECC可以结合公开密钥算法，如DH算法结合ECC可以组成ECDH，在ECC中，k就是私钥，g就是基点，kg基于公式运算最终得到公钥，通过公钥很难计算出私钥k

数字签名

私钥拥有者使用密钥签署一条消息，然后发送给任意的接收方，接收方使用私钥对应的公钥进行签名的验证

签名生成流程：

发送者对消息计算摘要值
发送者用私钥对摘要值进行签名得到签名值
发送者将原始消息和签名值一同发送给接收者

签名验证流程：

接收者接收到消息后，拆分出消息和消息签名值A
接收者使用公钥对消息进行运算得到摘要值B
接收者对摘要值B和签名值A进行比较，如果相同表示签名验证成功，否则就是验证失败

TLS

数字证书

公开密钥算法中，网络通信会存在中间人攻击，因此在TLS协议中需要引入PKI（Public Key Infrastructure）技术解决身份验证的问题，PKI是证书管理流程的集合体，其中以PKI X.509标准使用最为广泛，X.509证书即为符合PKI X.509标准的证书

根据PKI X.509标准，PKI主要组成为：

服务器实体：申请证书的实体，如某个域名
CA机构：证书签发机构
RA机构：注册机构，审核服务器实体
证书仓库：存放CA颁发的证书
证书校验方：校验证书真实性的软件，如浏览器

TLS 协议格式

TLS协议包括TLS记录层协议和TLS握手协议，记录层协议封装和处理所有上层子协议的消息，添加消息头，握手协议基于双方都认可的密码套件协商出密钥快，握手协议格式为：

-------------------------------------------------|----------------------------------------------
type(1 byte) | version(2 bytes) | length(2 bytes) | type(1 byte) | length(3 bytes) | content
------------------------------------------------- |----------------------------------------------
            记录层协议消息头                                  握手协议

记录层协议消息头中的type包括：

CHANGE_CIPHER_SPEC(0x14)
ALERT(0x15)
HANSHAKE(0x16)
APPLICATION_DATA(0x17)

握手协议中的type包括

CLIENT_HELLO(0x01)
SERVER_HELLO(0x02)
…

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