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TLS1.3 特性解析

TLS1.2 已经是 10 年前（2008 年）的“老”协议了，虽然历经考验，但毕竟“岁月不饶人”，在安全、性能等方面已经跟不上如今的互联网了。

于是经过四年、近 30 个草案的反复打磨，TLS1.3 终于在 2018 年“粉墨登场”，再次确立了信息安全领域的新标准。分析握手之前，我们先来快速浏览一下 TLS1.3 的三个主要改进目标：兼容、安全与性能。

最大化兼容性

由于 1.1、1.2 等协议已经出现了很多年，很多应用软件、中间代理（官方称为“MiddleBox”）只认老的记录协议格式，更新改造很困难，甚至是不可行（设备僵化）。

在早期的试验中发现，一旦变更了记录头字段里的版本号，也就是由 0x303（TLS1.2）改为 0x304（TLS1.3）的话，大量的代理服务器、网关都无法正确处理，最终导致 TLS 握手失败。

为了保证这些被广泛部署的“老设备”能够继续使用，避免新协议带来的“冲击”，TLS1.3 不得不做出妥协，保持现有的记录格式不变，通过“伪装”来实现兼容，使得 TLS1.3 看上去“像是”TLS1.2。

那么，该怎么区分 1.2 和 1.3 呢？

这要用到一个新的扩展协议（Extension Protocol），它有点“补充条款”的意思，通过在记录末尾添加一系列的“扩展字段”来增加新的功能，老版本的 TLS 不认识它可以直接忽略，这就实现了“后向兼容”。

在记录头的 Version 字段被兼容性“固定”的情况下，只要是 TLS1.3 协议，握手的“Hello”消息后面就必须有“supported_versions”扩展，它标记了 TLS 的版本号，使用它就能区分新旧协议。

其实上一篇文章 Chrome 在握手时发的就是 TLS1.3 协议，你可以看一下“Client Hello”消息后面的扩展，只是因为服务器不支持 1.3，所以就“后向兼容”降级成了 1.2。

Handshake Protocol: Client Hello
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Extension: supported_versions (len=11)
        Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
        Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)

TLS1.3 利用扩展实现了许多重要的功能，比如“supported_groups”“key_share”“signature_algorithms”“server_name”等，这些等后面用到的时候再说。

强化安全

TLS1.2 在十来年的应用中获得了许多宝贵的经验，陆续发现了很多的漏洞和加密算法的弱点，所以 TLS1.3 就在协议里修补了这些不安全因素。比如：

  • 伪随机数函数由 PRF 升级为 HKDF（HMAC-based Extract-and-Expand Key Derivation Function）；
  • 明确禁止在记录协议里使用压缩；
  • 废除了 RC4、DES 对称加密算法；
  • 废除了 ECB、CBC 等传统分组模式；
  • 废除了 MD5、SHA1、SHA-224 摘要算法；
  • 废除了 RSA、DH 密钥交换算法和许多命名曲线；

经过这一番删减之后，TLS1.3 里只保留了 AES、ChaCha20 对称加密算法，分组模式只能用 AEAD 的 GCM、CCM 和 Poly1305，摘要算法只能用 SHA256、SHA384，密钥交换算法只有 ECDHE 和 DHE，椭圆曲线也被“砍”到只剩 P-256 和 x25519 等 5 种。

算法精简后带来了一个意料之中的好处：原来众多的算法、参数组合导致密码套件非常复杂，难以选择，而现在的 TLS1.3 里只有 5 个套件，无论是客户端还是服务器都不会再犯“选择困难症”了。

secret.jpg

这里还要特别说一下废除 RSA 和 DH 密钥交换算法的原因。

浏览器默认会使用 ECDHE 而不是 RSA 做密钥交换，这是因为它不具有“前向安全”（Forward Secrecy）。

假设有这么一个很有耐心的黑客，一直在长期收集混合加密系统收发的所有报文。如果加密系统使用服务器证书里的 RSA 做密钥交换，一旦私钥泄露或被破解（使用社会工程学或者巨型计算机），那么黑客就能够使用私钥解密出之前所有报文的“Pre-Master”，再算出会话密钥，破解所有密文。

而 ECDHE 算法在每次握手时都会生成一对临时的公钥和私钥，每次通信的密钥对都是不同的，也就是“一次一密”，即使黑客花大力气破解了这一次的会话密钥，也只是这次通信被攻击，之前的历史消息不会受到影响，仍然是安全的。

所以现在主流的服务器和浏览器在握手阶段都已经不再使用 RSA，改用 ECDHE，而 TLS1.3 在协议里明确废除 RSA 和 DH 则在标准层面保证了“前向安全”。

提升性能

HTTPS 建立连接时除了要做 TCP 握手，还要做 TLS 握手，在 1.2 中会多花两个消息往返（2-RTT），可能导致几十毫秒甚至上百毫秒的延迟，在移动网络中延迟还会更严重。

现在因为密码套件大幅度简化，也就没有必要再像以前那样走复杂的协商流程了。TLS1.3 压缩了以前的“Hello”协商过程，删除了“Key Exchange”消息，把握手时间减少到了“1-RTT”，效率提高了一倍。

那么它是怎么做的呢？

其实具体的做法还是利用了扩展。客户端在“Client Hello”消息里直接用“supported_groups”带上支持的曲线，比如 P-256、x25519，用“key_share”带上曲线对应的客户端公钥参数，用“signature_algorithms”带上签名算法。

服务器收到后在这些扩展里选定一个曲线和参数，再用“key_share”扩展返回服务器这边的公钥参数，就实现了双方的密钥交换，后面的流程就和 1.2 基本一样了。

tls1.3.png)

除了标准的“1-RTT”握手，TLS1.3 还引入了“0-RTT”握手，用“pre_shared_key”和“early_data”扩展，在 TCP 连接后立即就建立安全连接发送加密消息，不过这需要有一些前提条件，今天暂且不说。

握手分析

目前 Nginx 等 Web 服务器都能够很好地支持 TLS1.3，但要求底层的 OpenSSL 必须是 1.1.1。

tls1.3_change.png)

在 TCP 建立连接之后，浏览器首先还是发一个“Client Hello”。

因为 1.3 的消息兼容 1.2，所以开头的版本号、支持的密码套件和随机数（Client Random）结构都是一样的（不过这时的随机数是 32 个字节）。

Handshake Protocol: Client Hello
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: cebeb6c05403654d66c2329…
    Cipher Suites (18 suites)
        Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
        Cipher Suite: TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0x1303)
        Cipher Suite: TLS_AES_256_GCM_SHA384 (0x1302)
    Extension: supported_versions (len=9)
        Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
        Supported Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Extension: supported_groups (len=14)
        Supported Groups (6 groups)
            Supported Group: x25519 (0x001d)
            Supported Group: secp256r1 (0x0017)
    Extension: key_share (len=107)
        Key Share extension
            Client Key Share Length: 105
            Key Share Entry: Group: x25519
            Key Share Entry: Group: secp256r1

注意“Client Hello”里的扩展，“supported_versions”表示这是 TLS1.3，“supported_groups”是支持的曲线，“key_share”是曲线对应的参数。

服务器收到“Client Hello”同样返回“Server Hello”消息，还是要给出一个随机数（Server Random）和选定密码套件。

Handshake Protocol: Server Hello
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: 12d2bce6568b063d3dee2…
    Cipher Suite: TLS_AES_128_GCM_SHA256 (0x1301)
    Extension: supported_versions (len=2)
        Supported Version: TLS 1.3 (0x0304)
    Extension: key_share (len=36)
        Key Share extension
            Key Share Entry: Group: x25519, Key Exchange length: 32

表面上看和 TLS1.2 是一样的，重点是后面的扩展。“supported_versions”里确认使用的是 TLS1.3，然后在“key_share”扩展带上曲线和对应的公钥参数。

这时只交换了两条消息，客户端和服务器就拿到了四个共享信息：Client Random 和 Server Random、Client Params 和 Server Params，两边就可以各自用 ECDHE 算出“Pre-Master”，再用 HKDF 生成主密钥“Master Secret”，效率比 TLS1.2 提高了一大截。

在算出主密钥后，服务器立刻发出“Change Cipher Spec”消息，比 TLS1.2 提早进入加密通信，后面的证书等就都是加密的了，减少了握手时的明文信息泄露。

这里 TLS1.3 还有一个安全强化措施，多了个“Certificate Verify”消息，用服务器的私钥把前面的曲线、套件、参数等握手数据加了签名，作用和“Finished”消息差不多。但由于是私钥签名，所以强化了身份认证和和防窜改。

这两个“Hello”消息之后，客户端验证服务器证书，再发“Finished”消息，就正式完成了握手，开始收发 HTTP 报文。

在 Chrome 的开发者工具里，可以看到这些网站的 TLS1.3 应用情况。

tls1.3_apply.png)

总结

  1. 为了兼容 1.1、1.2 等“老”协议，TLS1.3 会“伪装”成 TLS1.2，新特性在“扩展”里实现；
  2. 1.1、1.2 在实践中发现了很多安全隐患，所以 TLS1.3 大幅度删减了加密算法，只保留了 ECDHE、AES、ChaCha20、SHA-2 等极少数算法，强化了安全；
  3. TLS1.3 也简化了握手过程，完全握手只需要一个消息往返，提升了性能；

知识拓展

1. TLS1.3 里的密码套件没有指定密钥交换算法和签名算法，那么在握手的时候会不会有问题呢？

TLS1.3精简了加密算法，通过support_groups、key_share、signature_algorithms这些参数就能判断出密钥交换算法和签名算法，不用在cipher suite中协商了。

2. 结合上篇文章的 RSA 握手过程，解释一下为什么 RSA 密钥交换不具有“前向安全”。

RSA 握手中，Server Hello 后，客户端拿到服务器的证书，从中提取出服务器的公钥，然后用这个公钥去加密客户端生成的一个随机数（会话密钥）得到密文，然后将其返回给服务器。虽然每次 TLS 握手中的会话密钥都是不一样的，但服务器的私钥却始终不会变。一旦黑客拿到了服务器私钥，并且截获了之前的所有密文，就能拿到每次会话中的对称密钥，从而得到客户端和服务器的所有“历史会话记录”。
说到底，RSA 握手下，服务器私钥是不变的，从而导致不具有“前向安全”。而 ECDHE 的私钥却是动态的，黑客拿到了一个，也只能解密一个密文。

3. TLS1.3 的握手过程与 TLS1.2 的“False Start”有什么异同？

相同点：都在未收到 Finished 确认消息时就已经向对方发送加密信息。
不同点：TLS1.3 将 change cipher spec 合并到了 hello 中。