传输层加密协议 —TLS

传输层安全性( TLS ) 是一种加密协议，旨在为计算机网络上的通信提供安全保障。该协议广泛应用于电子邮件、即时消息和IP 语音等应用中，但其在保护HTTPS 方面的应用最为广泛。

TLS 协议的主要目的是通过使用加密技术（例如使用证书）在两个或多个通信计算机应用程序之间提供安全性，包括隐私性（机密性）、完整性和真实性。它在表示层运行，本身由两层组成：TLS 记录和 TLS握手协议。

与之密切相关的数据报传输层安全性( DTLS ) 是一种通信协议，可为基于数据报的应用程序提供安全性。在技术写作中，当“( D ) TLS ”适用于两个版本时，通常会提到它。

描述

客户端-服务器应用程序使用 TLS协议以一种旨在防止窃听和篡改的方式通过网络进行通信。

由于应用程序可以使用或不使用 TLS（或 SSL）进行通信，因此客户端必须请求服务器建立 TLS 连接。实现此目的的主要方法之一是使用不同的端口号进行 TLS 连接。端口 80 通常用于未加密的HTTP流量，而端口 443 是用于加密HTTPS流量的常用端口。另一种机制是向服务器发出特定于协议的STARTTLS请求，以将连接切换到 TLS - 例如，在使用邮件和新闻协议时。

一旦客户端和服务器同意使用 TLS，它们就会使用握手程序协商有状态连接。协议使用非对称密码握手来建立密码设置，以及会话特定的共享密钥，使用对称密码对进一步的通信进行加密。在此握手过程中，客户端和服务器就用于建立连接安全性的各种参数达成一致：

• 当客户端连接到启用 TLS 的服务器并请求安全连接时，握手开始，并且客户端提供支持的密码套件（密码和哈希函数）列表。
• 从此列表中，服务器选择它也支持的密码和哈希函数，并将该决定通知客户端。
• 然后，服务器通常会以数字证书的形式提供身份证明。证书包含服务器名称、保证证书真实性的受信任证书颁发机构(CA) 以及服务器的公共加密密钥。
• 客户端在继续之前确认证书的有效性。
• 要生成用于安全连接的会话密钥，客户端可以执行以下操作之一：
  • 使用服务器的公钥加密一个随机数，并将结果发送给服务器（只有服务器才能使用其私钥解密）；然后双方使用该随机数生成唯一的会话密钥，用于会话期间的后续数据加密和解密，或者
  • 使用Diffie-Hellman 密钥交换安全地生成一个随机且唯一的会话密钥，用于加密和解密，该密钥具有前向保密的附加属性：如果服务器的私钥将来被泄露，则它不能用于解密当前会话，即使该会话被第三方拦截和记录。

这样就结束了握手并开始建立安全连接，该连接使用会话密钥进行加密和解密，直到连接关闭。如果上述任何一个步骤失败，则 TLS 握手失败，并且不会创建连接。

TLS 和 SSL 不能简单地归入OSI 模型或TCP/IP 模型中的任何单个层。TLS 运行于“某些可靠的传输协议（ TCP）之上”，这意味着它位于传输层之上。它为更高层提供加密，这通常是表示层的功能。但是，应用程序通常将 TLS 用作传输层，即使使用 TLS 的应用程序必须主动控制发起 TLS 握手和处理交换的身份验证证书。

当受 TLS 保护时，客户端和服务器之间的连接将具有以下所有属性： 

• 该连接是私密的（或具有保密性），因为使用对称密钥算法来加密传输的数据。此对称加密的密钥是针对每个连接唯一生成的，并且基于在会话开始时协商的共享密钥。在传输第一个字节的数据之前，服务器和客户端会协商使用哪种加密算法和加密密钥的详细信息（见下文）。共享密钥的协商既安全（协商的密钥对窃听者不可用，也无法获得，即使是将自己置于连接中间的攻击者也无法获得），又可靠（没有攻击者可以在协商期间修改通信而不被发现）。
• 可以使用公钥加密技术来验证通信双方的身份。此验证对于服务器来说是必需的，对于客户端来说是可选的。
• 该连接是可靠的（或具有完整性），因为传输的每条消息都包括使用消息认证码进行的消息完整性检查，以防止在传输过程中发生未检测到的数据丢失或更改。

TLS 支持多种不同的方法来交换密钥、加密数据和验证消息完整性。因此，TLS 的安全配置涉及许多可配置参数，并且并非所有选项都提供上面列表中描述的所有隐私相关属性。

有人试图破坏 TLS 试图提供的通信安全性，并且该协议已多次修订以应对这些安全威胁。在发现潜在的安全漏洞后，网络浏览器开发人员已多次修改其产品以防御这些漏洞。

（SSL 和 TLS 协议）

由于 DTLS 协议数据报保留了底层传输（应用程序）的语义，因此它不会受到与流协议相关的延迟的影响，但是应用程序必须处理数据包重新排序、数据报丢失以及大于数据报网络数据包大小的数据。由于 DTLS 使用 UDP 或 SCTP 而不是 TCP，因此在用于创建 VPN 隧道时， 它避免了TCP 崩溃问题。

2006 年最初发布的 DTLS 1.0 版并不是一份独立文档。它是作为 TLS 1.1 的一系列增量版本发布的。[ 11 ]同样，2012 年发布的后续 DTLS 是 TLS 1.2 的增量版本。它被赋予了 DTLS 1.2 的版本号以匹配其 TLS 版本。最后，2022 年的 DTLS 1.3 是 TLS 1.3 的增量版本。与之前的两个版本一样，DTLS 1.3 旨在提供“与 TLS 1.3 相当的安全保证，但顺序保护/不可重放性除外”。

许多VPN 客户端（包括Cisco AnyConnect 和 InterCloud Fabric、 OpenConnect、ZScaler隧道、F5 Networks Edge VPN Client、和 Citrix Systems NetScaler）都使用 DTLS 来保护 UDP 流量。此外，所有现代 Web 浏览器都支持用于WebRTC的 DTLS-SRTP 。