https原理及实践

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安全知识

网络安全问题

数据机密性

在网络传输数据信息时，对数据的加密是至关重要的，否则所有传输的数据都是可以随时被第三方看到，完全没有机密性可言。

数据机密性解决问题思路

利用算法

为了保证数据的机密性，首先可以采用的方法就是将数据通过相应算法，转换为其它的数据信息，然后再通过相应算法反推出真正的数据是什么，这样一来就保证了数据在网络传输过程中安全性，不会被其它人轻易的看到传输过程中的数据信息。数据加密前的信息称为明文数据(plaintext),经过加密算法转换后进行传输的信息称为密文数据(ciphertext)；反之经 过解密算法转换后，会将密文数据恢复为明文数据进行显示接收。

优点：实现了数据机密传输，避免了明文传输数据的危险性。

缺点：利用加密算法，将明文改密文，如果第三方获得加密算法，即可将传输密文再次变为明文。

利用对称加密算法解决机密性

普通算法虽然已经解决了明文数据的机密性，可以在网络传输过程中不被直接看到明文数据。 但是新的问题又产生了，既然明文数据是通过算法改变成了新的数据信息，如果第三方获得 了算法，利用算法也是可以将密文数据信息，再次转换为明文数据信息，因此出现了对称加 密算法。形象比喻来说：数据加密算法就好比是一本密码规则手册，而对称加密算法就是将手册放在了一个保险柜中进行了上锁传输，只有传递数据信息的双方知道打开保险柜的密码。

数据完整性

网络传输数据的完整性，也是安全领域中需要考虑的重要环节，如果不能保证传输数据的完整性，那传输过程中的数据就有可能被任何人所篡改，而传输数据双方又不能及早的进行发现。将会造成互连通讯双方所表达信息的意义完全不一致。因此，对于不完整的数据信息，接收方应该进行相应判断，如果完整性验证错误，就拒绝接受相应的数据。

数据完整性解决思路

利用单向加密算法

利用数据的单项加密算法（提取数据指纹），进行提取数据特征码的方式，从而完成数据传 输的完整性验证。实际的算法实现过程为：在一段明文数据信息后加上敎据信息的特征码， 这个特征码是通过结合数据信息进行相应算法获得的数据特征码，接收方当收到数据信息后， 会利用相同的加密算法对获取的数据进行加密，确认加密后得到的特征码是否与传送过来数 据后面描述的特征码一致；如果一致，可以表示数据没有被篡改过，如果不一致表示数据完 整性遭到了破坏，数据一概不予以接收处理。

利用单项加密算法（加密特征码）

由于可能存在中间人攻击的可能性，因此可以对传输过程中数据特征码进行加密，发送方利用对称密钥方式对手中的特征码进行加密，接收方会利用相同的密钥对手中的特征码进行解密，从而确认特征码是否一致。如果中间人将新的特征码也进行了加密，发送给接收方，但接收方无法利用和发送方协商好的解密密钥对特征码进行解密，最终无法识别中间人发送过来的数据特征码信息。

单项加密算法特征：

• 数据输入一样，特征码信息输出必然相同
• 雪崩效应，输入的微小改变，将造成输出的巨大改变
• 定长输出，无论源数据多大，但结果都是一样的
• 不可逆的，无论根据数据指纹，还原出原来的数据信息

单项加密算法常见的有：

• DH加密算法，主要用于密钥的协商交换
• MD4 MD5(128)
• SHA1(160) SHA(192) SHA(256) SHA(384)
• CRC-32(循环输出校验码），不是加密机制，只是一种校验机制，不提供安全性，正常加密算 法是不允许出现输入不一样，输出一样的情况，但CRC是可以有这样情况的，因为CRC只 是具有校验功能，不具有加密功能

非对称加密算法常见的有：

• RSA，RSA既是一个公司的名称，也是三个创始人的名称，RSA既可以加密又可以进行签名。
• DSA，只能实现数字签名功能
• ELGamal，属于商业化的加密算法

身份验证

网络中传输数据时，很有可能传输的双方是第一次建立连接，进行相互通讯，既然是第一次 见面沟通，如何确认对方的身份信息，的确是我要进行通讯的对象呢？如果不是正确的通讯 对象，在经过通讯后，岂不是将所有数据信息发送给了一个陌生人。

网络安全证书由来

获取公钥信息的证书

默认公钥在网络中进行传递时，默认情况下也是会出现问题的如下图所示：

对发送方的公钥信息进行公正步骤：(借助第三方安全机构）

• A和B端首先生成自己的公钥和私钥的密钥对，为了使对方能相佶自己的公钥信息。将自己的公钥信息告知给第三方发证机构，利用第三方机构对自己的公钥进行公证。第三方机构会制作一个数字证书（机构 编号 以及发证机构的戳）。并且第三方机构也要给自己设置—个合法的公钥和私钥，并且公钥设置为第三方机构的公钥证书。
• 发证机关计算出数字证书数据的特征码，并用自己的私钥逬行加密，并将加密的信息附加到特征码后成为数字签名。
• A和B两端获得公正过的证书信息，并通过证书信息传递，得到对方的公钥。
• A和B两端与第三方机构建立连接，获得第三方证书，通过第三方证书获得第三方公钥，利用第三方公钥只要能解密数字签名即可。

证书信息所包含内容

目前标准的证书存储格式是X509，还有其他的证书格式，需要包含的内容为：

• 公钥信息，以及证书过期时间
• 证书的合法拥有人信息
• 证书该如何被使用
• CA颁发机构信息
• CA签名的校验码

互联网上使用的SSL和TLS证书管理机制均使用X509的格式

OpenSSL软件介绍

Netscape网景公司生产了最初的浏览器，但为了提高浏览器访问页面的安全性，对TCP/IP模型进行了一定改进，在传输层与应用层之间，创建了一个3.5层的概念，称为SSL（（Secure Sockets Layer安全套接层））层，SSL不是一个软件，只是一个库，让应用层将数据传输到传输层前，调用了ssl层的功能对数据进行了加密，目前比较流行的版本是（SSLv2 V3），但是SSL是netscape公司进行定义的，不够开放性，因此为了使加密功能更加开放，TSL（传输层安全协议）协议就出现了，目前比较流行的版本是（TSLv1==ssl v3），TSL更像是传输层上实现的数据加密。

OpenSSL软件详细说明

1、获取OpenSSL软件的版本信息：

2、获取OpenSSL配置文件信息：

3、获取OpenSSL命令详细信息：

OpenSSL软件建立私有CA

创建私钥与公钥信息

需要先给ca证书颁发机构生成证书，即生成一对密钥；genrsa - generate an RSA private key利用genrsa生成密钥信息。虽然只是生成私钥，但需要清楚公钥是通过私钥进行提取得到的，所以只要有私钥，就可以有公钥。私钥信息是非常重要的，因此生成的私钥文件应该是600的权限

实操私钥与公钥建立

生成自签署的证书

ca颁发机构的私钥和证书是不能随便放置的，并且需要配置私有颁发机构的配置文件

[CA_default]模块参数说明：

参数	配置	官方配置说明	解释配置说明
dir	=/etc/pki/CA	#Where everthing is kept	创建并定义CA目录信息
certs	= $dir/certs	#Where the issued certs are kept	证书文件保存目录
crl_dir	= $dir/crl	#Where the issued crl are kept	证书吊销文件保存目录
database	= $dir/index.txt	# data index file	表示发过哪些证书，都要文件进 行记录
new_certs_dir	= $dir/newcerts	#default place for new certs	默认新证书的存放路径
certificate	= $dir/cacert.pem	#The CA certificate	定义CA机构自己的证书
serial	= $dir/serial	#The current serial number	表示证书对应的序列号，一般从 01开始
crinumber	= $dir/crinumber	#The current crl number	表示吊销证书对应的序列号
crl	= $dir/crl.pem	#The current CRL	表示当前证书吊销列表文件
private_key	= $dir/private/cakey.pem	#The private key	表示CA机构目身的私钥文件
RANDFILE	= $dir/private/.rand	#private random number file	私钥随机数文件，此文件会默认自己建立
在/etc/pki/CA的证书路径下，还需要有certs crl newcerts三个子目录信息

指定证书相关的有效期限配置：

参数	配置	官方配置说明	解释配置说明
default_days	= 365	#how long to certify for	定义证书的有效期限
default_crl_days	= 30	#how long before next CRL	默认证书放罝到吊销列表中的保存时间
default_md	= default	#use public key default MD	指定单向加密算法采用的是默认的

定义[req_distinguished_name]模块参数信息，即指定证书中的一些基本属性信息

参数	配置	举例配置	解释配置说明
countryName_default	=XX	= CN	默认的国家改为本地区域名称
stateOrProvinceName_default	= Default Province	= beijing	默认的省份名称改为本地区域名称
localityName_default	=Default City	= beijing	默认的城市名称改为本地区域名称
0.orgzanizationName_default	=Default Company Ltd	= o	默认的公司组织名称
organizationalUnitName_default	=	=ol	默认的公司部分名称

私有HTTPS实现

nginx配置文件

设置自动跳转https

每次都要输入https很烦，所以设置自动跳转

利用地址重写功能（方法1）

在原本的server模块上在加一个server：

说明：在https配置server基础上再添加http跳转server

利用error_page识别错误码信息进行跳转（方法2）

说明：497为内置错误码，当访问http无法处理，需要利用https处理时

利用反向代理服务器进行http到https跳转

修改地址池信息

将端口改为https的默认443端口

引用地址池时也要把http改成https

修改地址池调用信息

注意，负载上也要有key证书与私钥文件

定义http到https跳转配置信息

nginx中的ngx_http_ssl_module模块（https相关）

指令

ssl

为给定的虚拟服务器启用HTTPS协议。

ssl_buffer_size

默认情况下，缓冲区大小为16k，这对应于发送大响应时的最小开销。为了最小化第一个字节的时间，使用较小的值可能是有益的，例如：

ssl_ciphers

指定启用的密码。密码以OpenSSL库理解的格式指定，例如：

ssl_ciphers ALL：！aNULL：！EXPORT56：RC4 + RSA：+ HIGH：+ MEDIUM：+ LOW：+ SSLv2：+ EXP;

完整列表可以使用“ openssl ciphers”命令查看。

以前版本的nginx 默认使用不同的密码。

ssl_client_certificate

如果启用了ssl_stapling，则指定包含filePEM格式的可信CA证书，用于验证客户端证书和OCSP响应。

证书列表将被发送给客户。如果不需要，可以使用ssl_trusted_certificate指令。

ssl_crl

指定file用于验证客户端证书的PEM格式的撤销证书（CRL）。

ssl_dhparam

指定fileDHE密码的DH参数。

ssl_ecdh_curve

指定一个curve用于ECDHE密码。

当使用OpenSSL 1.0.2或更高版本时，可以指定多条曲线（1.11.0），例如：

特殊值auto（1.11.0）指示nginx在使用OpenSSL 1.0.2或更高prime256v1版本时使用OpenSSL库中内置的列表，或使用旧版本。

在版本1.11.0之前，prime256v1曲线是默认使用的。

ssl_password_file

指定file使用密码对密钥 ，其中每个密码都在单独的行中指定。加载密钥时会依次尝试密码。例：

ssl_prefer_server_ciphers

指定在使用SSLv3和TLS协议时，服务器密码应优先于客户端密码。

ssl_protocols

启用指定的协议。

TLSv1.1和TLSv1.2参数（1.1.13,1.0.12）仅在使用OpenSSL 1.0.1或更高版本时才起作用。

仅当使用支持TLSv1.3的OpenSSL 1.1.1时 ，TLSv1.3参数（1.13.0）才起作用。

ssl_session_cache

设置存储会话参数的高速缓存的类型和大小。缓存可以是以下任何一种类型：

off

严禁使用会话缓存：nginx明确告诉客户端会话可能不会被重用。

none

会话缓存的使用被轻轻地禁止：nginx告诉客户端会话可能被重用，但实际上不会将会话参数存储在缓存中。

builtin

建立在OpenSSL中的缓存; 仅由一个工作进程使用。缓存大小在会话中指定。如果没有给出大小，则等于20480个会话。内置缓存的使用可能导致内存碎片。

shared

所有工作进程之间共享的缓存。缓存大小以字节为单位指定; 一兆字节可以存储大约4000个会话。每个共享缓存都应该有一个任意的名字。具有相同名称的缓存可以在多个虚拟服务器中使用。

两种缓存类型都可以同时使用，例如：

注意：但只使用没有内置缓存的共享缓存应该更有效率。

ssl_session_ticket_key

file使用用于加密和解密TLS会话票据的密钥设置a。如果必须在多个服务器之间共享相同的密钥，则该指令是必需的。默认情况下，使用随机生成的密钥。

如果指定了多个密钥，则只使用第一个密钥来加密TLS会话票据。这允许配置密钥旋转，例如：

在file必须含有80或48个字节的随机数据，并且可以使用下面的命令创建：

根据文件大小，AES256（80字节密钥，1.11.8）或AES128（48字节密钥）用于加密。

ssl_session_tickets

通过TLS会话票据启用或禁用会话恢复。

ssl_session_timeout

指定客户端可以重新使用会话参数的时间。

ssl_stapling

启用或禁用 服务器对OCSP响应的装订。例：

要使OCSP装订工作，应该知道服务器证书颁发者的证书。如果ssl_certificate文件不包含中间证书，则服务器证书颁发者的证书应存在于ssl_trusted_certificate文件中。

对于OCSP响应者主机名的解析，也应指定解析器指令。

ssl_stapling_file

设置时，装订好的OCSP响应将取自指定的地址，file而不是查询服务器证书中指定的OCSP响应者。

该文件应该是由“openssl ocsp”命令产生的DER格式。

ssl_stapling_responder

覆盖“ 授权信息访问 ”证书扩展中指定的OCSP响应者的URL 。

仅http://支持“ ”OCSP响应者：

启用或禁用服务器验证OCSP响应。

要使验证生效，应使用ssl_trusted_certificate指令将服务器证书颁发者，根证书和所有中间证书的证书配置为可信。

ssl_trusted_certificate

如果启用了ssl_stapling，则 指定包含filePEM格式的可信CA证书，用于验证客户端证书和OCSP响应。

与由ssl_client_certificate设置的证书相比，这些证书的列表不会被发送到客户端。

ssl_verify_client

启用客户端证书的验证。验证结果存储在 $ ssl_client_verify变量中。

的optional参数（0.8.7+）请求的客户端证书，并验证它证书是否存在。

该optional_no_ca参数（1.3.8，1.2.5）要求客户端证书，但不要求它由受信任的CA证书进行签名。这适用于nginx外部的服务执行实际证书验证的情况。证书的内容可以通过$ ssl_client_cert变量访问。

ssl_verify_depth

设置客户端证书链中的验证深度。

错误处理

该ngx_http_ssl_module模块支持使用error_page指令可以用于重定向的几个非标准错误代码 ：

重定向发生后，该请求被完全解析和变量，如$request_uri， $uri，$args等人，都可用。

嵌入式变量

该ngx_http_ssl_module模块支持多个嵌入式变量：

$ssl_cipher

返回用于建立的SSL连接的密码字符串；

$ssl_ciphers

返回客户端支持的密码列表（1.11.7）。已知的密码按名称列出，未知以十六进制显示，例如：

注意：只有在使用OpenSSL版本1.0.2或更高版本时才支持该变量。对于旧版本，该变量仅适用于新会话，并只列出已知密码。

$ssl_client_escaped_cert

以建立的SSL连接（1.13.5）返回PEM格式的客户端证书（urlencoded）；

$ssl_client_cert

以建立的SSL连接的PEM格式返回客户端证书，除第一行之外的每一行都加上制表符；这是为了在 proxy_set_header指令中使用;

注意：该变量已被弃用，$ssl_client_escaped_cert应该使用该变量。

$ssl_client_fingerprint

为建立的SSL连接（1.7.1）返回客户端证书的SHA1指纹；

$ssl_client_i_dn

根据RFC 2253（1.11.6），为建立的SSL连接返回客户端证书的“颁发者DN”字符串；

$ssl_client_i_dn_legacy

为建立的SSL连接返回客户端证书的“颁发者DN”字符串;

说明：在版本1.11.6之前，变量名是$ssl_client_i_dn。

$ssl_client_raw_cert

以建立的SSL连接的PEM格式返回客户端证书;

$ssl_client_s_dn

根据RFC 2253（1.11.6），为建立的SSL连接返回客户端证书的“主题DN”字符串；

$ssl_client_s_dn_legacy

为建立的SSL连接返回客户端证书的“主题DN”字符串;

说明：在版本1.11.6之前，变量名是$ssl_client_s_dn。

$ssl_client_serial

为建立的SSL连接返回客户端证书的序列号;

$ssl_client_v_end

返回客户端证书的结束日期（1.11.7）;

$ssl_client_v_remain

返回客户端证书过期的天数（1.11.7）;

$ssl_client_v_start

返回客户端证书的开始日期（1.11.7）;

$ssl_client_verify

如果证书不存在，则 返回客户端证书验证的结果：“ SUCCESS”，“ FAILED:reason”和“ NONE”;

说明：在版本1.11.7之前，“ FAILED”结果不包含reason字符串。

$ssl_curves

返回客户端支持的曲线列表（1.11.7）。已知曲线按名称列出，未知以十六进制显示，例如：

注意：只有在使用OpenSSL版本1.0.2或更高版本时才支持该变量。对于旧版本，变量值将是一个空字符串。该变量仅适用于新会话。

$ssl_protocol

返回建立的SSL连接的协议;

$ssl_server_name

通过SNI （1.7.0）返回请求的服务器名称 ;

$ssl_session_id

返回建立的SSL连接的会话标识符;

$ssl_session_reused

如果SSL会话被重用，则 返回“ ”;否则返回“ ” .（1.5.11）。