4.1 Web验证机制实现技术——SSL身份验证

前面已经提到过了，Web应用程序常见的验证方式有基于HTML表单的验证，口令卡或者硬件key，或者SSL证书等，但是到目前为止，Web应用程序中最受青睐的验证机制还是基于SSL机制的验证。SSL身份验证凭借着其安全性能高、支持各种应用层协议、部署简单等优势，成为验证机制的主流技术。

4.1.1 SSL身份验证产生背景

基于万维网的电子商务和网上银行等新兴应用，极大地方便了人们的日常生活，受到人们的青睐。由于这些应用都需要在网络上进行在线交易，它们对网络通信的安全性提出了更高的要求。传统的万维网协议HTTP不具备安全机制——采用明文的形式传输数据、不能验证通信双方的身份、无法防止传输的数据被篡改等，导致HTTP无法满足电子商务和网上银行等应用的安全性要求。

Netscape公司提出的安全协议SSL，利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，为网络上数据的传输提供安全性保证。SSL可以为HTTP提供安全连接，从而很大程度上改善了万维网的安全性问题。

采用了SSL验证机制的Web应用程序，项目的管理和分配的成本会变得比一般程序要高，但SSL验证机制凭借着以下优点，仍然获得了大部分应用程序的青睐。

（1）提供较高的安全性保证。

SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制，保证网络上数据传输的安全性。

（2）支持各种应用层协议。

虽然SSL设计的初衷是解决万维网安全性问题，但是由于SSL位于应用层和传输层之间，它可以为任何基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。

（3）部署简单。

目前SSL已经成为网络中用来鉴别网站和网页浏览者身份，在浏览器使用者及Web服务器之间进行加密通信的全球化标准。SSL协议已被集成到大部分的浏览器中，如IE、Netscape、Firefox等，这就意味着几乎任意一台装有浏览器的计算机都支持SSL连接，不需要安装额外的客户端软件。

4.1.2 SSL身份验证协议安全机制

SSL协议实现的安全机制主要包括三点，分别为数据传输的机密性、身份验证机制和消息完整性验证。

1．数据传输的机密性

数据传输的机密性主要是指利用对称密钥算法对传输的数据进行加密。

网络上传输的数据很容易被非法用户窃取，SSL采用在通信双方之间建立加密通道的方法保证数据传输的机密性。

所谓加密通道是指发送方在发送数据前，使用加密算法和加密密钥对数据进行加密，然后将数据发送给对方；接收方接收到数据后，利用解密算法和解密密钥从密文中获取明文。没有解密密钥的第三方，无法将密文恢复为明文，从而保证数据传输的机密性。

加、解密算法分为两类。

（1）对称密钥算法。数据加密和解密时使用相同的密钥。

（2）非对称密钥算法。数据加密和解密时使用不同的密钥，一个是公开的公钥，一个是由用户秘密保存的私钥。利用公钥（或私钥）加密的数据只能用相应的私钥（或公钥）才能解密。

与非对称密钥算法相比，对称密钥算法具有计算速度快的优点，通常用于对大量信息进行加密（如对所有报文加密）；而非对称密钥算法，一般用于数字签名和对较少的信息进行加密。

SSL加密通道上的数据加、解密使用对称密钥算法，目前主要支持的算法有DES、3DES、AES等，这些算法都可以有效地防止交互数据被破解。

对称密钥算法要求解密密钥和加密密钥完全一致。因此，利用对称密钥算法加密传输数据之前，需要在通信两端部署相同的密钥。对称密钥的部署方法请参考下文。

2．身份验证机制

身份验证机制是指基于证书利用数字签名方法对服务器和客户端进行身份验证，其中客户端的身份验证是可选的。

电子商务和网上银行等应用中必须保证要登录的Web服务器是真实的，以免重要信息被非法窃取。SSL利用数字签名来验证通信对端的身份。

非对称密钥算法可以用来实现数字签名。由于通过私钥加密后的数据只能利用对应的公钥进行解密，因此根据解密是否成功，就可以判断发送者的身份，如同发送者对数据进行了“签名”。例如，Alice使用自己的私钥对一段固定的信息加密后发给Bob, Bob利用Alice的公钥解密，如果解密结果与固定信息相同，那么就能够确认信息的发送者为Alice，这个过程就称为数字签名。

SSL客户端必须验证SSL服务器的身份，SSL服务器是否验证SSL客户端的身份则由SSL服务器决定。SSL客户端和SSL服务器的身份验证过程，请参考下文。

使用数字签名验证身份时，需要确保被验证者的公钥是真实的，否则，非法用户可能会冒充被验证者与验证者通信。如图4-1所示，Cindy冒充Bob，将自己的公钥发给Alice，并利用自己的私钥计算出签名发送给Alice, Alice利用“Bob”的公钥（实际上为Cindy的公钥）成功验证该签名，则Alice认为Bob的身份验证成功，而实际上与Alice通信的是冒充Bob的Cindy。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性，详细介绍请参考下文。

3．消息完整性验证

消息完整性验证是指消息传输过程中使用MAC算法来检验消息的完整性。

为了避免网络中传输的数据被非法篡改，SSL利用基于MD5或SHA的MAC算法来保证消息的完整性。

MAC算法是在密钥参与下的数据摘要算法，能将密钥和任意长度的数据转换为固定长度的数据。利用MAC算法验证消息完整性的过程如图4-2所示。发送者在密钥的参与下，利用MAC算法计算出消息的MAC值，并将其加在消息之后发送给接收者。接收者利用同样的密钥和MAC算法计算出消息的MAC值，并与接收到的MAC值比较。如果二者相同，则报文没有改变；否则，报文在传输过程中被修改，接收者将丢弃该报文。

MAC算法具有以下特征，使其能够用来验证消息的完整性。

（1）消息的任何改变都会引起输出的固定长度数据产生变化。通过比较MAC值，可以保证接收者能够发现消息的改变。

（2）MAC算法需要密钥的参与，因此没有密钥的非法用户在改变消息的内容后，无法添加正确的MAC值，从而保证非法用户无法随意修改消息内容。

MAC算法要求通信双方具有相同的密钥，否则MAC值验证将会失败。因此，利用MAC算法验证消息完整性之前，需要在通信两端部署相同的密钥。MAC密钥的部署方法请参考下文。

4.1.3 利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全

对称密钥算法和MAC算法要求通信双方具有相同的密钥，否则解密或MAC值验证将失败。因此，要建立加密通道或验证消息完整性，必须先在通信双方部署一致的密钥。

SSL利用非对称密钥算法加密密钥的方法实现密钥交换，保证第三方无法获取该密钥。如图4-3所示，SSL客户端（如Web浏览器）利用SSL服务器（如Web服务器）的公钥加密密钥，将加密后的密钥发送给SSL服务器，只有拥有对应私钥的SSL服务器才能从密文中获取原始的密钥。SSL通常采用RSA算法加密传输密钥。

（1）实际上，SSL客户端发送给SSL服务器的密钥不能直接用来加密数据或计算MAC值，该密钥是用来计算对称密钥和MAC密钥的信息，称为premaster secret。SSL客户端和SSL服务器利用premaster secret计算出相同的主密钥（master secret），再利用master secret生成用于对称密钥算法、MAC算法等的密钥。premaster secret是计算对称密钥、MAC算法密钥的关键。

（2）用来实现密钥交换的算法称为密钥交换算法。非对称密钥算法RSA用于密钥交换时，也可以称之为密钥交换算法。

4.1.4 利用PKI保证公钥的真实性

PKI通过数字证书来发布用户的公钥，并提供了验证公钥真实性的机制。数字证书（简称证书）是一个包含用户的公钥及其身份信息的文件，证明了用户与公钥的关联。数字证书由权威机构——CA签发，并由CA保证数字证书的真实性。

SSL客户端把密钥加密传递给SSL服务器之前，SSL服务器需要将从CA获取的证书发送给SSL客户端，SSL客户端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器，则利用该证书中的公钥加密密钥，发送给SSL服务器。

验证SSL服务器/SSL客户端的身份之前，SSL服务器/SSL客户端需要将从CA获取的证书发送给对端，对端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器/SSL客户端，则对端利用该证书中的公钥验证SSL服务器/SSL客户端的身份。

4.1.5 SSL验证协议工作过程

1．SSL的分层结构

如图4-4所示，SSL位于应用层和传输层之间，它可以为任何基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。SSL协议本身分为两层：

上层为SSL握手协议（SSL handshake protocol）、SSL密码变化协议（SSL change cipher spec protocol）和SSL警告协议（SSL alert protocol）。底层为SSL记录协议（SSL record protocol）。

（1）SSL握手协议：是SSL协议非常重要的组成部分，用来协商通信过程中使用的加密套件（加密算法、密钥交换算法和MAC算法等）、在服务器和客户端之间安全地交换密钥、实现服务器和客户端的身份验证。

（2）SSL密码变化协议：客户端和服务器端通过密码变化协议通知对端，随后的报文都将使用新协商的加密套件和密钥进行保护和传输。

（3）SSL警告协议：用来向通信对端报告警告信息，消息中包含警告的严重级别和描述。

（4）SSL记录协议：主要负责对上层的数据（SSL握手协议、SSL密码变化协议、SSL警告协议和应用层协议报文）进行分块、计算并添加MAC值、加密，并把处理后的记录块传输给对端。

2．SSL握手过程

SSL通过握手过程在客户端和服务器之间协商会话参数，并建立会话。会话包含的主要参数有会话ID、对方的证书、加密套件（密钥交换算法、数据加密算法和MAC算法等）以及主密钥（master secret）。通过SSL会话传输的数据，都将采用该会话的主密钥和加密套件进行加密、计算MAC等处理。

不同情况下，SSL握手过程存在差异。下面将分别描述三种情况下的握手过程。

（1）只验证服务器的SSL握手过程。

如图4-5所示，只需要验证SSL服务器身份，不需要验证SSL客户端身份时，SSL的握手过程如下。

① SSL客户端通过Client Hello消息将它支持的SSL版本、加密算法、密钥交换算法、MAC算法等信息发送给SSL服务器。

② SSL服务器确定本次通信采用的SSL版本和加密套件，并通过Server Hello消息通知给SSL客户端。如果SSL服务器允许SSL客户端在以后的通信中重用本次会话，则SSL服务器会为本次会话分配会话ID，并通过Server Hello消息发送给SSL客户端。

③ SSL服务器将携带自己公钥信息的数字证书通过Certificate消息发送给SSL客户端。

④ SSL服务器发送Server Hello Done消息，通知SSL客户端版本和加密套件协商结束，开始进行密钥交换。

⑤ SSL客户端验证SSL服务器的证书合法后，利用证书中的公钥加密SSL客户端随机生成的premaster secret，并通过Client Key Exchange消息发送给SSL服务器。

⑥ SSL客户端发送Change Cipher Spec消息，通知SSL服务器后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。

⑦ SSL客户端计算已交互的握手消息（除Change Cipher Spec消息外所有已交互的消息）的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSL服务器。SSL服务器利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。

⑧ 同样地，SSL服务器发送Change Cipher Spec消息，通知SSL客户端后续报文将采用协商好的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。

⑨ SSL服务器计算已交互的握手消息的Hash值，利用协商好的密钥和加密套件处理Hash值（计算并添加MAC值、加密等），并通过Finished消息发送给SSL客户端。SSL客户端利用同样的方法计算已交互的握手消息的Hash值，并与Finished消息的解密结果比较，如果二者相同，且MAC值验证成功，则证明密钥和加密套件协商成功。

SSL客户端接收到SSL服务器发送的Finished消息后，如果解密成功，则可以判断SSL服务器是数字证书的拥有者，即SSL服务器身份验证成功，因为只有拥有私钥的SSL服务器才能从Client Key Exchange消息中解密得到premaster secret，从而间接地实现了SSL客户端对SSL服务器的身份验证。

（2）验证服务器和客户端的SSL握手过程。

SSL客户端的身份验证是可选的，由SSL服务器决定是否验证SSL客户端的身份。如图4-6所示，如果SSL服务器验证SSL客户端身份，则SSL服务器和SSL客户端除了交互“SSL握手过程”中的消息协商密钥和加密套件外，还需要进行以下操作。

① SSL服务器发送Certificate Request消息，请求SSL客户端将其证书发送给SSL服务器。

② SSL客户端通过Certificate消息将携带自己公钥的证书发送给SSL服务器。SSL服务器验证该证书的合法性。

③ SSL客户端计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值，利用自己的私钥对其进行加密，并通过Certificate Verify消息发送给SSL服务器。

④ SSL服务器计算已交互的握手消息、主密钥的Hash值，利用SSL客户端证书中的公钥解密Certificate Verify消息，并将解密结果与计算出的Hash值比较。如果二者相同，则SSL客户端身份验证成功。

（3）恢复原有会话的SSL握手过程。

协商会话参数、建立会话的过程中，需要使用非对称密钥算法来加密密钥、验证通信对端的身份，计算量较大，占用了大量的系统资源。如图4-7所示，为了简化SSL握手过程，SSL允许重用已经协商过的会话，具体过程如下。

① SSL客户端发送Client Hello消息，消息中的会话ID设置为计划重用的会 话的ID。

② SSL服务器如果允许重用该会话，则通过在Server Hello消息中设置相同的会话ID来应答。这样，SSL客户端和SSL服务器就可以利用原有会话的密钥和加密套件，不必重新协商。

③ SSL客户端发送Change Cipher Spec消息，通知SSL服务器后续报文将采用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。

④ SSL客户端计算已交互的握手消息的Hash值，利用原有会话的密钥和加密套件处理Hash值，并通过Finished消息发送给SSL服务器，以便SSL服务器判断密钥和加密套件是否正确。

⑤ 同样地，SSL服务器发送Change Cipher Spec消息，通知SSL客户端后续报文将采用原有会话的密钥和加密套件进行加密和MAC计算。

⑥ SSL服务器计算已交互的握手消息的Hash值，利用原有会话的密钥和加密套件处理Hash值，并通过Finished消息发送给SSL客户端，以便SSL客户端判断密钥和加密套件是否正确。

4.1.6 Web应用程序应用SSL验证机制

1．HTTPS

HTTPS是基于SSL安全连接的HTTP协议。HTTPS通过SSL提供的数据加密、身份验证和消息完整性验证等安全机制，为Web访问提供了安全性保证，广泛应用于网上银行、电子商务等领域。

图4-8为HTTPS在网上银行中的应用。某银行为了方便客户，提供了网上银行业务，客户可以通过访问银行的W eb服务器进行账户查询、转账等。通过在客户和银行的Web服务器之间建立SSL连接，可以保证客户的信息不被非法窃取。

2．SSL VPN

SSL VPN是以SSL为基础的VPN技术，利用SSL提供的安全机制，为用户远程访问公司内部网络提供了安全保证。如图4-9所示，SSL VPN通过在远程接入用户和SSL VPN网关之间建立SSL安全连接，允许用户通过各种Web浏览器，各种网络接入方式，在任何地方远程访问企业网络资源，并能够保证企业网络的安全，保护企业内部信息不被窃取。