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【软考备考】安全协议：SSL/TLS, IPSec 详解

news 2025/10/21 8:29:56

第一部分：SSL/TLS 协议详解

SSL和TLS是同一个协议的不同版本。SSL由网景公司开发，TLS是IETF标准化的后续版本。我们现在使用的实际上都是TLS，但习惯上仍常称之为SSL。

1. 基本定位与特点

定位：应用层安全协议，工作在传输层（TCP）之上，应用层（HTTP, FTP, SMTP等）之下。
设计目标：为两个应用（如Web浏览器和服务器）之间提供端到端的加密、身份验证和数据完整性服务。
典型应用：
- HTTPS = HTTP + SSL/TLS （最经典的例子，端口443）
- SMTPS, FTPS, 等等。

2. 协议组成

TLS协议主要由两层组成：

TLS记录协议：
- 位置：底层。
- 功能：负责对上层数据进行分块、压缩（已禁用）、计算消息认证码、加密，然后通过传输层发送。接收方则执行解密、验证、解压缩和重组。
- 提供：机密性（通过加密）和完整性（通过MAC）。
TLS握手协议：
- 位置：在记录协议之上。
- 功能：在数据传输开始前，双方进行身份验证、协商加密算法、交换密钥。这是整个协议最复杂和核心的部分。
- 提供：身份认证和安全参数协商。

3. 工作流程（以RSA密钥交换为例）

一次完整的TLS握手过程如下图所示，它通过一系列“握手”消息来建立安全连接：

详细步骤解读：

ClientHello：客户端向服务器发起连接，发送支持的TLS版本、支持的密码套件列表（如 TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256）和一个客户端随机数。
ServerHello：服务器回应，确定要使用的TLS版本、密码套件，并生成一个服务器随机数。
Certificate：服务器将自己的数字证书发送给客户端，证书中包含服务器的公钥和身份信息，由CA（证书颁发机构）签名。
ServerKeyExchange：如果选择的密码套件需要（如DHE/ECDHE），服务器会发送自己的临时公钥参数。
CertificateRequest：可选步骤，如果服务器需要验证客户端身份（如网银系统）。
ServerHelloDone：服务器表示Hello阶段结束。
客户端验证与响应：
- 客户端验证服务器证书的有效性（是否可信、是否在有效期内、域名是否匹配等）。
- ClientKeyExchange：客户端生成一个预主密钥，并使用服务器证书中的公钥进行加密（RSA方式），发送给服务器。如果是DHE/ECDHE，则发送客户端的临时公钥参数。
- 此时，客户端和服务器都拥有了两个随机数（Client Random, Server Random）和预主密钥（或通过DH算法交换出的共享密钥），它们使用相同的算法生成最终的主密钥和会话密钥。
ChangeCipherSpec：客户端通知服务器，“之后的通信将使用协商好的密钥和算法进行加密”。
Finished：客户端发送一条加密的握手完成消息，包含之前所有握手消息的摘要，供服务器验证。
服务器同样发送 ChangeCipherSpec 和 Finished 消息。
安全通道建立：至此，握手完成，双方开始使用对称加密密钥进行安全的应用程序数据传输。

4. 软考考点

端口号：HTTPS默认使用443。
协议层次：属于传输层与应用层之间的安全协议。
握手过程：能详细描述每一步的作用（特别是随机数、证书、密钥交换的目的）。
密码套件：理解其命名规则，如 TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 表示：
- TLS：协议
- ECDHE：密钥交换算法
- RSA：身份认证算法
- AES_128_GCM：对称加密算法和模式
- SHA256：用于生成MAC的哈希算法
与IPSec的区别（见下文总结）。

第二部分：IPSec 协议详解

1. 基本定位与特点

定位：网络层安全协议，工作在网络层（IP层）。
设计目标：为IP数据包提供端到端或站点到站点的安全服务。它对上层应用是透明的，应用程序无需任何修改即可获得安全保护。
典型应用：
- VPN：最典型的应用，构建安全的远程访问或站点间连接。
- 安全地连接分支机构。
- 为IPv6提供原生安全支持。

2. 协议组成

IPSec不是一个单一的协议，而是一个协议套件，主要由三部分组成：

认证头：
- 功能：为IP数据包提供无连接完整性、数据源认证和防重放攻击保护。
- 特点：不提供加密，所以数据是明文的。协议号为51。
- 数据结构：包含在IP头和传输层头之间。
封装安全载荷：
- 功能：提供机密性、数据源认证、无连接完整性和防重放攻击保护。
- 特点：功能比AH更全面，是IPSec中最常用的协议。协议号为50。
- 数据结构：将原始的IP数据包（传输层模式）或整个IP包（隧道模式）进行加密和封装。
Internet密钥交换：
- 功能：用于双方动态地建立安全关联、协商加密算法、哈希算法、密钥交换以及相互进行身份验证。
- 组成：由 ISAKMP 框架、Oakley 密钥确定模式和 SKEME 验证方式组合而成。
- 工作阶段：
  - 第一阶段：建立一条安全的、经过认证的管理通道（ISAKMP SA）。可以使用主模式或积极模式。
  - 第二阶段：在第一阶段建立的SA保护下，协商用于实际数据传输的IPSec SA。通常使用快速模式。

3. 工作模式

传输模式：
- 保护对象：主要保护传输层载荷（如TCP、UDP数据）。
- 数据封装：IP头 + (AH/ESP头) + 传输层头 + 数据。
- 应用场景：端到端的通信，例如两台主机之间的安全通信。
隧道模式：
- 保护对象：保护整个原始IP数据包。
- 数据封装：新的IP头 + (AH/ESP头) + 原始IP头 + 传输层头 + 数据。
- 应用场景：站点到站点的VPN，或主机到网关的远程访问VPN。数据在公网上传输时，原始的源和目的IP地址被隐藏。

4. 软考考点

协议组成：AH和ESP的区别（是否加密）、IKE的作用。
工作模式：传输模式与隧道模式的区别、封装方式、应用场景。
SA：安全关联的概念，它是IPSec的基础，是单向的，包含目标IP、SPI、安全协议等。
典型应用：VPN。
与SSL/TLS的区别（见下文总结）。

第三部分：SSL/TLS 与 IPSec 核心对比总结

特性	SSL/TLS	IPSec
协议层次	应用层与传输层之间	网络层
透明性	对应用程序不透明，应用需要主动调用（如使用HTTPS）	对上层应用程序透明，应用无需感知
保护范围	保护特定应用流量	保护所有IP数据包
部署方式	通常在端系统（客户端、服务器）上实现	可在端系统或安全网关（路由器、防火墙）上实现
主要应用	Web安全（HTTPS）、安全邮件、特定应用安全	VPN、站点间安全、IPv6安全
网络地址	不隐藏原始IP地址	在隧道模式下可以隐藏原始IP地址
配置复杂度	相对简单，特别是对于Web应用	相对复杂，涉及操作系统或网络设备配置