27 更好更快的握手：TLS1.3特性解析

上一讲中我讲了TLS1.2的握手过程，你是不是已经完全掌握了呢？

不过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终于在去年（2018年）“粉墨登场”，再次确立了信息安全领域的新标准。

在抓包分析握手之前，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。

其实上一讲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“减肥瘦身”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。

减肥可以让人变得更轻巧灵活，TLS也是这样。

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。

这里还要特别说一下废除RSA和DH密钥交换算法的原因。

上一讲用Wireshark抓包时你一定看到了，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。

这就是所谓的“今日截获，明日破解”。

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。

我为1.3的握手过程画了一张图，你可以对比1.2看看区别在哪里。

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，而我们实验环境里用的OpenSSL是1.1.0，所以暂时无法直接测试TLS1.3。

不过我在Linux上用OpenSSL1.1.1编译了一个支持TLS1.3的Nginx，用Wireshark抓包存到了GitHub上，用它就可以分析TLS1.3的握手过程。

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。

这就好像是说：

“还是照老规矩打招呼，这边有这些这些信息。但我猜你可能会升级，所以再多给你一些东西，也许后面用的上，咱们有话尽量一口气说完。”

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。

服务器的“Hello”消息大概是这个意思：

“还真让你给猜对了，虽然还是按老规矩打招呼，但咱们来个‘旧瓶装新酒’。刚才你给的我都用上了，我再给几个你缺的参数，这次加密就这么定了。”

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。

虽然我们的实验环境暂时不能抓包测试TLS1.3，但互联网上很多网站都已经支持了TLS1.3，比如Nginx、GitHub，你可以课后自己用Wireshark试试。

在Chrome的开发者工具里，可以看到这些网站的TLS1.3应用情况。

小结

今天我们一起学习了TLS1.3的新特性，用抓包研究了它的握手过程，不过TLS1.3里的内容很多，还有一些特性没有谈到，后面会继续讲。

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；
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；
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。

课下作业

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？
结合上一讲的RSA握手过程，解释一下为什么RSA密钥交换不具有“前向安全”。
TLS1.3的握手过程与TLS1.2的“False Start”有什么异同？

欢迎你把自己的学习体会写在留言区，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。

unpreview

精选留言（15）

djfhchdh 👍（52） 💬（3）
1、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、RSA握手时，client key exchage会使用RSA公钥加密pre master后传给服务端，一旦私钥被破解，那么之前的信息都会被破译，根本原因还是在于RSA的这一对公钥私钥并不是临时的。 3、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了，不同点：TLS1.3将change cipher spec合并到了hello中
2019-07-29

前端西瓜哥 👍（28） 💬（1）
2. 结合上一讲的 RSA 握手过程，解释一下为什么 RSA 密钥交换不具有“前向安全”。答：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。
2019-07-31

彦页 👍（8） 💬（2）
老师，客户端验证服务器证书，为什么不是pre_master计算出来才检验证书？因为服务器已经把证书加密传输的啊？
2019-07-31

李鑫磊 👍（5） 💬（1）
请教老师，一直没看懂，“秘钥交换算法参数”究竟是什么？
2019-12-06

Unknown element 👍（4） 💬（1）
老师client param不是和具体采用的密码套件有关吗那tls 1.3中客户端是如何在服务器返回采用的密码套件之前把这个参数发给服务器的？还是说客户端把仅有的几个密码套件都生成了一个参数然后都发给服务器让服务器来选？谢谢老师
2021-09-29

Geek_534344 👍（2） 💬（1）
TLS1.3中，服务端的证书有什么作用呢？
2021-04-06

俊伟 👍（2） 💬（1）
1.1.3在握手时指定了supported groups和key share和signature algorihms，服务器从这些参数中就能判断出密钥交互算法和摘要算法。 2.因为RSA是客户端算出pre master发送到服务端，算出来的master secret是固定的，随着时间的推移，有被黑客算出来的风险。 3.TLS1.2是客户端率先算出master secret，然后发送Application data 而TLS1.3是服务端优先算出master secret，发送Application data。
2020-01-17

彩色的沙漠 👍（2） 💬（1）
希望老师对TLS1.3增加一篇补充，里面涉及的细节大家不是很清楚怎么回事，网上资料少还容易误导。 1、服务器返回的Encrypted Extensions（被加密的扩展信息），加密的扩展信息里面不包含key_share和support_groups,这两个关键参数因为加密之后，无法计算pre-master。问题是加密的扩展信息使用的是哪个密钥对？ 2、原文中“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，减少了握手时的明文信息泄露。问题是，除了证书还有那些参数使用加密传输，以及使用的是个密钥对？客户端不先计算pre-master何master-secret，怎么解密证书，进行验证？ 3、server certificate verify，使用证书签名握手数据，Finished也是对握手数据进行摘要签名，它用的是master-secret进行的签名吗？
2019-08-05

geraltlaush 👍（2） 💬（3）
老师，我对比了下tls1. 2和1.3，发现pre master根本就是多余的嘛,双方有个公共K, A=a*K发给服务端，服务端生成B=b*K,双方就可以利用a*b*K=b*a*K的相同密钥进行通信了,1.2是需要客户端把premaster发给服务端，然后双方a*b*K*pre master=b*a*K*pre master的对称密钥进行通信，1.3就是少了pre master，可以这样理解吧
2019-07-30

ifelse 👍（1） 💬（1）
都是干货
2023-01-31

假于物 👍（1） 💬（1）
老师，有个地方需要请教下文中说ECDHE是一次一密，其实RSA也是一次一密吧 RSA因为对称秘钥是由客户端决定的，用了服务器的公钥加密；在服务器私钥被破解，RSA所有的信息都会被破解
2021-08-03

宝仔 👍（1） 💬（2）
罗老师你好，我们其实也算同事哈哈。我们是被360全资收购的一个创业公司，咨询你一个问题：客户A有自己的一个域名a.test.com（nginx web，这个nginx web也是我们给搭建的）,访问https://a.test.com会反向代理(proxy_pass https://c.me.com)到我们的站点，c.me.com即为我们的站点。突然有一天客户反馈网站无法访问(问题表象是访问很慢，大概要7s左右，要么就是超时502)，查了很久的问题，各种抓包，最终在客户的nginx上加了proxy_ssl_server_name on;就好了；我们也知道这个参数的含义了，但是我们这边没有做任何变动，包括这家客户的nginx我们也没做任何变动，并且我们的客户不止这么一家，配置都是一样的，其他家都是正常的。难道是客户这边出口做了什么调整吗？老师有解法吗？
2021-03-05

james 👍（1） 💬（1）
1. 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. 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. 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了，不同点：TLS1.3将change cipher spec合并到了hello中
2020-05-30

饭粒 👍（1） 💬（1）
Client Hello 数据中密钥参数 key_share 有两个 Key Share Entry，服务端回复只返回了一个，这个应该是和密钥套件（5选1）一样是需要服务端确定具体使用哪个？ Extension: key_share (len=107) Type: key_share (51) Length: 107 Key Share extension Client Key Share Length: 105 Key Share Entry: Group: x25519, Key Exchange length: 32 Key Share Entry: Group: secp256r1, Key Exchange length: 65
2020-05-04

book尾汁 👍（1） 💬（1）
1. TLS1.3版本在client hello时，已经指定了摘要算法，列出了所支持的椭圆曲线、基点信息。 2. RSA做密钥交换算法时，采用的是证书里面公钥对应的私钥来加密会话密钥，一般私钥被破解，就可以得到之前截获信息的会话密钥，解密消息 3 相同点，都是未收到响应前就把客户端就把密钥交换算法需要的参数传了过去不同点，因为服务器尚未选择密钥交换算法，因此密钥交换算法的参数有多个，false start中是客户端先得到椭圆曲线的两个参数，算出master key并发起 change cipher spec，而TLS1.3则是服务器先得到这两个参数，发起change cipher spec, TLS1.3change cipher spec合并到了clienthello中
2019-11-03