面试题：安全认证之TLS在企业级应用中的基础安全性考量

Question

请阐述TLS协议在企业级应用中，如何防止数据在传输过程中被窃取？简述其关键的加密机制。

Answer 1

防止数据在传输过程中被窃取的方式

1. 身份验证：
   • 服务器身份验证：客户端通过验证服务器的数字证书来确认服务器的真实身份。证书由受信任的证书颁发机构（CA）签发，包含服务器的公钥等信息。客户端内置了CA的根证书，通过验证证书链，能确保连接的服务器是合法的，而非中间人冒充。例如，当用户访问银行网站时，浏览器会验证银行服务器的证书，防止中间人伪装成银行服务器来骗取用户信息。
   • 双向身份验证（可选）：在一些企业级应用中，不仅服务器要验证客户端，客户端也需要验证服务器。客户端也持有数字证书，服务器同样验证客户端证书的合法性。这在对安全性要求极高的场景，如企业内部的VPN连接中，可防止非法客户端接入企业网络。
2. 数据加密：
   • 对称加密：TLS协议采用对称加密算法（如AES）对传输的数据进行加密。在握手阶段，客户端和服务器协商出一个共享的对称加密密钥。这个密钥用于对后续传输的所有数据进行加密和解密。由于对称加密算法效率高，能快速对大量数据进行加密，保证数据在传输过程中即使被截获，攻击者没有密钥也无法解密数据。
   • 密钥协商：使用非对称加密（如RSA或椭圆曲线密码学ECC）来协商对称加密密钥。客户端生成一个随机数（pre - master secret），用服务器的公钥加密后发送给服务器。服务器用自己的私钥解密得到pre - master secret，双方再根据这个pre - master secret以及握手过程中的其他信息，通过特定算法计算出最终的对称加密密钥。这种方式既能安全地协商出密钥，又利用了对称加密的高效性。
3. 完整性保护：
   • 消息认证码（MAC）：TLS协议使用消息认证码来保证数据的完整性。在发送数据时，发送方会根据数据内容和共享密钥计算出一个MAC值，并将其附加在数据后面。接收方收到数据后，用相同的密钥和算法重新计算MAC值，并与接收到的MAC值进行比较。如果两者一致，则说明数据在传输过程中没有被篡改；如果不一致，则表明数据可能已被篡改，接收方将丢弃该数据。例如，HMAC - SHA256就是TLS中常用的计算MAC值的算法。

关键的加密机制

1. 握手协议：
   • 客户端Hello：客户端向服务器发送一个Hello消息，其中包含客户端支持的TLS版本、加密套件列表、一个随机数（ClientHello.random）等信息。
   • 服务器Hello：服务器回应客户端，选择一个TLS版本、一个加密套件，并发送自己的随机数（ServerHello.random）。同时，服务器会发送自己的数字证书。
   • 证书验证和密钥交换：客户端验证服务器证书的合法性。如果是双向认证，服务器也会验证客户端证书。然后，客户端使用服务器证书中的公钥加密pre - master secret并发送给服务器。服务器解密得到pre - master secret。
   • 计算会话密钥：客户端和服务器根据ClientHello.random、ServerHello.random和pre - master secret计算出会话密钥（包括对称加密密钥、MAC密钥等）。握手完成后，双方就使用这些密钥进行数据的加密、解密和完整性保护。
2. 记录协议：
   • 分段：将应用层数据分割成若干记录，每个记录最大长度为2^14 + 2048字节。
   • 压缩：（可选）对记录进行压缩，减少数据传输量。
   • 加密：使用协商好的对称加密算法对记录进行加密。
   • 添加MAC：计算并添加消息认证码，保护数据完整性。最后将处理后的记录发送出去。接收方按照相反的顺序进行解密、验证MAC、解压缩等操作，还原出原始数据。