一篇文章讲清楚TLS

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为什么需要TLS？

在学习kubernetes的过程中，网络，安全，存储，是很多人的拦路虎，因为里面涉及的概念和名词很多，很容易把人搞晕。
因此很多人也就对这几块内容选择性忽略，殊不知这些内容才是kubernetes的核心。
一个关于学习的统计数据表明，62%的人在学习安全知识的过程中，都会感到困难或者不舒服，我自己也是如此。
因此花了一些时间，整理了一篇文章，帮助自己学习的同时，也希望帮助大家理解TLS。

首先为什么需要TLS？TLS的全称是Transport Layer Security，传输层安全协议。前身是SSL，Secure Sockets Layer，安全套接字层协议。
在网络传输过程中，无论是互联网访问，还是内网数据传输，你都不希望使用明文传输吧，使用明文就像在网上裸奔，访问信息很容易被中间人窃取，篡改，伪造等。
因此TLS应运而生，TLS通过加密技术，确保数据由明文变成了随机的字符（密文），保证在传输过程中不被窃取和篡改。

TLS如何实现安全目标呢？

首先它定义了CIA三要素：

机密性Confidentiality：数据加密，数据只能被客户端和服务器所理解。
完整性Integrity：使用哈希算法，确保数据未被篡改。
身份认证Authenticity：防冒充，确认你在和预期的实体对话。

TLS最基本的概念，在后边的文章中会反复提到：

秘钥Key：加密和解密数据所使用的参数。

对称加密Symmetric Encryption：加密和解密使用相同的秘钥，速度快，适合大数据量传输。
非对称加密Asymmetric Encryption：加密和解密使用一对秘钥，公钥和私钥，速度慢，适合小数据量传输，一般用于秘钥交换。

哈希算法Hash Algorithm：对数据进行摘要计算，生成固定长度的哈希值，用于数据完整性校验。

数字证书Digital Certificate：由“权威机构”颁发的电子文档，用于证明公钥的合法性，包含公钥，持有者信息，有效期等。证书通过提交CSR（证书签名请求）给CA机构申请获得。

CA Certificate Authority：证书授权机构，负责颁发和管理数字证书的机构。

让我们来看看这些基本概念都是干什么用的：

对称加密的目的：加密，对应的三要素：机密性
非对称加密的目的：加密，对应的三要素：机密性
还可以用于更多的事情：

交换“预主密钥pre-master secret”: 用于生成对称加密的会话密钥session key，这样浏览器和服务器都拥有了会话密钥
通过私钥和公钥配对来提供真实性，这就是签名的概念。对应的三要素：真实性哈希算法提供完整性。似乎这一切就很完美了，但确实是这样吗？

但仍然可能存在一个问题，假如攻击者伪装成服务器，向浏览器发送数据，浏览器如何确认对方是“正牌货”呢？
因此必须引入PKI(public key infrustructure)证书颁发机构的概念，相当于一个第三方来告诉浏览器和服务器，对方是合法可信任的实体。保证了真实性Authenticity。

所以这不光是复杂的技术，更是人类的智慧!

为了满足以上的需求，因此需要使用秘钥套件。
比如HTTPS：ECDHE-RSA-AWS128-GCM-SHA256
解释：
ECDHE: premaster secret exchange algorithm
RSA: client and server authentication algorithm
AES128-GCM: symmetric encryption algorithm
SHA256: hashing algorithm

HTTPS使用的加密算法特点：
RSA：非对称加密算法，一般2048位，使用一对密钥，公钥和私钥，公钥和私钥有数学关系。一般公钥用来加密数据，私钥用来解密数据。RSA算法的安全性基于大数分解的困难性，即两个大质数相乘的结果很难被分解。
ECC：椭圆曲线加密算法，非对称加密算法的一种，使用椭圆曲线数学结构来生成公钥和私钥。相比RSA，ECC在相同的安全级别下，密钥长度更短，计算效率更高。
AES：对称加密算法，使用相同的密钥进行加密和解密。AES算法依赖于明文，它将明文切成128位的块，然后对这些块进行加密。
HTTPS使用对称加密和非对称加密的混合算法，如果使用RSA进行密钥交换，AES进行数据加密和传输。还有很多算法组合方式。

TLS session key 大致生成过程

initial connection初始化连接：浏览器发送握手信号给服务器，告诉服务器想要一个安全连接
asymmetric encryption for key exchange对秘钥交换使用非对称加密：握手期间，服务器发送公钥给浏览器，接着浏览器生成一个随机对称session key，然后用服务器公钥加密，然后发回给服务器
decryption by server服务器解密：服务器用私钥解密收到的信息，获取session key
symmetric encryption for data transfer使用对称加密进行数据传输：现在双方都有session key，在他们沟通过程中切换为对称加密，这样效率比非对称加密高很多
session key的特点：每个session key都是临时的，对每个session来说都是唯一的，及时这个session key被攻破也只影响当前的session。新的session会产生新的session key