SSL/TLS CipherSuite 介绍

本文是关于SSL/TLS的 CipherSuite 的信息摘录，翻译。如有疑问，欢迎指出。

一，CipherSuite的概念

CipherSuite 这个名词目前没看到有好的中文翻译，个人觉得翻译成“加密算法套件”比较合适。Cipher泛指是密码学的加密算法，例如 aes, rsa, ecdh 等。 tls是由各类基础算法，作为原语组合而成。一个CipherSuite是4个算法的组合：

二，CipherSuite的注册管理

TLS Cipher Suite 在 iana 集中注册，每一个CipherSuite分配有一个2字节的数字用来标识：可以在 iana的网页查看： https://www.iana.org/assignments/tls-parameters/tls-parameters.xhtml#tls-parameters-4 例如:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

0x00,0x2F TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x30 TLS_DH_DSS_WITH_AES_128_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x31 TLS_DH_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x32 TLS_DHE_DSS_WITH_AES_128_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x33 TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x34 TLS_DH_anon_WITH_AES_128_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x35 TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x36 TLS_DH_DSS_WITH_AES_256_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x37 TLS_DH_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x38 TLS_DHE_DSS_WITH_AES_256_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x39 TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x3A TLS_DH_anon_WITH_AES_256_CBC_SHA Y [RFC5246] 0x00,0x3B TLS_RSA_WITH_NULL_SHA256 Y [RFC5246] 0x00,0x3C TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256 Y [RFC5246] 0x00,0x3D TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256 Y [RFC5246] 0x00,0x3E TLS_DH_DSS_WITH_AES_128_CBC_SHA256 Y [RFC5246] 0x00,0x3F TLS_DH_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256 Y [RFC5246]

例如其中的：

1	0x00,0x37 TLS_DH_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA Y [RFC5246]

这一条， 0x00,0x37 这个 value 就是 TLS_DH_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA 这个 Cipher Suite的数字，rfc5246 定义了这个CipherSuite的具体实现。

三，CipherSuite在现实环境的应用

tls/ssl 一共出过 5个版本：ssl2/ssl3/tls1.0/tls1.1/tls1.2 ，ssl2/ssl3这两个版本漏洞太多，请务必禁用。

tls1.2，当前(2015年)最新的tls协议，定义在：rfc5246

tls协议的实现有多种，如openssl, gnutls, nss, libressl, cyassl, polarssl, botan等等。

openssl的代码算是其中最混乱的，但是也是最久经考验的。 ( 请参见此打脸文： http://blog.csdn.net/dog250/article/details/24552307 )

个人觉得polarssl和botan的架构最清晰，代码风格清新可爱，便于学习理解协议（但是不建议在生产环境下用，例如polarssl功能尚有欠缺）。

1.服务器端：

说说openssl，openssl 实现了以上列表中的大部分( 摒弃了不安全的一些CipherSuite)。

openssl 支持的 cipher 列表，可以用 openssl ciphers -V | column -t 命令查看输出如：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0xC0,0x30 - ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384 TLSv1.2 Kx=ECDH Au=RSA Enc=AESGCM(256) Mac=AEAD 0xC0,0x2C - ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384 TLSv1.2 Kx=ECDH Au=ECDSA Enc=AESGCM(256) Mac=AEAD 0xC0,0x28 - ECDHE-RSA-AES256-SHA384 TLSv1.2 Kx=ECDH Au=RSA Enc=AES(256) Mac=SHA384 0xC0,0x24 - ECDHE-ECDSA-AES256-SHA384 TLSv1.2 Kx=ECDH Au=ECDSA Enc=AES(256) Mac=SHA384 0xC0,0x14 - ECDHE-RSA-AES256-SHA SSLv3 Kx=ECDH Au=RSA Enc=AES(256) Mac=SHA1 0xC0,0x0A - ECDHE-ECDSA-AES256-SHA SSLv3 Kx=ECDH Au=ECDSA Enc=AES(256) Mac=SHA1 0x00,0xA5 - DH-DSS-AES256-GCM-SHA384 TLSv1.2 Kx=DH/DSS Au=DH Enc=AESGCM(256) Mac=AEAD 0x00,0xA1 - DH-RSA-AES256-GCM-SHA384 TLSv1.2 Kx=DH/RSA Au=DH Enc=AESGCM(256) Mac=AEAD 0x00,0x9F - DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384 TLSv1.2 Kx=DH Au=RSA Enc=AESGCM(256) Mac=AEAD 0x00,0x6B - DHE-RSA-AES256-SHA256 TLSv1.2 Kx=DH Au=RSA Enc=AES(256) Mac=SHA256 0x00,0x69 - DH-RSA-AES256-SHA256 TLSv1.2 Kx=DH/RSA Au=DH Enc=AES(256) Mac=SHA256 0x00,0x68 - DH-DSS-AES256-SHA256 TLSv1.2 Kx=DH/DSS Au=DH Enc=AES(256) Mac=SHA256 0x00,0x39 - DHE-RSA-AES256-SHA SSLv3 Kx=DH Au=RSA Enc=AES(256) Mac=SHA1 0x00,0x37 - DH-RSA-AES256-SHA SSLv3 Kx=DH/RSA Au=DH Enc=AES(256) Mac=SHA1

每一行里：

第1个字段是这个CipherSuite的value，
第2个字段是 CipherSuite 的名字，
第3个字段是本Cipher Suite是用于哪个 SSL/TLS版本的协议，
第4个字段 Kx 是 key exchange 算法
第5个字段 Au 是 authentication 算法
第6个字段Enc是 encryptation算法
第7个字段 Mac 是 MAC 算法，用于创建消息摘要

例如:

1	0xC0,0x23 - ECDHE-ECDSA-AES128-SHA256 TLSv1.2 Kx=ECDH Au=ECDSA Enc=AES(128) Mac=SHA256

这一行，表示：

名字为 ECDH-ECDSA-AES128-SHA256 的CipherSuite ，用于 TLSv1.2版本，
使用 ECDH做密钥交换，
使用ECDSA做认证，
使用AES-128做加密算法，
使用SHA256做MAC算法。

一个CipherSuite，在 openssl 库里用这个结构体表示:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

/* used to hold info on the particular ciphers used */ struct ssl_cipher_st { int valid; const char *name; /* text name */ unsigned long id; /* id, 4 bytes, first is version */ /* * changed in 0.9.9: these four used to be portions of a single value * 'algorithms' */ unsigned long algorithm_mkey; /* key exchange algorithm */ unsigned long algorithm_auth; /* server authentication */ unsigned long algorithm_enc; /* symmetric encryption */ unsigned long algorithm_mac; /* symmetric authentication */ unsigned long algorithm_ssl; /* (major) protocol version */ unsigned long algo_strength; /* strength and export flags */ unsigned long algorithm2; /* Extra flags */ int strength_bits; /* Number of bits really used */ int alg_bits; /* Number of bits for algorithm */ };

以上4个算法，对应其中的下面四行：

1 2 3 4	unsigned long algorithm_mkey; /* key exchange algorithm / unsigned long algorithm_auth; / server authentication / unsigned long algorithm_enc; / symmetric encryption / unsigned long algorithm_mac; / symmetric authentication */

2，客户端：

在浏览器里面，可以这样查看当前使用的CipherSuite: Firefox下打开gmail，点击地址栏左侧锁图标

3. 如何指定CipherSuite

在tls中，选择CipherSuite的方法是通过cipher list

格式和用法见：https://www.openssl.org/docs/apps/ciphers.html

nginx里面的配置项是 cipher_list

cipher list 的格式是：

一个cipher list 包含一个或者多个由冒号分隔的cipher string( 逗号和空格也可以接受但不常用)。

一个cipher string可以是下列形式之一:

(1).可以由单个cipher suite构成，例如 RC4-SHA。

(2).它可以表示含有某个特定算法的cipher列表，或者一种特定类型的cipher suite。例如， SHA1表示所有使用摘要算法SHA1的cipher suite, SSLV3表示所有SSL V3算法。

(3).cipher suite的列表,可以使用加号合并到一个单一的cipher string里面。这被作为一个逻辑且操作。例如，SHA1 DES表示所有包含了 SHA，并且包含了DES的算法。

(4).每一个cipher string可以在前面加上字符 !,-,或者

如果加了!，那么这种cipher永久从列表里面删除，就算后边显式添加进来也不行。

如果加了-，那么cipher中的一些或者全部可以在后面的选项里面加回来。

如果加了，那么cipher被移动到列表的最后，这个选项不增加任何cipher，只是把匹配的cipher移动到最后。

如果没有上述字符，那么字符串被解析成一个cipher list，追加到当前配置列表的后面。如果cipher list 中的某些cipher已经存在了，就忽略该cipher。

(5).另外，cipher string @STRENGTH 可以用在任何点，用来把当前cipher list按照加密算法key长度排序。

当前建议的配置参数可以看看mozilla的这个文档：https://wiki.mozilla.org/Security/Server_Side_TLS#Recommended_configurations

四，CipherSuite的进化与现状

随着密码学的发展，硬件性能的提高，加密和破解的不断对抗博弈，常用的算法也在不断进化，旧的算法被破解，新的算法诞生。

CipherSuite的当前流行趋势：

authentication (认证)算法：常见的有 RSA/DSA/ECDSA 3种，目前最主流的是人民群众喜闻乐见，妇孺皆知的RSA ( 2048 bit及以上)，（ECDSA 是新兴趋势，例如gmail，facebook都在迁移到ECDSA，当然目前用的还不多，DSA 由于只能提供1024bit，已经没啥人敢用）。

加密算法：主流趋势是使用 aes，128/256 bit都可以，加密模式的趋势是使用gcm，cbc由于被发现有 BEAST 攻击等，比较难以正确使用，至于ecb模式，请勿使用。加密算法还有RC4（不建议使用），3DES（不建议使用），Camellia(貌似日本人搞的) ，DES(已经被淘汰)等，

message authentication code (消息认证码简称MAC)算法，主流有 sha256,sha384,sha1,等。tls中使用了HMAC模式，而不是原始的 sha256,sha1等。google已经在淘汰MD5了。（gcm是一种特殊的称为aead的加密模式，不需要配合MAC。）

key exchange(密钥交换)算法：主流有两种：DH和ECDH，自从斯诺登爆料了NSA的https破解方案以后，现在的 key exchange(密钥交换)算法，普遍流行 PFS，把DH, ECDH变成 DHE，ECDHE 。

mozilla目前推荐的 cipher list：

ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384:DHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:DHE-DSS-AES128-GCM-SHA256:kEDH AESGCM:ECDHE-RSA-AES128-SHA256:ECDHE-ECDSA-AES128-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-SHA:ECDHE-ECDSA-AES128-SHA:ECDHE-RSA-AES256-SHA384:ECDHE-ECDSA-AES256-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-SHA:ECDHE-ECDSA-AES256-SHA:DHE-RSA-AES128-SHA256:DHE-RSA-AES128-SHA:DHE-DSS-AES128-SHA256:DHE-RSA-AES256-SHA256:DHE-DSS-AES256-SHA:DHE-RSA-AES256-SHA:!aNULL:!eNULL:!EXPORT:!DES:!RC4:!3DES:!MD5:!PSK

mozilla的优先级选择考虑：

1.ECDHE AESGCM最先选，目前没有已知漏洞。

2.PFS ciphersuite优先，其中ECDHE优先于DHE

3.SHA256优先于SHA1。完全禁用MD5。

4.AES 128优先于AES 256。这个问题有一些讨论。

5.在向后兼容模式中，AES优先于3DES。

6.完全禁止RC4。3DES只用于兼容老版本。

cloudflare的ssl cipher list配置：

https://github.com/cloudflare/sslconfig/blob/master/conf

google的一篇文章解释当前cipher suite的流行趋势 http://googleonlinesecurity.blogspot.com.au/2013/11/a-roster-of-tls-cipher-suites-weaknesses.html

google在密码学方面的最新进展可以在这个博客追踪：http://googleonlinesecurity.blogspot.com/

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