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作者：李新宇 中科院軟件所

TLS 1.3是IETF正在制定的TLS 新標(biāo)準(zhǔn)。TLS 自標(biāo)準(zhǔn)化至今已有近20年的時(shí)間，自1999年TLS 1.0標(biāo)準(zhǔn)頒布，到后來的TLS 1.1（2006年）和目前得到廣泛使用的TLS 1.2（2008年），TLS是保障網(wǎng)絡(luò)傳輸安全最重要的安全標(biāo)準(zhǔn)之一。然而，廣泛的應(yīng)用也使得TLS成為了攻擊的“眾矢之的”，這些攻擊或利用TLS設(shè)計(jì)本身存在的不足（如幸運(yùn)十三攻擊[1]、三次握手攻擊[2]、跨協(xié)議攻擊 [3]等），或利用TLS所用密碼原語本身的缺陷（如RC4加密 [4]、RSA-PKCS#1 v1.5加密 [5]等），或利用TLS實(shí)現(xiàn)庫(kù)中的漏洞（如心臟出血攻擊[6]等）。面對(duì)這一系列的攻擊，一直以來我們采取的措施是“打補(bǔ)丁”，即針對(duì)新的攻擊做新的修補(bǔ)。然而，由于TLS的應(yīng)用規(guī)模過于龐大，不斷地打補(bǔ)丁在如此大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用中并不容易全面實(shí)施。除此之外，交互雙方必須運(yùn)行復(fù)雜的TLS握手協(xié)議才能開始傳輸信息，很多情況下我們希望在握手輪數(shù)和握手延遲方面可以有更多的選擇。出于以上以及其他種種因素的考慮，IETF從2014年開始著手制定一個(gè)“clean”的TLS1.3。

問題一：TLS 1.3的制定過程

TLS 1.3的制定過程是“透明”的，即IETF發(fā)布的草案中會(huì)留下若干問題，相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者可以就這些問題或者自己有疑問的其他問題通過郵件系統(tǒng)進(jìn)行在線討論[7]，而討論結(jié)果也會(huì)在更新后的草案版本中有所體現(xiàn)。目前最新發(fā)布的草案版本是TLS 1.3 draft 19 [8]（2017年3月）。

除此之外，近兩年也出現(xiàn)了一系列對(duì)TLS 1.3草案的分析工作，如[9-13]，在標(biāo)準(zhǔn)正式頒布之前，這對(duì)于我們對(duì)TLS的全面理解以及TLS安全防護(hù)的設(shè)計(jì)是大有幫助的。

問題二：為什么是TLS 1.3

有一個(gè)比較有趣的細(xì)節(jié)，TLS新標(biāo)準(zhǔn)的名字并不是TLS 2.0或者其他名字，而是TLS 1.3，即延續(xù)了TLS 1.0、1.1和1.2的名稱。這說明1.3是之前版本的升級(jí)，TLS 協(xié)議的大致框架并未發(fā)生本質(zhì)改變。下面兩圖為TLS 1.2和TLS 1.3握手協(xié)議的對(duì)比（細(xì)節(jié)請(qǐng)參照標(biāo)準(zhǔn)文檔）。然而，TLS 1.3是TLS標(biāo)準(zhǔn)更新過程中變動(dòng)最大的一次，除了對(duì)于運(yùn)行過程中的若干問題如密碼套件的選擇、密鑰的計(jì)算方式、握手消息的發(fā)送方式等做了更改之外，TLS 1.3還增加了新的握手模式，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求。

圖一：TLS 1.2握手框架

圖二：TLS 1.3握手框架

問題三：TLS 1.3做出了哪些重大改動(dòng)

與之前版本類似，TLS 1.3協(xié)議可分為握手協(xié)議和記錄協(xié)議，前者負(fù)責(zé)密碼組件的協(xié)商以及安全信道的建立，后者則是在已建立的安全信道中傳輸秘密信息。TLS 1.3設(shè)計(jì)的第一個(gè)重要目標(biāo)就是避免之前版本存在的缺陷，為此，一部分相關(guān)的改動(dòng)如下：

（1）禁止使用RSA密鑰傳輸算法。

（2）禁止一些安全性較弱的密碼原語如MD5的使用。

（3）不再支持重協(xié)商握手模式。

（4）握手消息采取了加密操作，如圖二中標(biāo)有{}的部分。

（5）實(shí)現(xiàn)了握手協(xié)議和記錄協(xié)議的密鑰分離。

（6）實(shí)現(xiàn)了會(huì)話密鑰與整個(gè)握手消息的綁定。

（7）記錄層只能使用AEAD（Authenticated Encryption with Additional Data）認(rèn)證加密模式。

相應(yīng)的改動(dòng)還有很多，新發(fā)布的草案中也會(huì)明確說明相比之前版本所做的改動(dòng)。這些改動(dòng)不僅可以避免之前版本存在的問題，如（6）使得TLS可以避免三次握手攻擊。同時(shí)，也使得TLS的可證明安全分析工作更加方便，如（5）使得TLS 1.3可以實(shí)現(xiàn)密鑰不可區(qū)分性質(zhì)的證明，而在TLS1.2中，由于握手協(xié)議和記錄協(xié)議的重疊，無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的證明。

從目前發(fā)布的最新草案來看，TLS 1.3主要支持四種握手模式：（1）基于（EC）DHE密鑰交換的握手模式；（2）基于PSK的會(huì)話重啟，由預(yù)共享密鑰PSK進(jìn)行快速簡(jiǎn)短的握手；（3）會(huì)話重啟與（EC）DHE結(jié)合的握手，可以提供前向安全性；（4）基于PSK的0-RTT（round-trip time）握手，客戶端利用PSK導(dǎo)出密鑰，在第一輪就發(fā)送秘密數(shù)據(jù)，降低了握手的延遲。在此之后還可以繼續(xù)進(jìn)行（EC）DHE的密鑰交換完成完整的握手（該步為可選）。注意到，0-RTT握手第一輪中加密數(shù)據(jù)所使用的密鑰并沒有服務(wù)器的貢獻(xiàn)，因此可能存在重放攻擊。另外，握手模式（4）與（2）或者（3）的區(qū)別僅在于是否在第一輪就傳輸秘密數(shù)據(jù)。

另外，TLS 1.3還定義了一種特殊的認(rèn)證方式：后握手認(rèn)證（post-handshake authentication）。在TLS握手過程中，客戶端的認(rèn)證是可選的，所謂后握手認(rèn)證指的是握手結(jié)束后，允許服務(wù)器在任何時(shí)刻向客戶端發(fā)起身份認(rèn)證的申請(qǐng)，作為回復(fù)，客戶端會(huì)發(fā)送證書以及對(duì)本次連接握手內(nèi)容的簽名，除此之外，還會(huì)發(fā)送密鑰確認(rèn)消息以提供對(duì)整個(gè)握手消息和會(huì)話密鑰的確認(rèn)。該條認(rèn)證消息是在記錄層的安全信道中傳輸?shù)摹?/p>

總結(jié)：

TLS 1.3 draft 19發(fā)布之后，起草者Eric Rescorla在討論列表中列出了仍待解決的問題供大家討論 [14]，由此可見TLS 新標(biāo)準(zhǔn)的制定工作仍然在進(jìn)行中，而對(duì)于TLS 1.3的研究也會(huì)成為未來的熱點(diǎn)方向。與此同時(shí)，TLS 1.2仍然是目前甚至未來相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)被普遍使用或者兼容的TLS 版本，這可能導(dǎo)致TLS 1.2對(duì)TLS 1.3的安全性帶來影響，這也是未來研究的重要方向。

部分參考文獻(xiàn)：

[1]AlFardan N J, Paterson K G. Lucky thirteen: Breaking the TLS and DTLS record protocols [C]. Proceedings of 2013 IEEE Symposium on Security and Privacy (S&P), 2013. 526–540.

[2]Bhargavan K, Lavaud A D, Fournet C, et al. Triple handshakes and cookie cutters: Breaking and fixing authentication over TLS [C]. Proceedings of 2014 IEEE Symposium on Security and Privacy (S&P), 2014. 98–113.

[3]Mavrogiannopoulos N, Vercauteren F, Velichkov V, et al. A cross-protocol attack on the TLS protocol[C]//Proceedings of the 2012 ACM conference on Computer and communications security. ACM, 2012: 62-72.

[4]AlFardan N J, Bernstein D J, Paterson K G, et al. On the Security of RC4 in TLS [C]. Proceedings of 22nd USENIX Security Symposium, 2013. 305–320.

[5]Bleichenbacher D. Chosen ciphertext attacks against protocols based on the RSA encryption standard PKCS #1 [C]. Advances in Cryptology—CRYPTO’98, 1998. 1–12.

[6]Codenomicon. The Heartbleed Bug [EB/OL]. http://heartbleed.com, April 2014.

[7]https://www.ietf.org/mail-archive/web/tls/current/maillist.html.

[8]Rescorla E. The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.3 – draft-ietf-tls-tls13-09[S]. https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-tls-tls13-19, March, 2017.

[9]Dowling B, Fischlin M, Günther F, et al. A cryptographic analysis of the TLS 1.3 handshake protocol candidates [C]. Proceedings of the 22nd ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (CCS), 2015. 1197–1210.

[10]Cremers C, Horvat M, Scott S, et al. Automated analysis and verification of TLS 1.3: 0-RTT, resumption and delayed authentication[C]//Security and Privacy (SP), 2016 IEEE Symposium on. IEEE, 2016: 470-485.

[11]Fischlin M, Günther F, Schmidt B, et al. Key confirmation in key exchange: a formal treatment and implications for TLS 1.3[C]//Security and Privacy (SP), 2016 IEEE Symposium on. IEEE, 2016: 452-469.

[12]Li X, Xu J, Zhang Z, et al. Multiple handshakes security of TLS 1.3 candidates[C]//Security and Privacy (SP), 2016 IEEE Symposium on. IEEE, 2016: 486-505.

[13]Krawczyk H, Wee H. The OPTLS protocol and TLS 1.3[C]//Security and Privacy (EuroS&P), 2016 IEEE European Symposium on. IEEE, 2016: 81-96.

[14]https://www.ietf.org/mail-archive/web/tls/current/msg22593.html.

作者簡(jiǎn)介：

李新宇，本科、碩士就讀于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院軟件研究所在讀博士生，目前的研究方向主要為密碼協(xié)議的設(shè)計(jì)與安全性分析。