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摘要：TSL（Transpon Layer Security）协议是重要的互联网标准协议。重点分析了TSL协议握手协议的过程，通过请求公钥与多次协商最终形成会话密钥。描述了证书、私钥的生成方法，实现一个服务端、客户端使用TSL协议传输的方法，并验证TSL安全传输的效果。
关键词：传输层安全传输;TSUSSL; TCP安全通讯信
中图分类号：TP393.08
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）36-0040-03
1概述
传输层安全协议（TSL， Transport Layer Security）是如今互联网上应用最广泛的加密方法[1]，是重要的互联网标准，其前身为网景公司于提出的安全套协议（SSL， Secure Socket Layer）。在TLS/SSL出现之前，大部分应用层协议（http、ftp、smtp等）存在着网络安全问题。例如，互联网重要的基础协议http协议，在传输过程中使用的是明文信息，传输报文一旦被截获便会泄露传输内容;传输过程中报文如果被篡改，无法轻易发现;无法保证消息交换的对端身份的可靠性。为了解决此类场景下的问题.研究人员提出了在应用层和传输层之间加入了TLS/SSL协议[2-4]。https协议由此产生，并广泛运用于互联网的安全传输。但是，由此也容易让人误以为类似于https是一种全新的安全协议，然而其本质是包裹于TLS/SSL之上的http协议[5]。因此，基于TSL协议直接实现TCP的安全传输，通过代码分析和还原TSL安全传输的本质是有必要的。
2 TSL原理
TLS协议可以分为两部分：记录协议（ReCord ProtoCol）和握手协议（Handshake Protocol）。记录协议通过使用客户端和服务端协商后的秘钥进行数据加密传输。握手协议客户端和服务端进行协商，确定一组用于数据传输加密的密钥串[6]。在握手协议阶段的基本过程是：1）客户端向服务器端索要并验证公钥;2）双方协商生成“对话密钥”。
TSL的关键在握手协议阶段，握手协议完成之时就已经构建了基于“对话密钥”的安全传输基础。握手阶段的过程及原理分为6个步骤[7]：
第一步客户端发起请求：客户端给出协议版本号、一个自动生成的随机数（Client random），以及客户端支持的加密方法。第二步服务端回应：服务端确认双方使用的加密方法，并给出数字证书以及一个服务端生成的随机数（Server random）。第三步证书校验及客户端请求：客户端确认数字证书有效，然后生成一个新的随机数（Premaster secret），并使用数字证书中的公钥，加密这个随机数，发给服务端。第四步服务端解密：服务端使用自己的私钥，获取客户端发来的随机数（即Premaster se-eret）。第五步对话密钥生成：客户端和服务端根据约定的加密方法，使用前面的三个随机数，生成”对话密钥”（session key），用来加密接下来的整个对话过程。第六步握手结束：客户端计算所有接收信息的hash值，并采用协商密钥解密encrypt-ed_handshake_message，验证服务器发送的数据和密钥，验证通过则握手完成。
3基于TSL的安全TCP传输实现
3.1密钥及证书的生成
在TSL的握手阶段，至少需要一个证书及密钥，才能完成握手生成一个安全的对话密钥。OpenSSL是一个开放源代码的软件库包，能通用于主流操作系统。利用OpenSSL，可以生成服务端密钥及证书[8]。
（1）OpenSSL安装
下并安装好之后，需要用openssl version在命令行查看当前版本，验证是否安装成功。如果安装成功，需要配置OpenS-SL的两个环境变量信息，在命令行中输入：set RANDFILE=D：＼OpenSSL-Win64V rnd和set OPENSSL_CONF=D： ＼OpenSSL-Win64＼bin＼cnflopenssl.enf’。其中“D：＼OpenSSL-Win64”是OpenS-SL的安裝目录，“openssl.enf’”是OpenSSL的配置信息。
（2）生成私钥
使用命令openssl genrsa -des3 -out privatekey.pem 2048生成一个2048位的RSA密钥privatekey.pem，同时需要输入一个des3加密的密码，如果不想每次输入密码，则可以使用命令openssl genrsa -out privatekey.pem 2048生成一个无密的2048位密钥。如果需要生成安全的密钥，可以将2048更改为4096或更长。
（3）生成公钥
利用上一步中生成的私钥文件privatekey.pem，使用命令openssl req -new -keyprivatekey.pem -out cert.csr生成cert.csr证书请求文件。在互联网环境中，需要用cert.csr证书请求文件去数字证书颁发机构（即CA）申请一个正式的数字证书。为了便于测试，使用命令openssl req -new -x509 -key privatekey.pem -out cert.crt -days 365生成一个申请机构和颁发机构都是自身的测试数字证书cert.crt。
数字证书生成中需要输入的一些信息说明：Country Name（2 letter code） [AU]：CN ISO国家代码（只支持两位字符）State or Province Name （full name） [Some-State]：ZJ所在省份Locality Name （eg， city） []：HZ所在城市Organization Name （eg， company）：SW_TECH公司名称Organizational Unit Name （eg，section） []：SW_TECH组织名称Common Name （eg，YOUR name） []：127.0.0.1申请证书的域名（为了测试方便，此处使用本机回环地址）Email Address []：admin@aclmin.com管理员邮箱 （4）清除私钥密码
将加密的RSA密钥转成未加密的RSA密钥，避免每次读取都要求输入解密密码。使用命令openssl rsa -in privatekey.pem-out privatekey.pem.un
用私钥privatekey.pem.un和公钥cert.crt证书文件，在程序中使用并开发一个加密通讯的服务器。
3.2安全服务端实现
在安全服务端，需要传人私钥privatekey.pem.un和公钥cert.ert证书文件。私钥文件需要谨慎保存，一旦文件泄露或被第三方获取内容，在密钥过期之前第三方能一直冒充服务端欺骗客户端连接。服务端部分实现代码（基于Python，客户端相同1：
def tsl_server（address）：
context = ssl. create_default_context（ssl. Purpose. CLI-ENT_AUTH）
context. load_cert_chain（certfile= "cert. crt"， keyfile= "pri-vatekey.pem.un"）
listener =
socket. socket（socket. AF_INET，
socket.SOCK_STREAM）
listener.setsockopt（socket.SOL_SOCKET， socket.SO_REUSE-ADDR，11
lis，tener.bincl（address）
listener.listen（l）
print（’Listening at interface {！r） and port（".format（*address》
raw_sock， address= listener.accept0
print（’Connection from host {！r） and port {}’.format（*address》
ssl_sock= context.wrap_socket（raw_sock， server_side=True）
ssl_sock.sendall（’My name is TSLServer.’.encode（’ascii’》
ssl_sock.close0
3.3客户端实现
客户端需要公钥证书cert.crt文件，不需要服务端私钥。在测试时，需要提供与证书生成时对应的common name项对应的正确域名，本次测试使用127.0.0.1，在互联网环境中需要使用正确的域名。部分客户端代码：
def tsl_cleint（address）：
cafile= "{：ert.crt"
host， port= address
purpose= ssl.Purpose.SERVER_AUTH
context= ssl.create_default_context（purpose， caf/le=caf/le）
raw_sock = socket. socket（socket. AF_INET， socket.SOCK_STREAM）
raw_sock.connect《host， port》
print（’Connected to host（！r} and port {".format（host， port》
4测试与结论
4.1测试
启动服务端，同时启动RawCap抓包工具，运行客户端程序对服务端发送请求并获得服务端的返回数据。对本地ip抓包捕获9000端口内容，与没有采用TSL安全传输进行对比;对TSL握手阶段不同阶段的抓包内容进行对比。
对比图1和图2中内容，在没有采用TLS协议的TCP通信中，传输的是明文内容;使用了TSL协议之后，捕获的TCP传输内容不再可见，是加密的内容。
对比图3和图4中的内容，得知TSL握手协议的前面三次会话是采用的明文传输，所以服务端发送给客户端的证书也是明文传输的;直到会话密钥产生后的传输内容才采用密文传输。
4.2结论
在典型的TSL通信场景中，客户端向服务器索取证书，证书被信任机构签名生效，且包含一个公钥。客户端对证书中声明的身份进行第三方验证，确认其安全匹配。客户端与服务器就加密算法、压缩以及密钥等设定进行协商，最后使用协商结果的方案对套接字上双向传输的数据进行安全保护。
通过测试对比，采用TSL协议后的TCP传输内容为密文，对传输数据起到了明显的安全保护，进步改进TCP服务端，可以在此基础上构建出完整安全的TCP服务器。
参考文献：
[1]古尔利（David Gourley）等.HTTP权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2012.
[2] RESCORLA E.The Transport Layer Security （TLS） ProtocolVersion l.3 - draft - ietf - tls - tls13 - 10[DB/OL].[2018 - 03 -30].https：//tools.ietf.org/html/draft - ietf - tlstls13 - 10 （2015）.
[3] RESCORLA E.rlhe Transport Layer Security （TLS） Protocol Ver-sion l.3 - draft - ietf - tls - tls13 - 13[DB/OL].[2018 - 03 -30].https：//tools.ietf.org/htmUdraft - ietf - tlstls13 - 13 （2016）.
[4] RESCORLA E.’rhe Transport Layer Security （TLS） Protocol Ver-sion l.3 - draft - ietf - tls - tls13 - 18[DB/OL].[2018 - 03 -30].https：//tools.ietf.org/html/draft - ietf - tlstls13 - 18 （2016）.
[5]閆露，邓浩，江陈晓.TLS协议现状与研究综述[J].网络新媒体技术，2019，8（01）：1-8.
[6]百度百科.TSL[EB/OL].https：//baike. baidu. com/item/TLS/2979545.
[7]张兴隆，程庆丰，马建峰.TLS l.3协议研究进展[J].武汉大学学报：理学版，2018，64（06）：471-484.
[8]简书.OpenSSL下载安装[EB/OL].htfps：//www.jianshu.c om/p/12aldc4ah7aO
【通联编辑：代影】
收稿日期：2019-11-11
基金项目：湖南省教育厅科学研究规划课题（编号：17C0477）作者简介：文志华（1982-），男，湖南桃江人，讲师，硕士，主要研究方向为网络安全、智能医疗信息处理;周序生，副教授，硕士，主要
研究方向为网络安全、大数据处理。
关键词：传输层安全传输;TSUSSL; TCP安全通讯信
中图分类号：TP393.08
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）36-0040-03
1概述
传输层安全协议（TSL， Transport Layer Security）是如今互联网上应用最广泛的加密方法[1]，是重要的互联网标准，其前身为网景公司于提出的安全套协议（SSL， Secure Socket Layer）。在TLS/SSL出现之前，大部分应用层协议（http、ftp、smtp等）存在着网络安全问题。例如，互联网重要的基础协议http协议，在传输过程中使用的是明文信息，传输报文一旦被截获便会泄露传输内容;传输过程中报文如果被篡改，无法轻易发现;无法保证消息交换的对端身份的可靠性。为了解决此类场景下的问题.研究人员提出了在应用层和传输层之间加入了TLS/SSL协议[2-4]。https协议由此产生，并广泛运用于互联网的安全传输。但是，由此也容易让人误以为类似于https是一种全新的安全协议，然而其本质是包裹于TLS/SSL之上的http协议[5]。因此，基于TSL协议直接实现TCP的安全传输，通过代码分析和还原TSL安全传输的本质是有必要的。
2 TSL原理
TLS协议可以分为两部分：记录协议（ReCord ProtoCol）和握手协议（Handshake Protocol）。记录协议通过使用客户端和服务端协商后的秘钥进行数据加密传输。握手协议客户端和服务端进行协商，确定一组用于数据传输加密的密钥串[6]。在握手协议阶段的基本过程是：1）客户端向服务器端索要并验证公钥;2）双方协商生成“对话密钥”。
TSL的关键在握手协议阶段，握手协议完成之时就已经构建了基于“对话密钥”的安全传输基础。握手阶段的过程及原理分为6个步骤[7]：
第一步客户端发起请求：客户端给出协议版本号、一个自动生成的随机数（Client random），以及客户端支持的加密方法。第二步服务端回应：服务端确认双方使用的加密方法，并给出数字证书以及一个服务端生成的随机数（Server random）。第三步证书校验及客户端请求：客户端确认数字证书有效，然后生成一个新的随机数（Premaster secret），并使用数字证书中的公钥，加密这个随机数，发给服务端。第四步服务端解密：服务端使用自己的私钥，获取客户端发来的随机数（即Premaster se-eret）。第五步对话密钥生成：客户端和服务端根据约定的加密方法，使用前面的三个随机数，生成”对话密钥”（session key），用来加密接下来的整个对话过程。第六步握手结束：客户端计算所有接收信息的hash值，并采用协商密钥解密encrypt-ed_handshake_message，验证服务器发送的数据和密钥，验证通过则握手完成。
3基于TSL的安全TCP传输实现
3.1密钥及证书的生成
在TSL的握手阶段，至少需要一个证书及密钥，才能完成握手生成一个安全的对话密钥。OpenSSL是一个开放源代码的软件库包，能通用于主流操作系统。利用OpenSSL，可以生成服务端密钥及证书[8]。
（1）OpenSSL安装
下并安装好之后，需要用openssl version在命令行查看当前版本，验证是否安装成功。如果安装成功，需要配置OpenS-SL的两个环境变量信息，在命令行中输入：set RANDFILE=D：＼OpenSSL-Win64V rnd和set OPENSSL_CONF=D： ＼OpenSSL-Win64＼bin＼cnflopenssl.enf’。其中“D：＼OpenSSL-Win64”是OpenS-SL的安裝目录，“openssl.enf’”是OpenSSL的配置信息。
（2）生成私钥
使用命令openssl genrsa -des3 -out privatekey.pem 2048生成一个2048位的RSA密钥privatekey.pem，同时需要输入一个des3加密的密码，如果不想每次输入密码，则可以使用命令openssl genrsa -out privatekey.pem 2048生成一个无密的2048位密钥。如果需要生成安全的密钥，可以将2048更改为4096或更长。
（3）生成公钥
利用上一步中生成的私钥文件privatekey.pem，使用命令openssl req -new -keyprivatekey.pem -out cert.csr生成cert.csr证书请求文件。在互联网环境中，需要用cert.csr证书请求文件去数字证书颁发机构（即CA）申请一个正式的数字证书。为了便于测试，使用命令openssl req -new -x509 -key privatekey.pem -out cert.crt -days 365生成一个申请机构和颁发机构都是自身的测试数字证书cert.crt。
数字证书生成中需要输入的一些信息说明：Country Name（2 letter code） [AU]：CN ISO国家代码（只支持两位字符）State or Province Name （full name） [Some-State]：ZJ所在省份Locality Name （eg， city） []：HZ所在城市Organization Name （eg， company）：SW_TECH公司名称Organizational Unit Name （eg，section） []：SW_TECH组织名称Common Name （eg，YOUR name） []：127.0.0.1申请证书的域名（为了测试方便，此处使用本机回环地址）Email Address []：admin@aclmin.com管理员邮箱 （4）清除私钥密码
将加密的RSA密钥转成未加密的RSA密钥，避免每次读取都要求输入解密密码。使用命令openssl rsa -in privatekey.pem-out privatekey.pem.un
用私钥privatekey.pem.un和公钥cert.crt证书文件，在程序中使用并开发一个加密通讯的服务器。
3.2安全服务端实现
在安全服务端，需要传人私钥privatekey.pem.un和公钥cert.ert证书文件。私钥文件需要谨慎保存，一旦文件泄露或被第三方获取内容，在密钥过期之前第三方能一直冒充服务端欺骗客户端连接。服务端部分实现代码（基于Python，客户端相同1：
def tsl_server（address）：
context = ssl. create_default_context（ssl. Purpose. CLI-ENT_AUTH）
context. load_cert_chain（certfile= "cert. crt"， keyfile= "pri-vatekey.pem.un"）
listener =
socket. socket（socket. AF_INET，
socket.SOCK_STREAM）
listener.setsockopt（socket.SOL_SOCKET， socket.SO_REUSE-ADDR，11
lis，tener.bincl（address）
listener.listen（l）
print（’Listening at interface {！r） and port（".format（*address》
raw_sock， address= listener.accept0
print（’Connection from host {！r） and port {}’.format（*address》
ssl_sock= context.wrap_socket（raw_sock， server_side=True）
ssl_sock.sendall（’My name is TSLServer.’.encode（’ascii’》
ssl_sock.close0
3.3客户端实现
客户端需要公钥证书cert.crt文件，不需要服务端私钥。在测试时，需要提供与证书生成时对应的common name项对应的正确域名，本次测试使用127.0.0.1，在互联网环境中需要使用正确的域名。部分客户端代码：
def tsl_cleint（address）：
cafile= "{：ert.crt"
host， port= address
purpose= ssl.Purpose.SERVER_AUTH
context= ssl.create_default_context（purpose， caf/le=caf/le）
raw_sock = socket. socket（socket. AF_INET， socket.SOCK_STREAM）
raw_sock.connect《host， port》
print（’Connected to host（！r} and port {".format（host， port》
4测试与结论
4.1测试
启动服务端，同时启动RawCap抓包工具，运行客户端程序对服务端发送请求并获得服务端的返回数据。对本地ip抓包捕获9000端口内容，与没有采用TSL安全传输进行对比;对TSL握手阶段不同阶段的抓包内容进行对比。
对比图1和图2中内容，在没有采用TLS协议的TCP通信中，传输的是明文内容;使用了TSL协议之后，捕获的TCP传输内容不再可见，是加密的内容。
对比图3和图4中的内容，得知TSL握手协议的前面三次会话是采用的明文传输，所以服务端发送给客户端的证书也是明文传输的;直到会话密钥产生后的传输内容才采用密文传输。
4.2结论
在典型的TSL通信场景中，客户端向服务器索取证书，证书被信任机构签名生效，且包含一个公钥。客户端对证书中声明的身份进行第三方验证，确认其安全匹配。客户端与服务器就加密算法、压缩以及密钥等设定进行协商，最后使用协商结果的方案对套接字上双向传输的数据进行安全保护。
通过测试对比，采用TSL协议后的TCP传输内容为密文，对传输数据起到了明显的安全保护，进步改进TCP服务端，可以在此基础上构建出完整安全的TCP服务器。
参考文献：
[1]古尔利（David Gourley）等.HTTP权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2012.
[2] RESCORLA E.The Transport Layer Security （TLS） ProtocolVersion l.3 - draft - ietf - tls - tls13 - 10[DB/OL].[2018 - 03 -30].https：//tools.ietf.org/html/draft - ietf - tlstls13 - 10 （2015）.
[3] RESCORLA E.rlhe Transport Layer Security （TLS） Protocol Ver-sion l.3 - draft - ietf - tls - tls13 - 13[DB/OL].[2018 - 03 -30].https：//tools.ietf.org/htmUdraft - ietf - tlstls13 - 13 （2016）.
[4] RESCORLA E.’rhe Transport Layer Security （TLS） Protocol Ver-sion l.3 - draft - ietf - tls - tls13 - 18[DB/OL].[2018 - 03 -30].https：//tools.ietf.org/html/draft - ietf - tlstls13 - 18 （2016）.
[5]閆露，邓浩，江陈晓.TLS协议现状与研究综述[J].网络新媒体技术，2019，8（01）：1-8.
[6]百度百科.TSL[EB/OL].https：//baike. baidu. com/item/TLS/2979545.
[7]张兴隆，程庆丰，马建峰.TLS l.3协议研究进展[J].武汉大学学报：理学版，2018，64（06）：471-484.
[8]简书.OpenSSL下载安装[EB/OL].htfps：//www.jianshu.c om/p/12aldc4ah7aO
【通联编辑：代影】
收稿日期：2019-11-11
基金项目：湖南省教育厅科学研究规划课题（编号：17C0477）作者简介：文志华（1982-），男，湖南桃江人，讲师，硕士，主要研究方向为网络安全、智能医疗信息处理;周序生，副教授，硕士，主要
研究方向为网络安全、大数据处理。