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关于java:网络协议之加密传输中的NPN和ALPN

jiezi

简介

自从 HTTP 从 1.1 降级到了 2，所有都变得不同了。尽管 HTTP2 没有强制说必须应用加密协议进行传输，然而业界的规范包含各大风行的浏览器都只反对 HTTPS 状况下的 HTTP2 协定。

那么怎么在 HTTPS 之中退出 HTTP2 协定的反对呢？明天本文将会跟大家聊一下 SSL/TLS 协定的扩大 NPN 和 ALPN。

SSL/TLS 协定

SSL(Secure Socket Layer) 安全套接层，是 1994 年由 Netscape 公司设计的一套协定，并与 1995 年公布了 3.0 版本。

TLS(Transport Layer Security) 传输层平安是 IETF 在 SSL3.0 根底上设计的协定，实际上相当于 SSL 的后续版本。

SSL/TLS 是一种明码通信框架，他是世界上应用最宽泛的明码通信办法。

TLS 次要分为两层，底层的是 TLS 记录协定，次要负责应用对称明码对音讯进行加密。

下层的是 TLS 握手协定，次要分为握手协定，明码规格变更协定和利用数据协定 4 个局部。

其中最重要的就是握手协定，通过客户端和服务器端的交互，和共享一些必要信息，从而生成共享密钥和交互证书。

接下来咱们一步步的介绍每一步的含意：

  1. client hello

    客户端向服务器端发送一个 client hello 的音讯，蕴含上面内容：

    • 可用版本号
    • 以后工夫
    • 客户端随机数
    • 会话 ID
    • 可用的明码套件清单
    • 可用的压缩形式清单

咱们之前提到了 TLS 其实是一套加密框架，其中的有些组件其实是能够替换的，这里可用版本号，可用的明码套件清单，可用的压缩形式清单就是向服务器询问对方反对哪些服务。

客户端随机数是一个由客户端生成的随机数，用来生成对称密钥。

  1. server hello

    服务器端收到 client hello 音讯后，会向客户端返回一个 server hello 音讯，蕴含如下内容：

    • 应用的版本号
    • 以后工夫
    • 服务器随机数
    • 会话 ID
    • 应用的明码套件
    • 应用的压缩形式

应用的版本号，应用的明码套件，应用的压缩形式是对步骤 1 的答复。

服务器随机数是一个由服务器端生成的随机数，用来生成对称密钥。

  1. 可选步骤:certificate

    服务器端发送本人的证书清单，因为证书可能是层级构造的，所以解决服务器本人的证书之外，还须要发送为服务器签名的证书。
    客户端将会对服务器端的证书进行验证。如果是以匿名的形式通信则不须要证书。

  2. 可选步骤:ServerKeyExchange

    如果第三步的证书信息有余，则能够发送 ServerKeyExchange 用来构建加密通道。

    ServerKeyExchange 的内容可能蕴含两种模式：

    • 如果抉择的是 RSA 协定，那么传递的就是 RSA 构建公钥明码的参数（E，N）。咱们回忆一下 RSA 中构建公钥的公式：$ 密文 = 明文 ^E\ mod\ N$，只有晓得了 E 和 N，那么就晓得了 RSA 的公钥，这里传递的就是 E，N 两个数字。具体内容能够参考 RSA 算法详解
    • 如果抉择的是 Diff-Hellman 密钥替换协定，那么传递的就是密钥替换的参数，具体内容能够参考更加平安的密钥生成办法 Diffie-Hellman

  3. 可选步骤:CertificateRequest

    如果是在一个受限拜访的环境，比方 fabric 中，服务器端也须要向客户端索要证书。
    如果并不需要客户端认证，则不须要此步骤。

  4. server hello done
    服务器端发送 server hello done 的音讯通知客户端本人的音讯完结了。

  5. 可选步骤:Certificate

    对步骤 5 的回应，客户端发送客户端证书给服务器

  6. ClientKeyExchange

    还是分两种状况：

    • 如果是公钥或者 RSA 模式状况下，客户端将依据客户端生成的随机数和服务器端生成的随机数，生成准备主明码，通过该公钥进行加密，返送给服务器端。
    • 如果应用的是 Diff-Hellman 密钥替换协定，则客户端会发送本人这一方要生成 Diff-Hellman 密钥而须要公开的值。具体内容能够参考更加平安的密钥生成办法 Diffie-Hellman，这样服务器端能够依据这个公开值计算出准备主明码。

  7. 可选步骤:CertificateVerify

    客户端向服务器端证实本人是客户端证书的持有者。

  8. ChangeCipherSpec(筹备切换明码)

    ChangeCipherSpec 是明码规格变更协定的音讯，示意前面的音讯将会以后面协商过的密钥进行加密。

  9. finished(握手协定完结)

    客户端通知服务器端握手协定完结了。

  10. ChangeCipherSpec(筹备切换明码)

    服务器端通知客户端本人要切换明码了。

  11. finished(握手协定完结)

    服务器端通知客户端，握手协定完结了。

  12. 切换到利用数据协定

    这之后服务器和客户端就是以加密的形式进行沟通了。

NPN 和 ALPN

下面咱们介绍 SSL/TLS 协定的时候，最初一步是切换到利用数据协定，那么客户端是怎么和服务器端探讨协商具体应用哪种利用数据协定呢？是应用 HTTP1.1？还是 HTTP2？还是 SPDY 呢？

这里就要用到 TLS 扩大协定了。而 NPN(Next Protocol Negotiation) 和 ALPN (Application Layer Protocol Negotiation) 就是两个 TLS 的扩大协定。

他们次要用在 TLS 中，用来协商客户端和服务器端到底应该应用什么利用数据协定进行沟通。

其中 NPN 是 SPDY 应用的扩大，而 ALPN 是 HTTP2 应用的扩大。

他们两个有什么区别呢？

相较于 NPN 来说，ALPN 在 client hello 音讯中曾经列出了客户端反对的应用层协定，服务器端只须要从中抉择出它反对的协定即可。比 NPN 少了一个交互的步骤，所以 ALPN 是举荐的协定。

上面是具体的交互流程图：

交互的例子

上面以 ALPN 为例，解说下具体的交互流程，首先是客户端发送”Client Hello“音讯：

    Handshake Type: Client Hello (1)
    Length: 141
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: dd67b5943e5efd0740519f38071008b59efbd68ab3114587...
    Session ID Length: 0
    Cipher Suites Length: 10
    Cipher Suites (5 suites)
    Compression Methods Length: 1
    Compression Methods (1 method)
    Extensions Length: 90
    [other extensions omitted]
    Extension: application_layer_protocol_negotiation (len=14)
        Type: application_layer_protocol_negotiation (16)
        Length: 14
        ALPN Extension Length: 12
        ALPN Protocol
            ALPN string length: 2
            ALPN Next Protocol: h2
            ALPN string length: 8
            ALPN Next Protocol: http/1.1

能够看到在 client hello 音讯中的 Extension 字段中，应用了 ALPN，并且列出了能够抉择应用的两种 ALPN Protocol：h2 和 http/1.1。

对应的“server hello”音讯会抉择出具体应用的 ALPN protocol 如下：

    Handshake Type: Server Hello (2)
    Length: 94
    Version: TLS 1.2 (0x0303)
    Random: 44e447964d7e8a7d3b404c4748423f02345241dcc9c7e332...
    Session ID Length: 32
    Session ID: 7667476d1d698d0a90caa1d9a449be814b89a0b52f470e2d...
    Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)
    Compression Method: null (0)
    Extensions Length: 22
    [other extensions omitted]
    Extension: application_layer_protocol_negotiation (len=5)
        Type: application_layer_protocol_negotiation (16)
        Length: 5
        ALPN Extension Length: 3
        ALPN Protocol
            ALPN string length: 2
            ALPN Next Protocol: h2

如上所示，服务器端抉择了 h2，最终当客户端和服务器端 TLS 握手完结之后，会抉择应用 HTTP2 作为后续的应用层数据协定。

总结

NPN 和 ALPN 都是 TLS 的扩大，相较而言，ALPN 更加好用。

本文已收录于 http://www.flydean.com/08-ssl-tls-npn-alpn/

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