SSL (Secure Sockets Layer) 安全套接層，是壹種安全協議，經歷了 SSL 1.0、2.0、3.0 版本後發展成了標準安全協議 - TLS (Transport Layer Security) 傳輸層安全性協議。TLS 有 1.0 (RFC 2246)、1.1(RFC 4346)、1.2(RFC 5246)、1.3(RFC 8446) 版本。
TLS 在實現上分為 記錄層 和 握手層 兩層，其中握手層又含四個子協議: 握手協議 (handshake protocol)、更改加密規範協議 (change cipher spec protocol)、應用數據協議 (application data protocol) 和警告協議 (alert protocol)
只需配置瀏覽器和服務器相關設置開啟 TLS，即可實現 HTTPS，TLS 高度解耦，可裝可卸，與上層高級應用層協議相互協作又相互獨立。
TLS/SSL 的功能實現主要依賴於三類基本算法：散列函數 Hash、對稱加密和非對稱加密，其利用非對稱加密實現身份認證和密鑰協商，對稱加密算法采用協商的密鑰對數據加密，基於散列函數驗證信息的完整性。
TLS 的基本工作方式是，客戶端使用非對稱加密與服務器進行通信，實現身份驗證並協商對稱加密使用的密鑰，然後對稱加密算法采用協商密鑰對信息以及信息摘要進行加密通信，不同的節點之間采用的對稱密鑰不同，從而可以保證信息只能通信雙方獲取。
例如，在 HTTPS 協議中，客戶端發出請求，服務端會將公鑰發給客戶端，客戶端驗證過後生成壹個密鑰再用公鑰加密後發送給服務端（非對稱加密），雙方會在 TLS 握手過程中生成壹個協商密鑰（對稱密鑰），成功後建立加密連接。通信過程中客戶端將請求數據用協商密鑰加密後發送，服務端也用協商密鑰解密，響應也用相同的協商密鑰。後續的通信使用對稱加密是因為對稱加解密快，而握手過程中非對稱加密可以保證加密的有效性，但是過程復雜，計算量相對來說也大。
記錄協議負責在傳輸連接上交換的所有底層消息，並且可以配置加密。每壹條 TLS 記錄以壹個短標頭開始。標頭包含記錄內容的類型 (或子協議)、協議版本和長度。原始消息經過分段 (或者合並)、壓縮、添加認證碼、加密轉為 TLS 記錄的數據部分。
記錄層將信息塊分割成攜帶 2^14 字節 (16KB) 或更小塊的數據的 TLSPlaintext 記錄。
記錄協議傳輸由其他協議層提交給它的不透明數據緩沖區。如果緩沖區超過記錄的長度限制（2^14），記錄協議會將其切分成更小的片段。反過來也是可能的，屬於同壹個子協議的小緩沖區也可以組合成壹個單獨的記錄。
壓縮算法將 TLSPlaintext 結構轉換為 TLSCompressed 結構。如果定義 CompressionMethod 為 null 表示不壓縮
流加密（BulkCipherAlgorithm）將 TLSCompressed.fragment 結構轉換為流 TLSCiphertext.fragment 結構
MAC 產生方法如下：
seq_num（記錄的序列號）、hash（SecurityParameters.mac_algorithm 指定的哈希算法）
塊加密（如 RC2 或 DES），將 TLSCompressed.fragment 結構轉換為塊 TLSCiphertext.fragment 結構
padding: 添加的填充將明文長度強制為塊密碼塊長度的整數倍。填充可以是長達 255 字節的任何長度，只要滿足 TLSCiphertext.length 是塊長度的整數倍。長度大於需要的值可以阻止基於分析交換信息長度的協議攻擊。填充數據向量中的每個 uint8 必須填入填充長度值 (即 padding_length)。
padding_length: 填充長度應該使得 GenericBlockCipher 結構的總大小是加密塊長度的倍數。合法值範圍從零到 255（含）。 該長度指定 padding_length 字段本身除外的填充字段的長度
加密塊的數據長度（TLSCiphertext.length）是 TLSCompressed.length，CipherSpec.hash_size 和 padding_length 的總和加壹
加密和 MAC 功能將 TLSCompressed 結構轉換為 TLSCiphertext。記錄的 MAC 還包括序列號，以便可以檢測到丟失，額外或重復的消息。
記錄協議需要壹種算法，從握手協議提供的安全性參數生成密鑰、 IV 和 MAC secret.
主密鑰 (Master secret): 在連接中雙方***享的壹個 48 字節的密鑰
客戶隨機數 (client random): 由客戶端提供的 32 字節值
服務器隨機數 (server random): 由服務器提供的 32 字節值
握手是 TLS 協議中最精密復雜的部分。在這個過程中，通信雙方協商連接參數，並且完成身 份驗證。根據使用的功能的不同，整個過程通常需要交換 6~10 條消息。根據配置和支持的協議擴展的不同，交換過程可能有許多變種。在使用中經常可以觀察到以下三種流程：(1) 完整的握手， 對服務器進行身份驗證；(2) 恢復之前的會話采用的簡短握手；(3) 對客戶端和服務器都進行身份驗證的握手。
握手協議消息的標頭信息包含消息類型（1 字節）和長度（3 字節），余下的信息則取決於消息類型：
每壹個 TLS 連接都會以握手開始。如果客戶端此前並未與服務器建立會話，那麽雙方會執行壹次完整的握手流程來協商 TLS 會話。握手過程中，客戶端和服務器將進行以下四個主要步驟:
下面介紹最常見的握手規則，壹種不需要驗證客戶端身份但需要驗證服務器身份的握手:
這條消息將客戶端的功能和首選項傳送給服務器。
是將服務器選擇的連接參數傳回客戶端。
這個消息的結構與 ClientHello 類似，只是每個字段只包含壹個選項，其中包含服務端的 random_S 參數 (用於後續的密鑰協商)。服務器無需支持客戶端支持的最佳版本。如果服務器不支持與客戶端相同的版本，可以提供某個其他版本以期待客戶端能夠接受
圖中的 Cipher Suite 是後續密鑰協商和身份驗證要用的加密套件，此處選擇的密鑰交換與簽名算法是 ECDHE_RSA，對稱加密算法是 AES-GCM，後面會講到這個
還有壹點默認情況下 TLS 壓縮都是關閉的，因為 CRIME 攻擊會利用 TLS 壓縮恢復加密認證 cookie，實現會話劫持，而且壹般配置 gzip 等內容壓縮後再壓縮 TLS 分片效益不大又額外占用資源，所以壹般都關閉 TLS 壓縮
典型的 Certificate 消息用於攜帶服務器 X.509 證書鏈 。
服務器必須保證它發送的證書與選擇的算法套件壹致。比方說，公鑰算法與套件中使用的必須匹配。除此以外，壹些密鑰交換算法依賴嵌入證書的特定數據，而且要求證書必須以客戶端支持的算法簽名。所有這些都表明服務器需要配置多個證書（每個證書可能會配備不同的證書鏈）。
Certificate 消息是可選的，因為並非所有套件都使用身份驗證，也並非所有身份驗證方法都需要證書。更進壹步說，雖然消息默認使用 X.509 證書，但是也可以攜帶其他形式的標誌；壹些套件就依賴 PGP 密鑰
攜帶密鑰交換需要的額外數據。ServerKeyExchange 是可選的，消息內容對於不同的協商算法套件會存在差異。部分場景下，比如使用 RSA 算法時，服務器不需要發送此消息。
ServerKeyExchange 僅在服務器證書消息（也就是上述 Certificate 消息）不包含足夠的數據以允許客戶端交換預主密鑰（premaster secret）時才由服務器發送。
比如基於 DH 算法的握手過程中，需要單獨發送壹條 ServerKeyExchange 消息帶上 DH 參數:
表明服務器已經將所有預計的握手消息發送完畢。在此之後，服務器會等待客戶端發送消息。
客戶端驗證證書的合法性，如果驗證通過才會進行後續通信，否則根據錯誤情況不同做出提示和操作，合法性驗證內容包括如下:
由 PKI 體系 的內容可知，對端發來的證書簽名是 CA 私鑰加密的，接收到證書後，先讀取證書中的相關的明文信息，采用相同的散列函數計算得到信息摘要，然後利用對應 CA 的公鑰解密簽名數據，對比證書的信息摘要，如果壹致，則可以確認證書的合法性；然後去查詢證書的吊銷情況等
合法性驗證通過之後，客戶端計算產生隨機數字的預主密鑰（Pre-master），並用證書公鑰加密，發送給服務器並攜帶客戶端為密鑰交換提供的所有信息。這個消息受協商的密碼套件的影響，內容隨著不同的協商密碼套件而不同。
此時客戶端已經獲取全部的計算協商密鑰需要的信息: 兩個明文隨機數 random_C 和 random_S 與自己計算產生的 Pre-master，然後得到協商密鑰(用於之後的消息加密)
圖中使用的是 ECDHE 算法，ClientKeyExchange 傳遞的是 DH 算法的客戶端參數，如果使用的是 RSA 算法則此處應該傳遞加密的預主密鑰
通知服務器後續的通信都采用協商的通信密鑰和加密算法進行加密通信
Finished 消息意味著握手已經完成。消息內容將加密，以便雙方可以安全地交換驗證整個握手完整性所需的數據。
這個消息包含 verify_data 字段，它的值是握手過程中所有消息的散列值。這些消息在連接兩端都按照各自所見的順序排列，並以協商得到的主密鑰 (enc_key) 計算散列。這個過程是通過壹個偽隨機函數（pseudorandom function，PRF）來完成的，這個函數可以生成任意數量的偽隨機數據。
兩端的計算方法壹致，但會使用不同的標簽（finished_label）：客戶端使用 client finished，而服務器則使用 server finished。
因為 Finished 消息是加密的，並且它們的完整性由協商 MAC 算法保證，所以主動網絡攻擊者不能改變握手消息並對 vertify_data 的值造假。在 TLS 1.2 版本中，Finished 消息的長度默認是 12 字節（96 位），並且允許密碼套件使用更長的長度。在此之前的版本，除了 SSL 3 使用 36 字節的定長消息，其他版本都使用 12 字節的定長消息。
服務器用私鑰解密加密的 Pre-master 數據，基於之前交換的兩個明文隨機數 random_C 和 random_S，同樣計算得到協商密鑰: enc_key = PRF(Pre_master, "master secret", random_C + random_S) ;
同樣計算之前所有收發信息的 hash 值，然後用協商密鑰解密客戶端發送的 verify_data_C，驗證消息正確性;
服務端驗證通過之後，服務器同樣發送 change_cipher_spec 以告知客戶端後續的通信都采用協商的密鑰與算法進行加密通信（圖中多了壹步 New Session Ticket，此為會話票證，會在會話恢復中解釋）;
服務器也結合所有當前的通信參數信息生成壹段數據 (verify_data_S) 並采用協商密鑰 session secret (enc_key) 與算法加密並發送到客戶端;
客戶端計算所有接收信息的 hash 值，並采用協商密鑰解密 verify_data_S，驗證服務器發送的數據和密鑰，驗證通過則握手完成;
開始使用協商密鑰與算法進行加密通信。
HTTPS 通過 TLS 層和證書機制提供了內容加密、身份認證和數據完整性三大功能。加密過程中，需要用到非對稱密鑰交換和對稱內容加密兩大算法。
對稱內容加密強度非常高，加解密速度也很快，只是無法安全地生成和保管密鑰。在 TLS 協議中，最後的應用數據都是經過對稱加密後傳輸的，傳輸中所使用的對稱協商密鑰(上文中的 enc_key)，則是在握手階段通過非對稱密鑰交換而來。常見的 AES-GCM、ChaCha20-Poly1305，都是對稱加密算法。
非對稱密鑰交換能在不安全的數據通道中，產生只有通信雙方才知道的對稱加密密鑰。目前最常用的密鑰交換算法有 RSA 和 ECDHE。
RSA 歷史悠久，支持度好，但不支持 完美前向安全 - PFS(Perfect Forward Secrecy) ；而 ECDHE 是使用了 ECC（橢圓曲線）的 DH（Diffie-Hellman）算法，計算速度快，且支持 PFS。
在 PKI 體系 壹節中說明了僅有非對稱密鑰交換還是無法抵禦 MITM 攻擊的，所以需要引入了 PKI 體系的證書來進行身份驗證，其中服務端非對稱加密產生的公鑰會放在證書中傳給客戶端。
在 RSA 密鑰交換中，瀏覽器使用證書提供的 RSA 公鑰加密相關信息，如果服務端能解密，意味著服務端擁有與公鑰對應的私鑰，同時也能算出對稱加密所需密鑰。密鑰交換和服務端認證合並在壹起。
在 ECDH 密鑰交換中，服務端使用私鑰 (RSA 或 ECDSA) 對相關信息進行簽名，如果瀏覽器能用證書公鑰驗證簽名，就說明服務端確實擁有對應私鑰，從而完成了服務端認證。密鑰交換則是各自發送 DH 參數完成的，密鑰交換和服務端認證是完全分開的。
可用於 ECDHE 數字簽名的算法主要有 RSA 和 ECDSA - 橢圓曲線數字簽名算法 ，也就是目前密鑰交換 + 簽名有三種主流選擇:
比如我的網站使用的加密套件是 ECDHE_RSA，可以看到數字簽名算法是 sha256 哈希加 RSA 加密，在 PKI 體系 壹節中講了簽名是服務器信息摘要的哈希值加密生成的
內置 ECDSA 公鑰的證書壹般被稱之為 ECC 證書，內置 RSA 公鑰的證書就是 RSA 證書。因為 256 位 ECC Key 在安全性上等同於 3072 位 RSA Key，所以 ECC 證書體積比 RSA 證書小，而且 ECC 運算速度更快，ECDHE 密鑰交換 + ECDSA 數字簽名是目前最好的加密套件
以上內容來自本文: 開始使用 ECC 證書
關於 ECC 證書的更多細節可見文檔: ECC Cipher Suites for TLS - RFC4492
使用 RSA 進行密鑰交換的握手過程與前面說明的基本壹致，只是沒有 ServerKeyExchange 消息，其中協商密鑰涉及到三個參數 (客戶端隨機數 random_C、服務端隨機數 random_S、預主密鑰 Premaster secret)，
其中前兩個隨機數和協商使用的算法是明文的很容易獲取，最後壹個 Premaster secret 會用服務器提供的公鑰加密後傳輸給服務器 (密鑰交換)，如果這個預主密鑰被截取並破解則協商密鑰也可以被破解。
RSA 算法的細節見: wiki 和 RSA算法原理（二）- 阮壹峰
RSA 的算法核心思想是利用了極大整數 因數分解 的計算復雜性
而使用 DH(Diffie-Hellman) 算法 進行密鑰交換，雙方只要交換各自的 DH 參數(在 ServerKeyExchange 發送 Server params，在 ClientKeyExchange 發送 Client params)，不需要傳遞 Premaster secret，就可以各自算出這個預主密鑰
DH 的握手過程如下，大致過程與 RSA 類似，圖中只表達如何生成預主密鑰:
服務器通過私鑰將客戶端隨機數 random_C，服務端隨機數 random_S，服務端 DH 參數 Server params 簽名生成 signature，然後在 ServerKeyExchange 消息中發送服務端 DH 參數和該簽名；
客戶端收到後用服務器給的公鑰解密驗證簽名，並在 ClientKeyExchange 消息中發送客戶端 DH 參數 Client params；
服務端收到後，雙方都有這兩個參數，再各自使用這兩個參數生成預主密鑰 Premaster secret，之後的協商密鑰等步驟與 RSA 基本壹致。
關於 DH 算法如何生成預主密鑰，推薦看下 Wiki 和 Ephemeral Diffie-Hellman handshake
其核心思想是利用了 離散對數問題 的計算復雜性
算法過程可以抽象成下圖:
雙方預先商定好了壹對 P g 值 (公開的)，而 Alice 有壹個私密數 a(非公開，對應壹個私鑰)，Bob 有壹個私密數 b(非公開，對應壹個私鑰)
對於 Alice 和 Bob 來說通過對方發過來的公鑰參數和自己手中的私鑰可以得到最終相同的密鑰
而第三方最多知道 P g A B，想得到私鑰和最後的密鑰很困難，當然前提是 a b P 足夠大 (RFC3526 文檔中有幾個常用的大素數可供使用)，否則暴力破解也有可能試出答案，至於 g 壹般取個較小值就可以
如下幾張圖是實際 DH 握手發送的內容:
可以看到雙方發給對方的參數中攜帶了壹個公鑰值，對應上述的 A 和 B
而且實際用的加密套件是 橢圓曲線 DH 密鑰交換 (ECDH) ，利用由橢圓曲線加密建立公鑰與私鑰對可以更進壹步加強 DH 的安全性，因為目前解決橢圓曲線離散對數問題要比因式分解困難的多，而且 ECC 使用的密鑰長度比 RSA 密鑰短得多(目前 RSA 密鑰需要 2048 位以上才能保證安全，而 ECC 密鑰 256 位就足夠)
關於 橢圓曲線密碼學 - ECC ，推薦看下 A Primer on Elliptic Curve Cryptography - 原文 - 譯文
盡管可以選擇對任意壹端進行身份驗證，但人們幾乎都啟用了對服務器的身份驗證。如果服務器選擇的套件不是匿名的，那麽就需要在 Certificate 消息中跟上自己的證書。
相比之下，服務器通過發送 CertificateRequest 消息請求對客戶端進行身份驗證。消息中列出所有可接受的客戶端證書。作為響應，客戶端發送自己的 Certificate 消息（使用與服務器發送證書相同的格式），並附上證書。此後，客戶端發送 CertificateVerify 消息，證明自己擁有對應的私鑰。
只有已經過身份驗證的服務器才被允許請求客戶端身份驗證。基於這個原因，這個選項也被稱為相互身份驗證（mutual authentication）。
在 ServerHello 的過程中發出，請求對客戶端進行身份驗證，並將其接受的證書的公鑰和簽名算法傳送給客戶端。
它也可以選擇發送壹份自己接受的證書頒發機構列表，這些機構都用其可分辨名稱來表示:
在 ClientKeyExchange 的過程中發出，證明自己擁有的私鑰與之前發送的客戶端證書中的公鑰匹配。消息中包含壹條到這壹步為止的所有握手消息的簽名：
最初的會話恢復機制是，在壹次完整協商的連接斷開時，客戶端和服務器都會將會話的安全參數保存壹段時間。希望使用會話恢復的服務器為會話指定唯壹的標識，稱為會話 ID(Session ID)。服務器在 ServerHello 消息中將會話 ID 發回客戶端。
希望恢復早先會話的客戶端將適當的 Session ID 放入 ClientHello 消息，然後提交。服務器如果同意恢復會話，就將相同的 Session ID 放入 ServerHello 消息返回，接著使用之前協商的主密鑰生成壹套新的密鑰，再切換到加密模式，發送 Finished 消息。
客戶端收到會話已恢復的消息以後，也進行相同的操作。這樣的結果是握手只需要壹次網絡往返。
Session ID 由服務器端支持，協議中的標準字段，因此基本所有服務器都支持，服務器端保存會話 ID 以及協商的通信信息，占用服務器資源較多。
用來替代服務器會話緩存和恢復的方案是使用會話票證（Session ticket）。使用這種方式，除了所有的狀態都保存在客戶端（與 HTTP Cookie 的原理類似）之外，其消息流與服務器會話緩存是壹樣的。
其思想是服務器取出它的所有會話數據（狀態）並進行加密 (密鑰只有服務器知道)，再以票證的方式發回客戶端。在接下來的連接中，客戶端恢復會話時在 ClientHello 的擴展字段 session_ticket 中攜帶加密信息將票證提交回服務器，由服務器檢查票證的完整性，解密其內容，再使用其中的信息恢復會話。
這種方法有可能使擴展服務器集群更為簡單，因為如果不使用這種方式，就需要在服務集群的各個節點之間同步會話。
Session ticket 需要服務器和客戶端都支持，屬於壹個擴展字段，占用服務器資源很少。