分析 `Node.js` 中 `TLS/SSL` `Handshake` 过程，以及如何配置 `Secure Context`。

各位听众，晚上好！我是今天的主讲人，很高兴能和大家一起聊聊 Node.js 中的 TLS/SSL Handshake 以及 Secure Context 的配置。准备好了吗？让我们开始这场“加密探险”吧！

第一站：TLS/SSL Handshake 概览

想象一下，你在网上冲浪，突然想和某个网站进行一些“私密交流”，比如登录账号或者提交信用卡信息。这时候，就需要 TLS/SSL 来保护你们之间的对话，防止被“隔壁老王”偷听。

TLS/SSL Handshake，就像一个“握手协议”，在客户端和服务器之间建立起安全的加密连接。这个过程包含了一系列的步骤，确保双方身份可信，并协商好使用的加密算法。

简单来说，Handshake 主要做了以下几件事：

1. Hello阶段： 客户端向服务器问好，并表明自己支持的加密算法和协议版本，还会生成一个随机数 (Client Random)。服务器收到后，也会回复问好，并选择一个双方都支持的加密算法和协议版本，同时生成一个随机数 (Server Random)，并将自己的证书发送给客户端。
2. 证书验证阶段： 客户端验证服务器的证书，确认服务器的身份是可信的。这个过程涉及检查证书的有效期、签名是否有效，以及证书是否由受信任的 CA 签发。
3. 密钥交换阶段： 客户端生成一个预主密钥 (Pre-master Secret)，并使用服务器的公钥对其进行加密，然后发送给服务器。服务器收到后，使用自己的私钥解密得到预主密钥。
4. 密钥生成阶段： 客户端和服务器分别使用 Client Random, Server Random 和 Pre-master Secret，通过相同的算法生成会话密钥 (Session Key)。这个会话密钥将用于后续数据的加密和解密。
5. 完成阶段： 客户端和服务器分别发送加密的“Finished”消息，表明握手过程已完成，后续的数据传输将使用会话密钥进行加密。

可以用一个表格来概括这个过程：

步骤	客户端	服务器
Client Hello	发送 Client Hello 消息，包含支持的协议版本、加密算法列表、随机数 (Client Random) 等信息。	接收 Client Hello 消息，选择协议版本和加密算法。
Server Hello	接收 Server Hello 消息。	发送 Server Hello 消息，包含选择的协议版本、加密算法、随机数 (Server Random) 等信息。发送证书。
Certificate	验证服务器证书的有效性。	提供服务器证书。
Key Exchange	生成预主密钥 (Pre-master Secret)，使用服务器公钥加密后发送给服务器。	接收加密的预主密钥，使用私钥解密得到预主密钥。
Change Cipher Spec	通知服务器后续的消息将使用新的加密算法和密钥进行加密。	通知客户端后续的消息将使用新的加密算法和密钥进行加密。
Finished	发送加密的 Finished 消息。	发送加密的 Finished 消息。

第二站：Secure Context 的配置

在 Node.js 中，Secure Context 是 TLS/SSL 连接的核心配置对象。它包含了证书、私钥、加密算法等关键信息，决定了 Handshake 的行为和连接的安全性。

配置 Secure Context 主要涉及以下几个方面：

1. 证书和私钥： 这是最基本的要求。你需要提供服务器的证书 (通常是 .crt 或 .pem 格式) 和私钥 (通常是 .key 格式)。证书用于验证服务器的身份，私钥用于解密客户端发送的预主密钥。

2. CA 证书： 如果你的证书是由私有 CA 签发的，或者客户端需要验证服务器证书的完整性，那么你需要提供 CA 证书。

3. 加密算法： 可以指定服务器支持的加密算法列表。一般来说，选择一些安全性较高的算法，并禁用一些过时的或存在安全漏洞的算法。

4. 协议版本： 可以指定服务器支持的 TLS/SSL 协议版本。建议使用 TLS 1.2 或更高版本，因为 SSLv3 和 TLS 1.0/1.1 存在安全漏洞。

5. 会话缓存： 可以启用会话缓存，以提高连接的性能。会话缓存允许客户端和服务器重用之前的会话密钥，避免每次都进行完整的 Handshake。

下面是一个简单的 Secure Context 配置示例：

const fs = require('fs');
const tls = require('tls');

const options = {
  key: fs.readFileSync('server.key'), // 私钥
  cert: fs.readFileSync('server.crt'), // 证书
  ca: [fs.readFileSync('ca.crt')], // CA 证书 (可选)
  //ciphers: 'TLS_AES_128_GCM_SHA256:TLS_AES_256_GCM_SHA384', // 指定加密算法 (可选)
  //minVersion: 'TLSv1.2', // 指定最小协议版本 (可选)
  //sessionTimeout: 300, // 会话超时时间 (秒) (可选)
  requestCert: true, // 是否要求客户端提供证书 (可选)
  rejectUnauthorized: true, // 是否拒绝未授权的客户端证书 (可选)
};

const server = tls.createServer(options, (socket) => {
  console.log('客户端已连接:', socket.remoteAddress, socket.remotePort);

  socket.on('data', (data) => {
    console.log('接收到客户端数据:', data.toString());
    socket.write('服务器已收到您的消息!');
  });

  socket.on('end', () => {
    console.log('客户端已断开连接');
  });

  socket.on('error', (err) => {
    console.error('发生错误:', err);
  });
});

server.listen(4433, () => {
  console.log('TLS 服务器已启动，监听端口 4433');
});

这段代码创建了一个简单的 TLS 服务器，使用 server.key 和 server.crt 作为证书和私钥。如果需要验证客户端证书，可以设置 requestCert: true 和 rejectUnauthorized: true。

第三站：深入配置选项

让我们更深入地了解一些常用的 Secure Context 配置选项：

• key: 指定服务器私钥的路径或内容。
• cert: 指定服务器证书的路径或内容。
• ca: 指定 CA 证书的路径或内容。可以是一个数组，包含多个 CA 证书。
• pfx: 指定包含私钥和证书的 PFX 或 PKCS12 文件的路径或内容。
• ciphers: 指定服务器支持的加密算法列表。 这是一个字符串，包含多个加密算法的名称，用冒号分隔。例如：'TLS_AES_128_GCM_SHA256:TLS_AES_256_GCM_SHA384'。 你可以使用 openssl ciphers 命令来查看可用的加密算法列表。
• honorCipherOrder: 是否优先使用服务器指定的加密算法列表。 如果设置为 true，服务器将按照 ciphers 选项指定的顺序选择加密算法。
• minVersion: 指定服务器支持的最小 TLS/SSL 协议版本。 例如：'TLSv1.2'。
• maxVersion: 指定服务器支持的最大 TLS/SSL 协议版本。 例如：'TLSv1.3'。
• secureProtocol: 指定使用的 TLS/SSL 协议。 这是一个字符串，例如：'TLSv1_2_method'。 不建议使用这个选项，因为 minVersion 和 maxVersion 提供了更灵活的控制。
• sessionTimeout: 指定会话超时时间，单位为秒。 如果客户端在指定时间内没有发送任何数据，会话将失效。
• requestCert: 是否要求客户端提供证书。 如果设置为 true，服务器将要求客户端提供证书进行身份验证。
• rejectUnauthorized: 是否拒绝未授权的客户端证书。 如果设置为 true，服务器将拒绝任何未通过身份验证的客户端连接。
• SNICallback: 服务器名称指示 (SNI) 回调函数。 SNI 允许服务器根据客户端请求的主机名选择不同的证书。 这对于托管多个域名的服务器非常有用。

第四站：SNI 的妙用

SNI (Server Name Indication) 是 TLS 的一个扩展，允许客户端在 Handshake 过程中指定要访问的服务器主机名。这对于托管多个域名的服务器非常有用，因为服务器可以根据客户端请求的主机名选择不同的证书。

如果没有 SNI，服务器只能使用一个证书，这意味着所有域名都必须使用相同的证书，或者使用通配符证书。SNI 解决了这个问题，允许每个域名使用自己的证书。

下面是一个使用 SNI 的示例：

const fs = require('fs');
const tls = require('tls');

const options = {
  SNICallback: (servername, cb) => {
    let context;
    if (servername === 'example.com') {
      context = tls.createSecureContext({
        key: fs.readFileSync('example.com.key'),
        cert: fs.readFileSync('example.com.crt'),
      });
    } else if (servername === 'example.org') {
      context = tls.createSecureContext({
        key: fs.readFileSync('example.org.key'),
        cert: fs.readFileSync('example.org.crt'),
      });
    } else {
      // 默认证书
      context = tls.createSecureContext({
        key: fs.readFileSync('default.key'),
        cert: fs.readFileSync('default.crt'),
      });
    }
    cb(null, context);
  },
};

const server = tls.createServer(options, (socket) => {
  console.log('客户端已连接:', socket.remoteAddress, socket.remotePort, socket.servername);

  socket.on('data', (data) => {
    console.log('接收到客户端数据:', data.toString());
    socket.write('服务器已收到您的消息!');
  });

  socket.on('end', () => {
    console.log('客户端已断开连接');
  });

  socket.on('error', (err) => {
    console.error('发生错误:', err);
  });
});

server.listen(4433, () => {
  console.log('TLS 服务器已启动，监听端口 4433');
});

在这个例子中，SNICallback 函数根据客户端请求的主机名选择不同的 Secure Context。如果主机名是 example.com，则使用 example.com.key 和 example.com.crt 作为证书和私钥。如果主机名是 example.org，则使用 example.org.key 和 example.org.crt。如果主机名未知，则使用默认证书。

第五站：客户端配置

客户端也需要配置 TLS/SSL 连接，才能与服务器建立安全的连接。

以下是一个简单的客户端配置示例：

const tls = require('tls');
const fs = require('fs');

const options = {
  host: 'localhost',
  port: 4433,
  ca: [fs.readFileSync('ca.crt')], // 信任的 CA 证书 (可选)
  //rejectUnauthorized: false, // 允许未授权的证书 (不建议在生产环境中使用)
  servername: 'example.com' // 指定服务器主机名 (SNI)
};

const socket = tls.connect(options, () => {
  console.log('已连接到服务器');
  socket.write('你好，服务器!');
});

socket.on('data', (data) => {
  console.log('接收到服务器数据:', data.toString());
  socket.end();
});

socket.on('end', () => {
  console.log('已断开与服务器的连接');
});

socket.on('error', (err) => {
  console.error('发生错误:', err);
});

在这个例子中，客户端使用 tls.connect 函数连接到服务器。options 对象包含了连接所需的配置信息，例如服务器主机名、端口号和 CA 证书。

• host: 指定服务器主机名。
• port: 指定服务器端口号。
• ca: 指定信任的 CA 证书的路径或内容。
• pfx: 指定包含客户端证书和私钥的 PFX 或 PKCS12 文件的路径或内容。
• key: 指定客户端私钥的路径或内容。
• cert: 指定客户端证书的路径或内容。
• rejectUnauthorized: 是否拒绝未授权的服务器证书。 如果设置为 true，客户端将拒绝任何未通过身份验证的服务器连接。 建议在生产环境中使用 true，以确保连接的安全性。 如果设置为 false，客户端将接受任何服务器证书，即使它无效或不受信任。 这在开发和测试环境中可能很有用，但不要在生产环境中使用。
• servername: 指定服务器主机名 (SNI)。 如果服务器使用 SNI，则必须指定此选项。

第六站：常见问题与解决方案

在配置 TLS/SSL 连接时，可能会遇到一些常见问题：

1. 证书无效： 证书可能已过期、被吊销，或者由不受信任的 CA 签发。解决方法是检查证书的有效期和签名，并确保使用受信任的 CA 证书。

2. 加密算法不匹配： 客户端和服务器可能不支持相同的加密算法。解决方法是检查客户端和服务器的加密算法配置，并确保它们至少支持一种相同的算法。

3. 协议版本不匹配： 客户端和服务器可能不支持相同的 TLS/SSL 协议版本。解决方法是检查客户端和服务器的协议版本配置，并确保它们至少支持一个相同的版本。

4. SNI 配置错误： 如果服务器使用 SNI，但客户端没有指定主机名，或者指定的主机名不正确，连接可能会失败。解决方法是确保客户端正确配置了 servername 选项。

5. 权限问题： Node.js 进程可能没有读取证书和私钥文件的权限。解决方法是确保 Node.js 进程具有读取这些文件的权限。

第七站：安全最佳实践

最后，让我们来总结一些安全最佳实践：

1. 使用最新的 TLS/SSL 协议版本： 建议使用 TLS 1.2 或更高版本，因为 SSLv3 和 TLS 1.0/1.1 存在安全漏洞。

2. 选择安全性较高的加密算法： 避免使用过时的或存在安全漏洞的加密算法。

3. 定期更新证书： 证书通常有有效期，过期后需要重新颁发。

4. 保护私钥： 私钥是加密连接的关键，必须妥善保管，防止泄露。

5. 验证服务器证书： 客户端应该验证服务器证书的有效性，以防止中间人攻击。

6. 使用 SNI： 如果服务器托管多个域名，建议使用 SNI，以便每个域名可以使用自己的证书。

7. 定期进行安全审计： 定期检查 TLS/SSL 配置是否存在安全漏洞。

今天的“加密探险”就到这里了。希望通过这次讲座，大家对 Node.js 中的 TLS/SSL Handshake 和 Secure Context 的配置有了更深入的了解。记住，网络安全无小事，让我们一起努力，构建更安全的互联网世界！感谢大家的参与！