Transport Layer Security

La première version de SSL parue, la SSL 2.0, possédait un certain nombre de défauts de sécurité, parmi lesquels la possibilité de forcer l'utilisation d'algorithmes de chiffrement plus faibles, ou bien une absence de protection pour la prise de contact et la possibilité pour un attaquant d'exécuter des attaques par troncature[3]. Les protocoles PCT 1.0, puis SSL 3.0, furent développés pour résoudre la majeure partie de ces problèmes, le second devenant rapidement le protocole le plus populaire pour sécuriser les échanges sur Internet.

• 1994[4] : SSL 1.0. Cette première spécification du protocole développé par Netscape resta théorique et ne fut jamais mise en œuvre[5].
• Février 1995 : publication de la norme SSL 2.0, première version de SSL réellement utilisée. Elle fut également la première implémentation de SSL bannie, en mars 2011 (RFC 6176).
• Novembre 1996 : SSL 3.0, la dernière version de SSL, qui inspirera son successeur TLS. Ses spécifications sont rééditées en août 2008 dans la RFC 6101[6]. Le protocole est banni en 2014, à la suite de la publication de la faille POODLE, ce bannissement est définitivement ratifié en juin 2015 (RFC 7568).

Le protocole TLS n'est pas structurellement différent de la version 3 de SSL, mais des modifications dans l'utilisation des fonctions de hachage font que les deux protocoles ne sont pas directement interopérables. Cependant TLS, comme SSLv3, intègre un mécanisme de compatibilité ascendante avec les versions précédentes, c'est-à-dire qu'au début de la phase de négociation, le client et le serveur négocient la « meilleure » version du protocole disponible par tous deux. Pour des raisons de sécurité, détaillées dans la RFC 6176 parue en 2011, la compatibilité de TLS avec la version 2 de SSL est abandonnée[7].

La génération des clés symétriques est un peu plus sécurisée dans TLS que dans SSLv3 dans la mesure où aucune étape de l'algorithme ne repose uniquement sur MD5 pour lequel sont apparues des faiblesses en cryptanalyse.

• Janvier 1999 : Publication de la norme TLS 1.0. TLS est le protocole développé par l'IETF pour succéder au SSL[8]. Plusieurs améliorations lui sont apportées par la suite :
  • Octobre 1999 : ajout du protocole Kerberos à TLS[9] ;
  • Mai 2000 : passage à TLS lors d'une session HTTP 1.1[10] ;
  • Juin 2002 : support du système de chiffrement AES par TLS[11].
• Avril 2006 : publication de la norme TLS 1.1[12].
• Août 2008 : publication de la norme TLS 1.2[13].
• Mars 2011 (RFC 6176) : abandon de la compatibilité avec SSLv2 pour toutes les versions de TLS.
• Avril 2014 : 1^er brouillon pour TLS 1.3[14].
• Juin 2015 : abandon de la compatibilité avec SSLv2 et SSLv3[15].
• Mars 2018 : Nouveau brouillon de TLS 1.3[16]
• Août 2018 : publication de la norme TLS 1.3[17]^,[18]. Les principales évolutions sont l'abandon du support des algorithmes trop faibles comme MD4, RC4, DSA ou SHA-224, une négociation en moins d'étapes (plus rapide par rapport à TLS 1.2), et une réduction de la vulnérabilité aux attaques par replis.

La première version professionnelle de TLS 1.3 est wolfSSL, publiée en mai 2017[19].

La plupart des navigateurs sont aussi des clients TLS. Les navigateurs web supportant par défaut la dernière version TLS 1.2 sont :

• Apple Safari 7 et suivants ;
• Google Chrome et Chromium 30 et suivants ;
• Microsoft Internet Explorer 11 et suivants ;
• Mozilla Firefox 27 et suivants ;
• Opera 17 et suivants ;
• Microsoft Edge.

Les principaux développeurs de navigateurs web ont annoncé mettre fin à leur support de TLS 1.1 et versions précédentes à partir du printemps 2020[20].

HTTPS Everywhere est une extension pour navigateur web qui permet d'étendre l'usage du SSL/TLS sur certains sites. Elle active le chiffrement sur les pages où il est normalement désactivé. Ceci ne peut évidemment fonctionner que si le site en question supporte déjà TLS[21]. L'extension est maintenue conjointement par le projet Tor et l'EFF depuis 2010[22].

Dans la majorité des cas, l'utilisateur authentifie le serveur TLS sur lequel il se connecte. Cette authentification est réalisée par l'utilisation d'un certificat numérique X.509 délivré par une autorité de certification (AC). Des applications web peuvent utiliser l'authentification du poste client en exploitant TLS. Il est alors possible d'offrir une authentification mutuelle entre le client et le serveur. Le certificat client peut être stocké au format logiciel sur le poste client ou fourni par un dispositif matériel (carte à puce, token USB). Cette solution permet d'offrir des mécanismes d'authentification forte.

Message d'avertissement du navigateur web Firefox s'affichant si le certificat envoyé par le serveur est auto-signé.

Lorsqu'un utilisateur se connecte à un site web qui utilise TLSv1.2 (ou inférieur), les étapes suivantes ont lieu :

1. le navigateur du client envoie au serveur une demande de mise en place de connexion sécurisée par TLS.
2. Le serveur envoie au client son certificat : celui-ci contient sa clé publique, ses informations (nom de la société, adresse postale, pays, e-mail de contact...) ainsi qu'une signature numérique.
3. Le navigateur du client tente de vérifier la signature numérique du certificat du serveur en utilisant les clés publiques contenues dans les certificats des autorités de certifications (AC) intégrées par défaut dans le navigateur.
   1. Si l'une d'entre elles fonctionne, le navigateur web en déduit le nom de l'autorité de certification qui a signé le certificat envoyé par le serveur. Il vérifie que celui-ci n'est pas expiré puis envoie une demande OCSP à cette autorité pour vérifier que le certificat du serveur n'a pas été révoqué.
   2. Si aucune d'entre elles ne fonctionne, le navigateur web tente de vérifier la signature numérique du certificat du serveur à l'aide de la clé publique contenue dans celui-ci.
      1. En cas de réussite, cela signifie que le serveur web a lui-même signé son certificat. Un message d'avertissement s'affiche alors sur le navigateur web, prévenant l'utilisateur que l'identité du serveur n'a pas été vérifiée par une autorité de certification et qu'il peut donc s'agir potentiellement d'un site frauduleux.
      2. En cas d'échec, le certificat est invalide, la connexion ne peut pas aboutir.
4. Le navigateur du client génère une clé de chiffrement symétrique, appelée clé de session, qu'il chiffre à l'aide de la clé publique contenue dans le certificat du serveur puis transmet cette clé de session au serveur.
5. Le serveur déchiffre la clé de session envoyée par le client grâce à sa clé privée.
6. Le client et le serveur commencent à s'échanger des données en chiffrant celles-ci avec la clé de session qu'ils ont en commun. On considère à partir de ce moment que la connexion TLS est alors établie entre le client et le serveur.
7. Une fois la connexion terminée (déconnexion volontaire de l'utilisateur ou si durée d’inactivité trop élevée), le serveur révoque la clé de session.

Optionnel : si le serveur nécessite également que le client s'authentifie, le client lui envoie son propre certificat en même temps que la clé de session. Le serveur procède alors comme détaillé au point n°3 pour vérifier que le certificat du client est valide.

Depuis TLSv1.3, l'échange de la clé de session doit obligatoirement se faire via Diffie-Hellman avec courbes elliptiques (ECDHE) : le RSA ne peut plus être utilisé pour cela.

Dans la pile de protocole TCP/IP, SSL se situe entre la couche application (comme HTTP, FTP, SMTP, etc.) et la couche transport TCP.
Son utilisation la plus commune reste cependant en dessous de HTTP. Le protocole SSL est implémenté par la couche session de la pile, ce qui a deux conséquences :

• pour toute application existante utilisant TCP, il peut exister une application utilisant SSL. Par exemple, l'application HTTPS correspond à HTTP au-dessus de SSL ou encore DNS over TLS ;
• une application SSL se voit attribuer un nouveau numéro de port par l'IANA. Par exemple HTTPS est associé au port 443. Dans certains cas, le même port est utilisé avec et sans SSL. Dans ce cas, la connexion est initiée en mode non chiffré. Le tunnel est ensuite mis en place au moyen du mécanisme StartTLS. C'est le cas, par exemple, des protocoles IMAP, SMTP ou LDAP.

L'authentification du serveur et du client peuvent se faire par le biais de certificats électroniques soit par le biais de secrets pré-partagés (ou Pre-shared key)[27]. L'authentification est optionnelle.

Création d'une session TLS 1.2

Les messages échangés par le biais de TLS sont appelés record. En général, ces messages sont encapsulés dans des datagrammes TCP. Une variante sur UDP existe et s'appelle DTLS. Il existe quatre types de records :

• Les messages Handshake permettent de négocier la version TLS, les suites cryptographiques utilisées (ou cipher suites), les algorithmes de compression, permettent le partage d'un secret (ou pre-master secret) et de données aléatoires à partir duquel sera générée la clef de session (ou master secret) pour chiffrer les données et, de façon optionnelle, l'authentification du serveur et du client
• Les messages de type Alert fournissent des erreurs et leur sévérité : warning ou fatal. Toute erreur fatale a pour conséquence la terminaison de la session
• Les messages de type Change Cipher Spec indiquent le changement de suites cryptographiques dans les échanges
• Les messages Application data correspondent aux données chiffrées et compressées suivant les paramètres de chiffrement et de compression préalablement établis entre le client et le serveur

La sécurité est réalisée d'une part par un chiffrement asymétrique, comme le chiffrement RSA, qui permet, après authentification de la clé publique du serveur, la constitution d'un secret partagé entre le client et le serveur, d'autre part par un chiffrement symétrique (beaucoup plus rapide que les chiffrements asymétriques), comme l'AES, qui est utilisé dans la phase d'échange de données, les clés de chiffrement symétrique étant calculées à partir du secret partagé. Une fonction de hachage, comme SHA-1, est également utilisée, entre autres, pour assurer l'intégrité et l'authentification des données (via par exemple HMAC).

Plus exactement, les messages Application data sont chiffrés grâce à une clé de chiffrement et un algorithme de chiffrement symétrique par bloc comme AES 128 ou par flux comme CHACHA20. Ils sont authentifiés soit grâce une fonction HMAC soit directement grâce au mode d'opération du chiffrement symétrique par bloc.

Les clés de chiffrement et les clés HMAC sont générées à partir d'un secret échangé entre les deux pairs (pre-master secret), les données aléatoires échangées durant la phase d'Handshake et l'utilisation d'une fonction de dérivation des clés se basant sur HMAC. Cet échange de secret peut être authentifié (ou non) via l'utilisation d"un algorithme de signature numérique comme DSA ou l'algorithme RSA.

Au total, il y a cinq types de clés cryptographiques utilisées lors d'une session TLS :

• Clés publiques/privées Diffie-Hellman du serveur et du client : pour l'échange du secret via l'algorithme Diffie-Hellman, si utilisé
• Clés privées du serveur et du client : pour signer les données envoyées lors de la phase d'échange du secret. La signature des données est optionnelle et dépend de la négociation des suites cryptographiques
• Clés publiques du serveur et du client : pour vérifier l'authenticité du pair lors de la phase d'échange du secret. La vérification est optionnelle et dépend de la négociation des suites cryptographiques. Dans le cas où l'échange du secret est réalisé par RSA et non Diffie-Hellman, le secret est chiffré avec la clé publique du serveur avant d'être envoyé par le client. Ces clés sont fournies lors de la phase de Handshake via les certificats électroniques
• Clés de chiffrement du serveur et du client : pour chiffrer les données applicatives. Selon les fonctions de chiffrement utilisées, elles peuvent aussi permettre d'authentifier les données applicatives
• Clés MAC du serveur et du client : pour authentifier les données applicatives si la fonction de chiffrement de le permet pas

Les suites cryptographiques utilisées ont le format suivant :

• Pour TLS 1.2 : TLS_KE_CIPHER_HASH.
• Pour TLS 1.3 : TLS_CIPHER_HASH

où KE indique un algorithme d'échanges de secrets, CIPHER un algorithme de chiffrement symétrique, et HASH une fonction de hachage. La fonction HMAC est dérivée de la fonction de hachage.

Par exemple, la suite cryptographique TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 indique que le pair peut utiliser l'algorithme d'échange de clefs Diffie-Hellman éphémère sur courbes elliptiques authentifié par l'algorithme de signature ECDSA, l’algorithme de chiffrement symétrique AES 128 en mode GCM et la fonction de hachage SHA256.

Dans la version 1.2, l'algorithme d'échanges de secrets peut être RSA ou une variante de l'algorithme Diffie-Hellman (authentifié ou non, éphémère ou non, sur courbes elliptiques ou non) alors que pour la version 1.3 seul l'algorithme Diffie-Hellman éphémère est autorisé et la fonction de signature numérique est précisée dans des extensions des messages ClientHello, ServerHello et HelloRetryRequest de la phase de Handshake.

• (en) Eric Rescorla, SSL and TLS, Designing and Building Secure Systems, Addison Wesley, 2001.
• Olivier Levillain, 2012, SSL/TLS : état des lieux et recommandations, ANSSI 2012, .
• Olivier Levillain, 2015, SSL/TLS, 3 ans plus tard, ANSSI 2015, .

• Comment générer une clé publique

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