Mbed-TLS项目中TLS 1.3握手失败问题分析与解决方案

问题背景

在使用Mbed-TLS库的ssl_client1示例程序进行HTTPS请求时，开发人员发现了一个与TLS 1.3协议相关的问题。当程序尝试连接特定服务器(api.sunrisesunset.io)时，TLS 1.3握手会失败，而强制使用TLS 1.2却能正常工作。

错误现象

在TLS 1.3握手过程中，程序报出以下错误：

ssl_tls13_generic.c:1689: psa_generate_key() returned -27648 (-0x6c00)
ssl_client.c:1012: <= write client hello
ssl_tls.c:4617: <= handshake
 failed
 ! mbedtls_ssl_handshake returned -0x6c00
Last error was: -27648 - SSL - Internal error (eg, unexpected failure in lower-level module)

问题根源分析

经过深入分析，发现这个问题有两个关键原因：

1. PSA加密子系统未初始化：TLS 1.3实现依赖于PSA(Platform Security Architecture)加密子系统，而示例程序ssl_client1在默认配置下没有调用psa_crypto_init()初始化函数。这导致在尝试生成密钥时出现内部错误。

2. 证书验证问题：当解决了PSA初始化问题后，又出现了证书验证失败的问题。这是因为：

   • TLS 1.3强制要求严格的证书验证
   • 示例程序中使用了MBEDTLS_SSL_VERIFY_OPTIONAL模式，这在TLS 1.3中不再被允许
   • 程序没有正确加载服务器证书所需的根CA证书链

解决方案

针对上述问题，开发人员可以采取以下解决方案：

1. 初始化PSA加密子系统： 在建立TLS连接前，务必调用psa_crypto_init()函数：

   psa_crypto_init();
   

2. 正确处理证书验证：

   • 使用MBEDTLS_SSL_VERIFY_REQUIRED模式替代OPTIONAL模式
   • 正确加载服务器信任的CA证书链：

   mbedtls_x509_crt ca_cert;
   mbedtls_x509_crt_init(&ca_cert);
   mbedtls_x509_crt_parse_file(&ca_cert, "ca.pem");
   mbedtls_ssl_conf_ca_chain(&conf, &ca_cert, NULL);
   

3. 临时解决方案： 如果仅用于测试目的，可以强制使用TLS 1.2：

   mbedtls_ssl_conf_max_version(&conf, MBEDTLS_SSL_MAJOR_VERSION_3, MBEDTLS_SSL_MINOR_VERSION_3);
   

技术背景

TLS 1.3与TLS 1.2在安全机制上有显著差异：

1. 加密子系统依赖：TLS 1.3更深度集成了PSA加密架构，提供了更统一的加密接口和安全保证。

2. 证书验证要求：TLS 1.3移除了对可选验证的支持，强制要求严格的证书验证，这是出于安全考虑的设计决策。

3. 密钥交换机制：TLS 1.3使用了更安全的密钥交换机制，这也是为什么需要PSA加密子系统的支持。

最佳实践建议

1. 生产环境使用：

   • 总是初始化PSA加密子系统
   • 配置完整的证书验证链
   • 使用MBEDTLS_SSL_VERIFY_REQUIRED模式

2. 示例程序改进： Mbed-TLS团队已经意识到示例程序的不足，计划在后续版本中改进ssl_client1示例，使其：

   • 自动处理PSA初始化
   • 提供更合理的证书验证默认配置
   • 增加对TLS 1.3的完整支持

3. 版本选择：

   • 如果需要稳定性和向后兼容性，可以考虑使用Mbed-TLS 3.6 LTS版本
   • 如果需要最新功能和完整TLS 1.3支持，可以考虑等待Mbed-TLS 4.0版本

总结

本文分析了Mbed-TLS项目中TLS 1.3握手失败的问题，揭示了其根本原因在于PSA加密子系统初始化和证书验证机制的差异。通过正确初始化加密子系统和配置证书验证链，开发者可以充分利用TLS 1.3的安全优势。Mbed-TLS团队也在持续改进库的实现和示例程序，以提供更好的开发者体验和安全保障。