一、HTTPS介绍

HTTPS是⼀个应用层协议，是在HTTP协议的基础上引入了加密层
HTTP协议内容都是按照文本的方式明文传输，这就导致在传输过程中可能出现被篡改的情况

二、加密

2.1 加密概念

• 加密就是把明文（要传输的信息）进行一系列变换，生成密文
• 解密就是将密文再进行一系列变换，还原成明文

2.2 常见加密方式

2.2.1 对称加密

• 采用单钥密码系统的加密方法，同⼀个密钥可以同时用作信息的加密和解密，这种加密⽅法称为对称加密，也称为单密钥加密，特征：加密和解密所用的密钥是相同的
• 常见对称加密算法：DES、3DES、AES、TDEA、Blowfish、RC2等
• 特点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高

示例：按位异或其实就是一种简单的对称加密

假设明文 a = 1234，密钥 key = 8888
则加密 a ^ key 得到的密文 b = 9834
然后针对密文9834再次进行运算b^key，得到的就是原来的明文1234

2.2.2 非对称加密

需要两个密钥来进行加密和解密，这两个密钥是公开密钥和私有密钥

• 常见非对称加密算法：RSA，DSA，ECDSA
• 特点：算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥。但是由于其算法复杂，使得加密解密速度没有对称加密解密的速度快

公钥和私钥是配对的：

• 可以 通过公钥对明文加密，通过私钥对密文解密
• 也可以 通过私钥对明文加密，通过公钥对密文解密

2.3 数据指纹(数据摘要)

• 数字指纹(数据摘要)，其基本原理是利用单向散列函数(Hash函数)对信息进行运算，生成⼀串固定长度的数字摘要。数字指纹并不是⼀种加密机制，但可以用来判断数据是否被篡改
• 常见摘要算法：MD5、SHA1、SHA256、SHA512等，算法把无限的映射成有限，因此可能会有碰撞，但是概率极其低
• 摘要特征：和加密算法的区别是，摘要严格意义不是加密，因为没有解密，从摘要很难反推出原信息，通常用来进行数据对比

MD5算法介绍

• 定长：无论多长的字符串，计算出的MD5值都是固定⻓度（16字节版本或者32字节版本）
• 分散：源字符串只要改变⼀点，最终得到的MD5值会差别很大
• 不可逆：通过源字符串生成MD5很容易，但是通过MD5还原成原串理论上是不可能的

三、HTTPS工作过程探究

3.1 只使用对称加密

若通信双方都持有同⼀个密钥，且没有别人知道，两方的通信安全可以保证（除非密钥被破解）。引入对称加密后，即使数据被截获，由于黑客不知道密钥，因此无法进行解密，也就不知道请求的真实内容了

但服务器同⼀时刻其实是给很多客户端提供服务的，每个客户端用的秘钥都必须是不同的（若是相同那黑客也能拿到密钥），因此服务器就需要维护每个客户端和每个密钥之间的关联关系

较为理想的做法，就是能在客户端和服务器建立连接时，双方协商确定本次通信的密钥

但若直接将密钥明文传输，那么黑客也就获得密钥了，后续的加密操作形同虚设

因此密钥的传输必须加密传输，但是要想对密钥进行对称加密，就仍然需要先协商确定⼀个"密钥的密钥"，这就成了一个循环无解的问题了，因此只使用对称加密是行不通的

3.2 使用一组非对称加密

鉴于非对称加密的机制，若服务器先把公钥以明文方式传输给浏览器，之后浏览器向服务器传数据
前都先用这个公钥加密后再传，从客户端到服务器信道似乎是安全的（其实依旧有安全问题），因为只有服务器有相应的私钥能解开公钥加密的数据。但服务器到浏览器的通信是无法保障安全的

若服务器使用私钥加密数据传给浏览器，那么浏览器用公钥可以解密，而这个公钥是一开始通
过明文传输给浏览器的，若这个公钥被中间人劫持了，那其也能解密服务器传来的信息

3.3 双方都使用非对称加密

• 服务端拥有公钥S与对应的私钥S'，客户端拥有公钥C与对应的私钥C'
• 客户端和服务端交换公钥
• 客户端给服务端发信息：用S对数据加密后发送，只能服务器解密（只有服务器有私钥S'）
• 服务端给客户端发信息：用C对数据加密后发送，只能客户端解密（只有客⼾端有私钥C'）

但是效率太低，并且依旧存在安全问题

3.4 非对称加密+对称加密

• 服务端具有非对称公钥S和私钥S'
• 客户端发起https请求，获取服务端公钥S
• 客户端在本地生成对称密钥C，通过公钥S加密，发送给服务器
• 由于中间的网络设备没有私钥，即使截获了数据，也无法还原出内部的原文，也就无法获取到对称密钥
• 服务器通过私钥S'解密，还原出客⼾端发送的对称密钥C，并且使用这个对称密钥加密给客户端返回的响应数据
• 后续客户端和服务器的通信都使用对称加密即可，由于该密钥只有客户端和服务器两个主机知道，其他主机/设备不知道密钥即使截获数据也没有意义

由于对称加密的效率比非对称加密⾼很多，因此只在开始阶段协商密钥时使用非对称加密，后续的传输仍使用对称加密。虽然该种已经接近答案了，但是依旧存在安全问题

3.5 中间人攻击

Man-in-the-MiddleAttack，简称"MITM攻击"

在方案2、3、4中，客户端获取到公钥S后，对客户端形成的对称秘钥X用服务端给客户端的公钥
S进行加密，中间人即使窃取到了数据，也无法解出客户端形成的密钥X，因为只有服务器有私钥S'。但是中间人的攻击，若在最开始握手协商时就进行了，那就不⼀定了

• 服务器具有非对称加密算法的公钥S，私钥S'
• 中间人具有非对称加密算法的公钥M，私钥M'
• 客户端向服务器发起请求，服务器明文传送公钥S给客户端
• 中间⼈劫持数据报文，提取公钥S并保存好，然后将被劫持报文中的公钥S替换成为自己的公钥M，并将伪造报文发给客⼾端
• 客户端收到报文，提取公钥M(不知道公钥被更换过了)，形成对称秘钥X，用公钥M加密X，形成报文发送给服务器
• 中间人劫持后，用自己的私钥M'进行解密，得到通信秘钥X，再用曾经保存的服务端公钥S加密后，将报文推送给服务器
• 服务器拿到报文，用私钥S'解密，得到通信秘钥X
• 双方开始采用X进行通信，但中间人已经拿到了对称密钥X，进行窃听甚至修改都可以

上述方法同样适用于方案2、3

3.6 证书

服务端在使用HTTPS前，需要向CA机构申领⼀份数字证书，数字证书里含有证书申请者信息、公钥信息等。服务器把证书传输给浏览器，浏览器从证书中获取公钥即可，证书就如身份证，证明服务端公钥的权威性

证书可以理解成是⼀个结构化的字符串，包含了以下信息：证书发布机构、证书有效期、公钥、证书所有者、数据签名

注意：申请证书时，需要在特定平台生成，会同时生成一对密钥对，即公钥和私钥。这对密钥对用来在网络通信中进行明文加密以及数字签名
其中公钥需随着CSR文件，一起发给CA进行权威认证，私钥服务端自行保留，用来后续进行通信（即用来交换对称秘钥）

在线生成CSR和私钥：CSR在线生成工具
形成CSR之后，后续就是向CA进行申请认证，不过⼀般认证过程很繁琐，网络有证书申请的服务商，需要时直接找平台解决即可

3.7 数据签名

当服务端申请CA证书的时候，CA机构会对该服务端审核，并为该网站形成数字签名，过程如下：

1. CA机构拥有非对称加密的私钥A和公钥A'
2. CA机构对服务端申请的证书明文数据进行hash，形成数据指纹（数据摘要）
3. 然后对数据摘要用CA私钥A'加密，得到数字签名S

服务端申请的证书明文和数字签名S共同组成数字证书，这样⼀份数字证书就可以颁发给服务端了

3.9 非对称加密+对称加密+证书认证

在客户端和服务器刚一建立连接时，服务器给客户端返回⼀个证书，证书包含了服务端的公钥，也包含了网站的身份信息

当客户端获取到这个证书之后，会对证书进行校验（防止证书伪造）

• 判定证书的有效期是否过期
• 判定证书的发布机构是否受信任（操作系统中已内置的受信任的证书发布机构）
• 验证证书是否被篡改：从系统中拿到该证书发布机构的公钥（浏览器内置），对签名解密得到⼀个hash值（数据摘要），设为hash1。然后计算整个证书的信息进行hash，得到hash2。对比hash1和hash2是否相等。若相等，则说明证书没有被篡改

中间人有没有可能篡改该证书？

• 中间人篡改了证书的明文
• 由于没有CA机构的私钥，所以无法hash之后用私钥加密形成签名，也就没法办法对篡改后的证书形成匹配的签名（一定要加密的原因）
• 若强行篡改，客户端收到该证书后会发现明文hash后的值和签名解密后的值不⼀致，则说明证书已被篡改，证书不可信，从而终⽌向服务器传输信息，防止信息泄露给中间⼈

中间⼈整个掉包证书？

• 中间人没有CA私钥，所以无法制作假的证书
• 所以中间人只能向CA申请真证书，然后使用自己申请的证书进行掉包
• 确实能做到证书的整体掉包，但是证书明文中包含了域名等认证信息，若整体掉包，客户端能够识别出来
• 中间人没有CA私钥，所以对任何证书都无法进行合法修改，包括自己的证书

为什么签名不直接加密，而是先hash形成摘要?

缩小签名密文的长度，加快验证签名的运算速度

四、如何称为中间人？(了解)

• ARP欺骗：在局域网中，hacker经过收到ARP Request广播包，能够偷听到其它节点的(IP,MAC)地址。例：黑客收到两个主机A，B的地址，告诉B(受害者)，自己是A，使得B在发送给A的数据包都被黑客截取
• ICMP攻击：由于ICMP协议中有重定向的报文类型，那么就可以伪造⼀个ICMP信息然后发送给局域网中的客户端，并伪装自己是⼀个更好的路由通路。从而导致目标所有的上网流量都会发送到指定的接口上，达到和ARP欺骗同样的效果
• 假wifi&&假网站等
   

五、总结 

HTTPS⼯作过程中涉及到的密钥有三组：

• 第一组（非对称加密）：用于校验证书是否被篡改，服务器持有私钥（私钥在形成CSR文件与申请证书时获得），客户端持有公钥（操作系统中包含了可信任的CA认证机构有哪些，同时持有对应的公钥)。服务器在响应客户端请求时，返回携带签名的证书，客户端通过这个公钥进行证书验证，保证证书的合法性，进⼀步保证证书中携带的服务端公钥权威性
• 第⼆组（非对称加密）：用于协商生成对称加密的密钥。客户端用收到的CA证书中的公钥（可被信任的）给随机生成的对称加密的密钥加密，传输给服务器，服务器通过私钥解密获取到对称加密密钥
• 第三组（对称加密）：客户端和服务器后续传输的数据都通过这个对称密钥加密解密