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【HTTPS】—— HTTPS协议原理详解

article 2024/11/17 14:28:11

（一）Https是什么

1.1 什么是加密

1.2 为什么要加密

1.3 常见的加密方式

1.4 数据摘要 && 数据指纹

（二）Https工作过程研究

方案一：只使用对称秘钥

方案二：只使用非对称秘钥

方案三：双方都使用非对称秘钥

方案四：非对称秘钥 + 对称秘钥

方案五：非对称秘钥 + 对称秘钥 + 证书认证

总结

（一）Https是什么

HTTPS 也是⼀个应用层协议. 是在 HTTP 协议的基础上引⼊了⼀个加密层.

HTTP 协议内容都是按照文本的方式明文传输的. 这就导致在传输过程中出现⼀些被篡改的情况.

1.1 什么是加密

加密就是把明文 (要传输的信息)进行⼀系列变换, ⽣成密文 .

解密就是把密文再进行⼀系列变换, 还原成明文.

在这个加密和解密的过程中, 往往需要⼀个或者多个中间的数据, 辅助进行这个过程, 这样的数据称为密钥

加密解密到如今已经发展成⼀个独⽴的学科: 密码学.

而密码学的奠基人, 也正是计算机科学的祖师爷之⼀, 艾伦·⻨席森·图灵

对⽐我们另⼀位祖师爷冯诺依曼

好像图灵⼤佬的头发有点多.....

其实这是⼀个悲伤的故事. 图灵⼤佬年少有为, 不光奠定了计算机, ⼈工智能, 密码学的基础, 并且在⼆战中⼤破德军的 Enigma 机, 使盟军占尽情报优势, 才能扭转战局反败为胜. 但是因为⼀些原因, 图灵⼤佬遭到英国皇室的迫害, 41岁就英年早逝了.

计算机领域中的最⾼荣誉就是以他名字命名的 "图灵奖" .

1.2 为什么要加密

臭名昭著的 "运营商劫持"

下载⼀个天天动听：未被劫持的效果, 点击下载按钮, 就会弹出天天动听的下载链接.

已被劫持的效果, 点击下载按钮, 就会弹出 QQ 浏览器的下载链接

由于我们通过网络传输的任何的数据包都会经过运营商的网络设备(路由器, 交换机等), 那么运营商的网络设备就可以解析出你传输的数据内容, 并进行篡改.

点击 "下载按钮", 其实就是在给服务器发送了⼀个 HTTP 请求, 获取到的 HTTP 响应其实就包含了该 APP 的下载链接. 运营商劫持之后, 就发现这个请求是要下载天天动听, 那么就自动的把交给用户的响应给篡改成 "QQ浏览器" 的下载地址了.

所以：因为http的内容是明文传输的，明文数据会经过路由器、wifi热点、通信服务运营商、代理服务器等多个物理节点，如果信息在传输过程中被劫持，传输的内容就完全暴露了。劫持者还可以篡改传输的信息且不被双方察觉，这就是中间人攻击，所以我们才需要对信息进行加密。

HTTPS 就是在 HTTP 的基础上进行了加密, 进⼀步的来保证用户的信息安全~

1.3 常见的加密方式

🔥 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(了解)：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

对称加密其实就是通过同⼀个 "密钥" , 把明文加密成密文, 并且也能把密文解密成明文

⼀个简单的对称加密, 按位异或

假设明文 a = 1234, 密钥 key = 8888

则加密 a ^ key 得到的密文 b 为 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.

(对于字符串的对称加密也是同理, 每⼀个字符都可以表示成⼀个数字)

当然, 按位异或只是最简单的对称加密. HTTPS 中并不是使用按位异或.

🔥 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（public key，简称公钥）和私有密钥（private key，简称私钥）。
常见非对称加密算法(了解)：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，而使得加密解密速度没有对称加密解密的速度快。

💨💨 非对称加密要用到两个密钥, ⼀个叫做 "公钥", ⼀个叫做 "私钥"

公钥和私钥是配对的. 最⼤的缺点就是运算速度⾮常慢，⽐对称加密要慢很多

通过公钥对明文加密, 变成密文
通过私钥对密文解密, 变成明文

也可以反着用

通过私钥对明文加密, 变成密文
通过公钥对密文解密, 变成明文

非对称加密的数学原理比较复杂, 涉及到⼀些数论相关的知识. 这⾥举⼀个简单的⽣活上的例子.

A 要给 B ⼀些重要的文件, 但是 B 可能不在. 于是 A 和 B 提前做出约定:

B 说: 我桌子上有个盒子, 然后我给你⼀把锁, 你把文件放盒子⾥用锁锁上, 然后我回头拿着钥匙来开锁取文件.

在这个场景中, 这把锁就相当于公钥, 钥匙就是私钥. 公钥给谁都行(不怕泄露), 但是私钥只有 B 自己持有. 持有私钥的人才能解密.

1.4 数据摘要 && 数据指纹

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有没有被窜改。
摘要常见算法：有MD5、SHA1、SHA256、SHA512等，算法把⽆限的映射成有限，因此可能会有碰撞（两个不同的信息，算出的摘要相同，但是概率⾮常低）
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，只不过从摘要很难反推原信息，通常用来进行数据对⽐

（二）Https工作过程研究

既然要保证数据安全, 就需要进行 "加密".

网络传输中不再直接传输明文了, 而是加密之后的 "密文".

加密的方式有很多, 但是整体可以分成两⼤类: 对称加密和非对称加密

方案一：只使用对称秘钥

如果通信双方都各自持有同⼀个密钥X，且没有别人知道，这两方的通信安全当然是可以被保证的（除非密钥被破解）

引⼊对称加密之后, 即使数据被截获, 由于黑客不知道密钥是啥, 因此就⽆法进⾏解密, 也就不知道请求的真实内容是啥了.

但事情没这么简单. 服务器同⼀时刻其实是给很多客户端提供服务的. 这么多客户端, 每个⼈用的秘钥都必须是不同的(如果是相同那密钥就太容易扩散了, ⿊客就也能拿到了). 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, 这也是个很⿇烦的事情~

比较理想的做法, 就是能在客户端和服务器建⽴连接的时候, 双方协商确定这次的密钥是啥~

但是如果直接把密钥明文传输, 那么⿊客也就能获得密钥了~~ 此时后续的加密操作就形同虚设了.

因此密钥的传输也必须加密传输!

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 "先有鸡还是先有蛋" 的问题了. 此时密钥的传输再⽤对称加密就行不通了.

方案二：只使用非对称秘钥

鉴于非对称加密的机制，如果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好再传，从客户端到服务器信道似乎是安全的(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。

但是服务器到浏览器的这条路怎么保障安全？

如果服务器用它的私钥加密数据传给浏览器，那么浏览器用公钥可以解密它，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到了，那他也能用该公钥解密服务器传来的信息了。

方案三：双方都使用非对称秘钥

1. 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'

2. 客户和服务端交换公钥

3. 客户端给服务端发信息：先⽤S对数据加密，再发送，只能由服务器解密，因为只有服务器有私钥 S'

4. 服务端给客户端发信息：先⽤C对数据加密，在发送，只能由客户端解密，因为只有客户端有钥

这样貌似也行啊，但是

• 效率太低

• 依旧有安全问题

方案四：非对称秘钥 + 对称秘钥

先解决效率问题

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(真的吗？)
服务器通过私钥S'解密, 还原出客户端发送的对称密钥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只用对称加密即可. 由于该密钥只有客⼾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, 因此只是在开始阶段协商密钥的时候使用非对称加密, 后续的传输仍然使用对称加密.

虽然上面已经比较接近答案了，但是依旧有安全问题

方案 2，方案 3，方案 4都存在⼀个问题，如果最开始，中间人就已经开始攻击了呢？

🔥 中间人攻击 - 针对上面的场景

Man-in-the-MiddleAttack，简称“MITM攻击”

确实，在方案2/3/4中，客户端获取到公钥S之后，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，此时中间人确实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，如果在最开始握手协商的时候就进行了，那就不⼀定了，假设hacker已经成功成为中间人。

1. 服务器具有非对称加密算法的公钥S，私钥S'
2. 中间人具有非对称加密算法的公钥M，私钥M'
3. 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
4. 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户端
5. 客户端收到报文，提取公钥M(⾃⼰当然不知道公钥被更换过了)，自己形成对称秘钥X，用公钥M加密X，形成报文发送给服务器
6. 中间人劫持后，直接用自己的私钥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
7. 服务器拿到报文，用自己的私钥S'解密，得到通信秘钥X
8. 双方开始采用X进行对称加密，进行通信。但是⼀切都在中间人的掌握中，劫持数据，进行窃听甚至修改，都是可以的

上面的攻击方案，同样适用于方案2，方案3

问题本质出在哪⾥了呢？客户端⽆法确定收到的含有公钥的数据报文，就是目标服务器发送过来的！

🔥 引入证书

CA认证

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，浏览器从证书⾥获取公钥就⾏了，证书就如⾝份证，证明服务端公钥的权威性。

基本说明： https://baike.baidu.com/item/CA%E8%AE%A4%E8%AF%81/6471579?fr=aladdin

这个证书可以理解成是⼀个结构化的字符串, ⾥⾯包含了以下信息:

证书发布机构
证书有效期
公钥
证书所有者
签名

需要注意的是：申请证书的时候，需要在特定平台生成查，会同时⽣成⼀对儿密钥对儿，即公钥和私钥。这对密钥对儿就是用来在网络通信中进行明文加密以及数字签名的。

其中公钥会随着CSR文件，⼀起发给CA进行权威认证，私钥服务端自己保留，用来后续进行通信（其实主要就是用来交换对称秘钥）

可以使用在线生成CSR和私钥： https://myssl.com/csr_create.html

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，网络各种提供证书申请的服务商，⼀般真的需要，直接找平台解决就行

🔥 理解数据签名

签名的形成是基于非对称加密算法的，注意，目前暂时和https没有关系，不要和https中的公钥私钥搞混了

当服务端申请CA证书的时候，CA机构会对该服务端进行审核，并专门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 共同组成了数字证书，这样⼀份数字证书就可以颁发给服务端了.

方案五：非对称秘钥 + 对称秘钥 + 证书认证

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

客户端进行认证

当客户端获取到这个证书之后, 会对证书进行校验(防止证书是伪造的).

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, 对签名解密, 得到⼀个 hash 值(称为数据摘要), 设为 hash1. 然后计算整个证书的 hash 值, 设为 hash2. 对比 hash1 和 hash2 是否相等. 如果相等, 则说明证书是没有被篡改过的

🔥 查看浏览器的受信任证书发布机构

Chrome 浏览器, 点击右上角的；
选择 "设置", 搜索 "证书管理" , 即可看到以下界面. (如果没有，在隐私设置和安全性->安全里面找找)

🔥 中间人有没有可能篡改该证书？

中间人篡改了证书的明文
由于他没有CA机构的私钥，所以无法hash之后用私钥加密形成签名，那么也就没法办法对篡改后的证书形成匹配的签名
如果强行篡改，客户端收到该证书后会发现明文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？

因为中间人没有CA私钥，所以无法制作假的证书(为什么？)
所以中间人只能向CA申请真证书，然后用自己申请的证书进行掉包
这个确实能做到证书的整体掉包，但是别忘记，证书明文中包含了域名等服务端认证信息，如果整体掉包，客户端依旧能够识别出来。
永远记住：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

完整流程

左侧都是客户端做的事情, 右侧都是服务器做的事情

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). 服务器在客户端请求是，返回携带签名的证书. 客⼾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(是可被信任的)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.

其实⼀切的关键都是围绕这个对称加密的密钥. 其他的机制都是辅助这个密钥工作的.