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Linux网络 HTTPS 协议原理

article 2025/2/3 13:29:48

概念

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

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。

常见的加密方式

对称加密：对称加密是指加密和解密使用相同的密钥。在HTTPS中，对称加密用于加密实际传输的数据，因为它具有较高的加密和解密速度。常见的对称加密算法有AES、RC4和3DES等。
非对称加密：非对称加密使用一对密钥，即公钥和私钥。公钥可以公开，用于加密数据，而私钥必须保密，用于解密数据。在HTTPS中，非对称加密用于在客户端和服务器之间交换对称加密密钥，以确保密钥的安全传输。常见的非对称加密算法有RSA、DSA/DSS等。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。其中有两种用法，一是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；二是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。
数字证书：数字证书是由权威的证书颁发机构（CA）颁发的，用于证明服务器的身份。证书中包含服务器的公钥、域名、证书颁发机构的信息等。客户端通过验证证书的有效性来确保与合法的服务器进行通信。

数据摘要（数据指纹）

数字摘要(数据指纹)，其基本原理是利用单向散列函数(Hash 函数 ) 对信息进行运算，生成一串固定⻓度的数字摘要。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篡改。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。

HTTPS 的工作过程探究

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 1 - 只使用对称加密

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

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 2 - 只使用非对称加密

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从服务器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 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'
客户和服务端交换公钥
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'
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，因为只有客户端有私钥 C'

这样貌似也行啊，但是效率太低， 依旧有安全问题 。

方案 4 - 非对称加密 + 对称加密

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

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。

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户端
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
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
服务器拿到报文，用自己的私钥 S'解密，得到通信秘钥 X
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！

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。

需要注意的是：申请证书的时候，需要在特定生成平台查，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）。

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）。

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，并专⻔为该网站形成数字签名，过程如下：

CA 机构拥有非对称加密的私钥 A 和公钥 A'
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
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 5 - 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。

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。

那么中间人有没有可能篡改该证书呢？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。

对于摘要内容在网络传输的时候加密形成签名的过程

常见的摘要算法有 : MD5 和 SHA 系列，以 MD5 为例 , 我们不需要研究具体的计算签名的过程 , 只需要了解 MD5 的特点 :

定⻓: 无论多⻓的字符串, 计算出来的 MD5 值都是固定⻓度 (16 字节或者32 字节版本)
分散: 源字符串只要改变一点点, 最终得到的 MD5 值都会差别很大.
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.

正因为 MD5 有这样的特性 , 我们可以认为 如果两个字符串的 MD5 值相同 , 则认为这 两个字符串相同 .

假设我们的证书只是一个简单的字符串 hello, 对这个字符串计算 hash 值(比如 md5)，结果为 BC4B2A76B9719D91，如果 hello 中有任意的字符被篡改了, 比如变成了 hella, 那么计算的 md5 值就会变化很大，如BDBD6F9CF51F2FD8。传输过程中，然后我们可以把这个字符串 hello 和哈希值 BC4B2A76B9719D91 从服务器返回给客户端, 此时客户端只要计算 hello 的哈希值，看看是不是 BC4B2A76B9719D91 即可如何验证 hello 是否是被篡改过。

完整流程

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(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。