HTTPS协议原理

目录

一、HTTPS

二、加密

三、常见的加密方式

3.1对称加密

3.2非对称加密

3.3数据摘要 && 数据指纹

3.4数字签名

四、HTTPS的工作流程探究

4.1方案一：只使用对称加密

4.2方案二：只使用非对称加密

4.3方案三：双方都使用非对称加密

4.4方案四：非对称加密+对称加密

4.5方案四：引入证书 ，非对称+对称+证书

4.6完整流程

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一、HTTPS

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

二、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 (正确发⾳ yue 四声，不过⼤家平时都读作 yao 四声

三、常见的加密方式

3.1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
• 常⻅对称加密算法(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

3.2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（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：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

3.3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窜

• 摘要常⻅算法：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

3.4数字签名

数据摘要进行加密就变成了数字签名

四、HTTPS的工作流程探究

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

4.1方案一：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（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
• 但服务器同⼀时刻其实是给很多客⼾端提供服务的，这么多客⼾端，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⼾端和每个密钥之间的关联关系
• ⽐较理想的做法，就是能在客⼾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

4.2方案二：只使用非对称加密

• 如果服务器一开始把公钥通过明文方式传输给客户端，那么客户端后续就可以用这个公钥来加密数据传输给服务器，并且只有服务器的私钥可以解开这个密文
• 但是公钥是明文传输的，在传输的过程中如果被中间者劫持，那么服务器用私钥加密好的数据既可以被客户端解密，也可以被劫持到公钥的中间者解密，同样是不安全的

4.3方案三：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'，客⼾端拥有公钥C与对应的私钥C'
• 客⼾和服务端交换公钥
• 客⼾端给服务端发信息：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'
• 服务端给客⼾端发信息：先⽤C对数据加密，在发送，只能由客⼾端解密，因为只有客⼾端有私钥 C'
• 这样貌似也⾏啊，但是效率太低 ，依旧有安全问题
• 中间者监听到双方发送公钥时，偷偷将消息篡改，发送自己的公钥给双方。然后自己则保存下来双方的公钥。如此操作后，双方加密使用的都是攻击者的公钥，那么后面所有的通信，攻击者都可以在拦截后进行私钥解密，并且篡改信息内容再用接收方公钥加密。而接收方拿到的将会是篡改后的信息。实际上，发送和接收方都是在和中间人通信

4.4方案四：非对称加密+对称加密

• 服务端具有⾮对称公钥S和私钥S'
• 客⼾端发起https请求，获取服务端公钥S
• 客⼾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⼾端返回的响应数据，后续客⼾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

中间人攻击 - 针对上面的场景

• 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'
• 客⼾端向服务器发起请求，服务器明⽂传送公钥S给客⼾端
• 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
• 客⼾端收到报⽂，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 ，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？客⼾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！

4.5方案四：引入证书 ，非对称+对称+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
• 
• 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:

1. 证书发布机构
2. 证书有效期
3. 公钥
4. 证书所有者
5. 签名

• 需要注意的是：申请证书的时候，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：

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
4. 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 

方案五实现过程： 

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

• 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？

• 中间人没有CA机构的私钥，无法将hash之后的数据摘要用CA机构的私钥加密，客户端只认CA机构的公钥，而中间者无法形成匹配的签名
• 如果强⾏篡改，客⼾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

 中间人掉包整个证书？

• 因为中间⼈没有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，客⼾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

常⻅问题：

1.为什么摘要内容在⽹络传输的时候⼀定要加密形成签名?

• 常⻅的摘要算法有: 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:

1. 定⻓: ⽆论多⻓的字符串，计算出来的 MD5 值都是固定⻓度 (16字节版本或者32字节版本)
2. 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
3. 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
4. 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
5. 理解判定证书篡改的过程: (这个过程就好⽐判定这个⾝份证是不是伪造的⾝份证)
6. 所以被传输的哈希值不能传输明⽂，需要传输密⽂
7. 所以，对证书明文（数据）hash形成散列摘要，然后CA使⽤⾃⼰的私钥加密形成签名，将数据和加密的签名合起来形成CA证书，颁发给服务端，当客⼾端请求的时候，就发送给客⼾端，中间人截获了，因为没有CA私钥，就⽆法更改或者整体掉包，就能安全的证明，证书的合法性。最后，客⼾端通过操作系统⾥已经存的了的证书发布机构的公钥进⾏解密, 还原出原始的哈希值, 再进行校验

为什么签名不直接加密，⽽是要先hash形成摘要?

• 缩⼩签名密⽂的⻓度,加快数字签名的验证签名的运算速度

4.6完整流程

• 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)，客⼾端持有公钥(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) ，服务器在客⼾端请求时，返回携带签名（CA私钥加密）的证书，客⼾端通过这个公钥（CA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，客⼾端⽤收到的CA证书中的公钥(是可被信任的，来自服务端) ，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): 客⼾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
• 第⼆组⾮对称加密的密钥是为了让客⼾端把这个对称密钥传给服务器，第⼀组⾮对称加密的密钥是为了让客⼾端拿到第⼆组⾮对称加密的公钥