一、HTTP协议

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1. 必要的加密解密基础知识

1）对称加密算法：就是加密和解密使用同一个密钥的加密算法。因为加密方和解密方使用的密钥相同，所以称为称为对称加密，也称为单钥加密方法。

    优点是：加密和解密运算速度快，所以对称加密算法通常在消息发送方需要加密大量数据时使用；

    缺点是：安全性差，如果一方的密钥遭泄露，那么整个通信就会被破解。另外加密之前双方需要同步密钥;

    常用对称加密算法有：DES、3DES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、SKIPJACK、AES等;

2）非对称加密算法：而非对称加密算法需要两个密钥来进行加密和解密，这两个秘钥是公开密钥(public key，简称公钥)和私有密钥(private key，简称私钥)。

    公钥和私钥是一对：公钥用来加密，私钥解密，而且公钥是公开的，私钥是自己保存的，不需要像对称加密那样在通信之前要先同步秘钥。

    有点是：安全性更好，私钥是自己保存的，不需要像对称加密那样在通信之前要先同步秘钥。

    缺点是：加密和解密花费时间长、速度慢，只适合对少量数据进行加密。

    常用的非对称加密算法有：RSA、Elgamal、Rabin、D-H、ECC等；

3）HASH算法：也称为消息摘要算法。将任意长度的二进制值映射为较短的固定长度的二进制值，该二进制值称为哈希值。

    常用于检验数据的完整性，检验数据没有被篡改过。常见的又 MD5(MD系列)，SHA-1(SHA系列)

HTTPS 使用到了上面全部三种加密算法。

笔记：

（1）运用到的三种机密方法，对称加密、非对称加密，HASH算法

（2）对称加密，即加密和解密用同一种秘钥；非对称加密，存在私钥和秘钥，公钥用来加密，私钥用来解密；hash算法，用来检验数据是否篡改，保证数据的完整性

 

2. HTTPS 的作用

HTTPS简单而言，即使建立在SSL/TLS协议之上的HTTP。不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明文传播，带来了三大风险。

（1） 窃听风险（eavesdropping）：第三方可以获知通信内容。

（2） 篡改风险（tampering）：第三方可以修改通信内容。

（3） 冒充风险（pretending）：第三方可以冒充他人身份参与通信。

SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的，希望达到：

（1） 所有信息都是加密传播，第三方无法窃听。

（2） 具有校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。

（3） 配备身份证书，防止身份被冒充。

互联网是开放环境，通信双方都是未知身份，这为协议的设计带来了很大的难度。而且，协议还必须能够经受所有匪夷所思的攻击，这使得SSL/TLS协议变得异常复杂。

笔记：与http相比，http因为是明文传输，所以存在窃听风险、篡改风险，和冒充他人身份等风险，而SSL/TLS协议可以加密传播，HASH校验，通过数字证书校验身份

3. HTTPS 的历史

互联网加密通信协议的历史，几乎与互联网一样长。

1994年，NetScape公司设计了SSL协议（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未发布。

1995年，NetScape公司发布SSL 2.0版，很快发现有严重漏洞。

1996年，SSL 3.0版问世，得到大规模应用。

1999年，互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版。

2006年和2008年，TLS进行了两次升级，分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。

目前，应用最广泛的是TLS 1.0，接下来是SSL 3.0。但是，主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的支持。

TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。

笔记：介绍SSL和TLS的区别

SSL：（Secure Socket Layer，安全套接字层），位于可靠的面向连接的网络层协议和应用层协议之间的一种协议层。SSL通过互相认证、使用数字签名确保完整性、使用加密确保私密性，以实现客户端和服务器之间的安全通讯。该协议由两层组成：SSL记录协议和SSL握手协议。

TLS：（Transport Layer Security，传输层安全协议），用于两个应用程序之间提供保密性和数据完整性。该协议由两层组成：TLS记录协议和TLS握手协议。

　　SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层：SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。

　　SSL协议提供的服务主要有：

　　1）认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户机和服务器；

　　2）加密数据以防止数据中途被窃取；

　　3）维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不被改变。

　　TLS（Transport Layer Security Protocol）：安全传输层协议

　　安全传输层协议（TLS）用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。该协议由两成组成：TLS记录协议（TLS Record）和TLS握手协议（TLS Handshake）。较低的层为TLS记录协议，位于某个可靠的传输协议（例如TCP）上面。

　　TLS记录协议提供的连接安全性具有两个基本特性：

• 私有——对称加密用以数据加密（DES、RC4等）。对称加密所产生的密钥对每个连接都是唯一的，且此密钥基于另一个协议（如握手协议）协商。记录协议也可以不加密使用。

• 可靠——信息传输包括使用密钥的MAC进行信息完整性检查。安全哈希功能（SHA、MD5等）用于MAC计算。记录协议在没有MAC的情况下也能操作，但一般只能用于这种模式，即有另一个协议正在使用记录协议传输协商安全参数。

　　TLS记录协议用于封装各种高层协议。作为这种封装协议之一的握手协议允许服务器与客户机在应用程序协议传输和接收其第一个数据字节前彼此之间互相认证，协商加密算法和加密密钥。TLS握手协议提供的连接安全具有三个基本属性：

• 可以使用非对称的，或公共密钥的密码术来认证对等方的身份。该认证是可选的，但至少需要一个结点方。

• 共享解密密钥的协商是安全的。对偷窃者来说协商加密是难以获得的。此外经过认证过的连接不能获得加密，即使是进入连接中间的攻击者也不能。

• 协商是可靠的。没有经过通信方成员的检测，任何攻击者都不能修改通信协商。

　　TLS的最大优势就在于：TLS是独立于应用协议。高层协议可以透明地分布在TLS协议上面。然而，TLS标准并没有规定应用程序如何在TLS上增加安全性；它如何启动TLS握手协议以及如何解释交换的认证证书的决定权留给协议的设计者和实施者来判断。

　　协议结构

　　TLS协议包括两个协议组——TLS记录协议和TLS握手协议。

　　TLS和SSL的关系：并列关系

　　最新版本的TLS（Transport Layer Security，传输层安全协议）是IETF（Internet Engineering Task Force，Internet工程任务组）制定的一种新的协议，它建立在SSL 3.0协议规范之上，是SSL 3.0的后续版本。在TLS与SSL 3.0之间存在着显著的差别，主要是它们所支持的加密算法不同，所以TLS与SSL 3.0不能互操作。

 

　　1.TLS与SSL的差异

　　1）版本号：TLS记录格式与SSL记录格式相同，但版本号的值不同，TLS的版本1.0使用的版本号为SSLv3.1。

　　2）报文鉴别码：SSLv3.0和TLS的MAC算法及MAC计算的范围不同。TLS使用RFC-2104定义的HMAC算法。SSLv3.0使用了相似的算法，两者差别在于SSLv3.0中，填充字节与密钥之间采用的是连接运算，而HMAC算法采用的异或运算。但是两者的安全程度是相同的。

　　3）伪随机函数：TLS使用了称为PRF的伪随机函数来将密钥扩展成数据块，是更安全的方式。

　　4）报警代码：TLS支持几乎所有的SSLv3.0报警代码，而且TLS还补充定义了很多报警代码，如解密失败（decryption_failed）、记录溢出（record_overflow）、未知CA（unknown_ca）、拒绝访问（access_denied）等。

　　5）密文族和客户证书：SSLv3.0和TLS存在少量差别，即TLS不支持Fortezza密钥交换、加密算法和客户证书。

　　6）certificate_verify和finished消息：SSLv3.0和TLS在用certificate_verify和finished消息计算MD5和SHA-1散列码时，计算的输入有少许差别，但安全性相当。

　　7）加密计算：TLS和SSLv3.0在计算主密值（master secret）时采用的方式不同。

　　8）填充：用户数据加密之前需要增加的填充字节。在SSL中，填充后的数据长度哟啊达到密文快长度的最小整数倍。而在TLS中，填充后的数据长度可以是密文块长度的任意整数倍（但填充的最大长度为255字节），这种方式可以防止基于对报文长度进行分析的攻击。

 

　　2.TLS的主要增强内容

　　TLS的主要目标是使SSL更安全，并使协议的规范更精确和完善。TLS在SSL v3.0的基础上，提供了以下增加内容：

　　1）更安全的MAC算法

　　2）更严密的警报

　　3）“灰色区域”规范的更明确的定义

 

　　3.TLS对于安全性的改进

　　1）对于消息认证使用密钥散列法：TLS使用“消息认证代码的密钥散列法”（HMAC），当记录在开放的网络（如因特网）上传送时，该代码确保记录不会被变更。SSLv3.0还提供键控消息认证，但HMAC比SSLv3.0使用（消息认证代码）MAC功能更安全。

　　2）增强的伪随机功能（PRF）：PRF生成密钥数据。在TLS中，HMAC定义PRF。PRF使用两种散列算法保证其安全性。如果任一算法暴露了，只要第二种算法未暴露，则数据仍然是安全的。

　　3）改进的已完成消息验证：TLS和SSLv3.0都对两个端点提供已完成的消息，该消息认证交换的消息没有被变更。然而，TLS将此已完成消息基于PRF和HMAC值之上，这也比SSLv3.0更安全。

　　4）一致证书处理：与SSLv3.0不同，TLS试图指定必须在TLS之间实现交换的证书类型。

　　5）特定警报消息：TLS提供更多的特定和附加警报，以指示任一会话端点检测到的问题。TLS还对何时应该发送某些警报进行记录。

4. 基本的运行过程

HTTPS 的基本运行过程：

1）利用对称加密算法来加密网页内容，那么如何保证对称加密算法的秘钥的安全呢？

2）使用非对称加密算法来获得对称加密算法的秘钥，从而保证了对称加密算法的秘钥的安全，也就保证了对称加密算法的安全。

这里这样安排使用的原理是，利用了对称加密算法和非对称加密算法优点，而避免了它们的缺点。利用了对称加密算法速度快，而非对称加密算法安全的优点；同时巧妙的避免了对称加密算法的不安全性，以及需要同步密钥的缺点，也避免了非对称加密算法的速度慢的缺点。实在是巧妙了。

这里有两个问题：

（1）如何保证非对称加密算法公钥不被篡改？

解决方法：将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的，公钥就是可信的。

（2）公钥加密计算量太大，如何减少耗用的时间？

解决方法：每一次对话（session），客户端和服务器端都生成一个"对话密钥"（session key），用它来加密信息。由于"对话密钥"是对称加密算法，所以运算速度非常快，而服务器公钥只用于加密"对话密钥"本身，这样就减少了加密运算的消耗时间。（也就是网页内容的加密使用的是对称加密算法）

因此，SSL/TLS协议的基本过程是这样的：

（1） 客户端向服务器端索要并验证非对称加密算法的公钥。

（2） 双方协商生成对称加密算法的"对话密钥"。

（3） 双方采用对称加密算法和它的"对话密钥"进行加密通信。

上面过程的前两步，又称为"握手阶段"（handshake）。

5. 握手阶段的详细过程

"握手阶段"涉及四次通信，我们一个个来看。需要注意的是，"握手阶段"的所有通信都是明文的。

1) 客户端发出请求（ClientHello）

首先，客户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。

在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。

（1） 浏览器支持的SSL/TLS协议版本，比如TLS 1.0版。

（2） 一个浏览器客户端生成的随机数，稍后用于生成对称加密算法的"对话密钥"。

（3） 浏览器支持的各种加密方法，对称的，非对称的，HASH算法。比如RSA非对称加密算法，DES对称加密算法，SHA-1 hash算法。

（4） 浏览器支持的压缩方法。

这里需要注意的是，客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只能包含一个网站，否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。

对于虚拟主机的用户来说，这当然很不方便。2006年，TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。

2) 服务器回应（SeverHello）

服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。

（1） 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。

（2） 一个服务器生成的随机数，稍后用于生成对称加密算法的"对话密钥"。

（3） 确认使用的各种加密方法，比如确认算法使用：RSA非对称加密算法，DES对称加密算法，SHA-1 hash算法

（4） 服务器证书。

除了上面这些信息，如果服务器需要确认客户端的身份，就会再包含一项请求，要求客户端提供"客户端证书"。比如，金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络，就会向正式客户提供USB密钥，里面就包含了一张客户端证书。

3） 客户端回应

客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。

如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的非对称加密算法的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。

（1） 一个随机数。该随机数用服务器发来的公钥进行的使用非对称加密算法加密，防止被窃听。

（2） 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送(比如确认使用：RSA非对称，DES对称，SHA-1 hash算法)。

（3） 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。

上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称"pre-master key"。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的对称加密算法，各自生成本次会话所用的同一把"会话密钥"。也就是说浏览器和服务器各自使用同一个对称加密算法，对三个相同的随机数进行加密，获得了，用来加密网页内容的 对称加密算法的秘钥。(注意：这里浏览器的三个随机数都是明文的，但是服务端获得的"pre-master key"是密文的，所以服务器需要使用非对称加密算法的私钥，来先解密获得"pre-master key"的明文，在来生成对称加密算法的秘钥。这样的目的是为了防止："pre-master key"被窃听，因为发送明文会被窃听，但是发生的是非对称加密算法的加密过后的密文，因为窃听者不知道私钥，所以即使窃听了，也无法解密出其对应的明文。从而保证了最后生成的：用于加密网页内容的对称加密算法的秘钥的安全性！！！)

至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥"，dog250解释得很好：

"不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。

对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。

pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的 可不是一。"

这里：其实如果 pre-master-key 和 浏览器生成的随机数都可能被猜出来，那么最后生成的对称加密算法的秘钥就是不安全的。因为三个随机数都可能被窃听到了。

此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。

4) 服务器的最后回应

服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的对称加密算法的"会话密钥"。然后，向客户端最后发送下面信息。

（1）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的对称加密算法和密钥进行加密。

（2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。

至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用"会话密钥"加密内容。