Linux网络编程：详解https协议

目录

一. https协议概述

二. 中间人截获

三. 常见的加密方法

3.1 对称加密

3.2 非对称加密

四. 数据摘要和数据签名的概念

五. https不同加密方式的安全性的探究

5.1 使用对称加密

5.2 使用非对称加密 

5.3 非对称加密和对称加密配合使用

六. CA认证 

七. 总结

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一. https协议概述

在早期的网络中，传输数据一般采用http协议。但是，无论是用GET方法通过url传递数据，还是使用POST方法通过报文正文传递数据，都是明文传送数据，只要是明文传送数据，那就是不安全的，在传输过程中就很容易被中间人截获，造成信息泄露或者信息被篡改。

结论：http采用明文传递数据，不具有安全性。

为了解决http协议明文传输数据的安全性问题，就需要对数据进行加密处理，加密是在应用层实现的，将加密数据在网络中传输的协议，即为https协议。相较于http协议，https协议更具有安全性，图1.1为https协议工作方式的图解。

结论：https协议传输加密数据，安全性更有保证。

图1.1 https协议工作原理

二. 中间人截获

在早期采用http协议传输数据时，有时候会存在运营商截获现象，一个最典型的场景是，我们希望下载软件A，但是使用软件A的下载链接下载后，发现实际上下载的是软件B。造成这种现象可能得原因之一，就是运营商在网络中截获的数据信息，发现了软件A的下载链接，将软件A得下载链接替换为软件B的下载链接，就造成了希望下载的软件与实际下载的软件不同的现象。

在这种场景下，运营商充当的就是中间人，在网络中截获并篡改数据。

在公共场所中，我们常会用到免费WIFI，这其实就是安全隐患，提供免费WIFI的路由器等设备，都有可能截取到用户发送的数据，造成信息泄露。

图1.2 中间人截获并篡改数据的原理

三. 常见的加密方法

3.1 对称加密

• 对称加密仅使用一个秘钥key，加密和解密都使用这一把秘钥，这种加密解密的方法称为对称加密，也称为单秘钥加密。
• 常见的对称加密算法：DES，3DES，Blowfish。
• 对称加密的特征：算法简单，加密解密速度快、效率高。

通过按位异或的方式加密解密，就是最简单的一种对称加密方式。如，原文数据a=2023，秘钥key=8888，那么a加密后的数据c就变为了c=a^key=9567，使用同一把秘钥key对密文数据进行解密获取原文数据，a=c^key=2023。

3.2 非对称加密

• 对称加密使用两把秘钥配对使用，一把公钥一把私钥，公钥向全网公开，私钥则是私密的。当客户端拿到公钥时，可以使用公钥进行加密，服务端在获取到加密后的信息后，通过秘钥进行解密，从而获取原始的明文数据。
• 公钥和私钥，一把用于加密一把用于解密，可以用公钥加密私钥解密，反过来使用私钥加密公钥解密亦可。
• 常见的非对称加密算法：RSA、DSA、ECDSA。
• 非对称加密的特点：加密的可靠性依赖于秘钥、公钥以及算法的可靠性和复杂度，由于其算法复杂，因此加密和解密效率较低。

四. 数据摘要和数据签名的概念

数据摘要：

• 数据摘要，就是通过哈希算法，将原文转换为一定长度的密文，即使非常小幅度的改变原文，通过哈希算法生成的密文差别也会非常大。
• 通过哈希算法生成的数据摘要，严格来说不能算是一种加密方法，因为没有对应的解密手段，即：原文生成密文很容易，但是如果要通过密文破解原文，难度则非常之大。
• 常见生成数据摘要的哈希算法：MD5、SHA256、SHA512。
• 数据摘要，也被称为数据指纹。

数据签名：

• 通过特点的秘钥对数据摘要加密生成的密文，被称为数据签名。
• 数据签名，主要用于认证数据的合法性，保证客户端接收到的数据不会被中间人篡改（见第六章）。

五. https不同加密方式的安全性的探究

5.1 使用对称加密

使用对称加密时，客户端和服务器要事先协商秘钥，客户端和服务器在向网络中发送数据时，都要实现通过秘钥加密，这样中间人在网络中截获到的数据就是被加密后的数据，中间人拿不到秘钥，也就无法破解密文获取原文数据。

对称加密要保证安全性，就必须为每个客户端都单独维护一个秘钥，因为如果使用相同的秘钥，那么秘钥就会广泛分布在网络设备中，黑客就可以很容易的获取到秘钥，也就无法保证安全性，而为每个客户端都维护独立的秘钥成本很高。

那么如果客户端和服务端在进行通信之前，事先协商秘钥呢？这样也是不可行的。因为双方协商的秘钥需要通过网络进行传输，而秘钥传输要通过明文进行，如果黑客截获了秘钥，那么后续传输的数据就很容易被黑客截获并破译。

那么如果将双方协商的秘钥再用另一把秘钥加密呢？对秘钥进行加密的秘钥要需要事先通过明文传送让通信双方获取，这样本质上与上段所提到的不安全场景没有区别，只不过是多了一层而已。

图5.1 对称加密实现协商秘钥不安全的原因

5.2 使用非对称加密 

非对称加密要用到一把公钥C和一把私钥S，，将公钥C公布于网络中，假设客户端使用公钥C加密，那么如果黑客在网络中截获了客户端加密后的信息，由于没有私钥，就无法破译原文，这样就可以基本保证客户端发送给服务端数据和安全性。但是服务器向客户端发送数据时，通过私钥加密，客户端就需要公钥来解密，由于公钥是在网络中公开的，黑客自然也就可以获取公钥，这样单向的非对称加密就无法保证数据的安全性。

那么如果通信双方均使用非对称加密呢？这样虽然可以极大地提高安全性，但也无法保证绝对安全，且由于非对称加密算法的复杂度大，这样加密和解密的效率就会很低。

图5.2 使用非对称加密不安全的原因

5.3 非对称加密和对称加密配合使用

非对称加密和对称加密配合使用的通信操作流程为：

• 存在用于非对称加密的公钥M和私钥M'。
• 在正式通信之前，客户端先向服务器发送请求，获取其公钥M。
• 客户端生成对称加密的秘钥C，通过公钥M加密，服务器接收到了客户端加密传输的秘钥C，通过私钥M'解密，这条通信双方就都拿到了对称加密秘钥C。
• 在之后的通信中，通信双方使用对称加密即可，秘钥双方已经通过非对称加密传输协商完成。
• 这种场景下，如果黑客只截取了加密后的内容，由于拿不到秘钥，依旧无法破译获取原文。但是，黑客依旧有手段窃取和篡改数据。

图5.4 非对称加密与对称加密配合使用的原理

在这种场景下，虽然中间人（黑客）不能通过获取秘钥来破译信息，但依旧可以通过截取并篡改公钥的手段获取信息，原理如下：

• 服务器有公钥S和配对秘钥S'，中间人有一组公钥M和秘钥M'。
• 当客户端向服务器发送请求获取公钥S时，服务器明文传回公钥S。
• 此时，中间人如果截获了服务器明文传回的公钥，就可以将公钥S保存下来，然后替换为自己的公钥M发回给客户端，而客户端不知道公钥S已经被篡改为了M。
• 之后客户端再向服务器发送协商好的对称加密秘钥C时，会使用中间人的公钥M加密，而中间人如果截获了客户端向服务器发送的数据，就可以使用自己的私钥M'破译出原文。
• 中间人此时再通过先前保存的公钥S对破译获得的对称加密秘钥C加密发给服务器，服务器就无法得知C已经泄露，依旧使用秘钥S'解密获取C。
• 之后客户端和服务器的正式通信都使用对称加密，秘钥为C已经被黑客窃取，此时如果信息被黑客截取，黑客就能够通过C解密获取原文。

六. CA认证 

首先分析对称加密和非对称加密配合使用场景下不安全的原因，这是由于黑客在对称加密秘钥协商完成之前就入侵了网络，并将数据进行了篡改。

那么，如果客户端能够识别出其收到的数据是被篡改过的数据，进而终止向服务器发送数据，就可以避免信息的泄露。而客户端识别数据是否被篡改的依据，就是权威的CA机构颁发的CA证书，在https协议中，服务器向客户端发送的就是其CA证书，CA证书上会携带服务器的公钥以及其他的服务器相关信息。

CA证书就类似于我们生活中的身份证，身份证由权威机构（政府）颁发，是可以被信任的，如果身份证冒用或者造假，很容易就会被识别出来。

如果某服务端希望实现https协议通信，那就要向权威的CA机构申请CA证书，CA机构会对服务端进行审核，审核通过为该网站生成专门的数据签名，流程如下：

• CA机构尤其公钥A和私钥A'。
• 通过Hash算法，获取服务端申请下来的认证证书对应的数据摘要。
• CA机构通过其私钥A'，对数据摘要进行加密，获取对应的数据签名。

我们可以认为，服务端获取的CA证书的内容为：证书的明文信息 + 对应数据签名，服务器就是将证书明文 + 对应数据签名发回给客户端的。

图6.1 通过CA认证获取数据签名的流程

客户端通过CA证书判别服务端发送的数据是否在网络中被黑客篡改的流程为：

• 将服务器发回来的证书的明文信息和数据签名做分离。
• 将分解出来的明文信息通过Hash算法生成对应的数据摘要，在通过CA机构的公钥A解密数据签名，得到解密后的数据摘掉。
• 对比通过对明文Hash和解密数签名要后获取的摘要，如果不相同，则表示数据被替换过了，客户端会终止向服务器发送数据。如果相同，通过明文数据检查目标服务器是否正确，以防止黑客替换整张CA证书。

图6.2 客户端通过CA证书判断数据是否被篡改的流程

七. 总结

• http协议采用明文传输数据，https协议采用密文传输数据，相对于http协议，https协议更加安全。
• 早期采用http协议通信时，数据容易被中间人截获并篡改。
• 对称加密和非对称加密是两种常用的加密方式，对称加密中加密和解密使用同一把秘钥进行，而非对称加密有一把公钥一把私钥，一把负责加密另一把负责解密，公钥在全网公开，私钥私有不公开。
• 数据摘要是将正文内容通过Hash算法生成的内容，而数据签名则是对数据摘要使用秘钥加密后生成的内容。
• 在https协议通信中，采用对称加密、非对称加密、对称加密与非对称加密配合的方法，都存在安全隐患，不能保证数据不被黑客截获。
• 通过 CA认证 + 对称加密 + 非对称加密 的方式，可以保证数据传输的安全性。客户端通过检查服务端发回的CA证书的合法性，就能判断数据是否在网络中被第三方修改，如果数据被修改了，客户端就会终止向服务器发送数据。