计算机网络笔记、面试八股（三）—— HTTPS协议

3. HTTPS协议

实际使用中，绝大多数的网站现在都采用的是https协议，这也是未来互联网发展的趋势。

3.1 HTTPS协议简介

HTTPS协议（Hypertext Transfer Protocol Secure Socket Layer），是HTTP协议的加强安全版本。HTTPS协议是基于HTTP协议的，也是基于TCP协议作为底层协议，并额外使用SSL/TLS协议用作加密和安全认证。现在它被广泛用于网上安全敏感的通讯，例如交易支付方面。

• HTTPS协议默认端口号为443

• HTTPS协议可简单理解为HTTP+SSL/TLS，通过SSL证书来①验证服务器的身份，②并为浏览器和服务器之间的通信进行加密。

• HTTPS协议是将HTTP通信接口部分用SSL或TLS协议代替而已。

3.2 SSL/TLS协议

3.2.1 SSL/TLS功能的实现

SSL/TLS功能的实现主要依赖于三类基本算法：

• 散列函数
  • 验证信息的完整性
• 对称加密
  • 采用协商的秘钥对数据加密
• 非对称加密
  • 实现身份认证和密钥协商

3.3 HTTP和HTTPS的区别

• 收费：HTTPS协议需要到CA申请证书，一般免费证书较少，因而需要一定的费用
• 安全：HTTP是超文本传输协议，信息是明文传输；HTTPS是具有安全性的SSL加密传输协议
• 连接方式与端口：二者连接方式不同，使用的服务器端口也不一样，HTTP使用80端口，而HTTPS使用443端口
• 数据隐私性：HTTPS协议通信内容经过对称加密，每个连接生成一个唯一的加密密钥
• 数据完整性：内容传输经过完整性校验
• 身份认证：第三方无法伪造服务端（客户端）身份

3.4 HTTPS协议的优点

尽管HTTPS并非绝对安全，掌握根证书的机构、掌握加密算法的组织同样可以进行中间人形式的攻击，但HTTPS仍是现行架构下最安全的解决方案。

主要有以下几个好处：

• 使用HTTPS协议可认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户端和服务器；
• HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，要比http协议安全，可防止数据在传输过程中不被窃取、改变，确保数据的完整性。
• HTTPS是现行架构下最安全的解决方案，虽然不是绝对安全，但它大幅增加了中间人攻击的成本。

3.5 HTTPS协议的缺点

• HTTPS协议握手阶段比较费时，会使也免得加载时间延长近50%，增加10%-20%的耗电
• HTTPS连接缓存不如HTTP高效，会增加数据开销和功耗，甚至已有的安全措施也会因此受到影响
• SSL证书收费，功能越强大的证书费用越高
• SSL证书需要绑定IP，不能在同一IP上绑定多个域名，IPv4资源不能支持这个消耗
• HTTPS协议的加密范围也比较有限，并且SSL证书的信用链体系并不安全。

3.6 HTTPS协议的工作流程

1.Client发起一个HTTPS的请求（比如https://juejin.cn/user/4283353031252967），根据RFC2818的规定，Client知道需要连接Server的443（默认）端口。

2.Server把事先配置好的公钥证书（public key certificate）返回给客户端。

3.Client验证公钥证书：比如是否在有效期内，证书的用途是不是匹配Client请求的站点，是不是在CRL吊销列表里面，它的上一级证书是否有效，这是一个递归的过程，直到验证到根证书（操作系统内置的Root证书或者Client内置的Root证书）。如果验证通过则继续，不通过则显示警告信息。

4.Client使用伪随机数生成器生成加密所使用的对称密钥，然后用证书的公钥加密这个对称密钥，发给Server。

5.Server使用自己的私钥（private key）解密这个消息，得到对称密钥。至此，Client和Server双方都持有了相同的对称密钥。

6.Server使用对称密钥加密“明文内容A”，发送给Client。

7.Client使用对称密钥解密响应的密文，得到“明文内容A”。

8.Client再次发起HTTPS的请求，使用对称密钥加密请求的“明文内容B”，然后Server使用对称密钥解密密文，得到“明文内容B”。

3.7 HTTPS是如何解决HTTP的缺点的

3.7.1 解决内容可能被窃听的问题——加密

3.7.1.1 方法1.对称加密

这种方式加密和解密使用同一个密钥。加密和解密都会用到密钥。没有密钥就无法对密码解密，反过来说，任何人只要持有密钥就能解密了。

以对称加密方式加密时必须将密钥也发给对方。可究竟怎样才能安全地转交？在互联网上转发密钥时，如果通信被监听那么密钥就可会落人攻击者之手，同时也就失去了加密的意义。另外还得设法安全地保管接收到的密钥。

3.7.1.2 方法2.非对称加密

公开密钥加密使用一对非对称的密钥。一把叫做私有密钥，另一把叫做公开密钥。顾名思义，私有密钥不能让其他任何人知道，而公开密钥则可以随意发布，任何人都可以获得。

使用公开密钥加密方式，发送密文的一方使用对方的公开密钥进行加密处理，对方收到被加密的信息后，再使用自己的私有密钥进行解密。利用这种方式，不需要发送用来解密的私有密钥，也不必担心密钥被攻击者窃听而盗走。

非对称加密的特点是信息传输一对多，服务器只需要维持一个私钥就能够和多个客户端进行加密通信。

这种方式有以下缺点：

• 公钥是公开的，所以针对私钥加密的信息，黑客截获后可以使用公钥进行解密，获取其中的内容；
• 公钥并不包含服务器的信息，使用非对称加密算法无法确保服务器身份的合法性，存在中间人攻击的风险，服务器发送给客户端的公钥可能在传送过程中被中间人截获并篡改；
• 使用非对称加密在数据加密解密过程需要消耗一定时间，降低了数据传输效率；

3.7.1.3 方法3.对称加密+非对称加密(HTTPS采用这种方式)

使用对称密钥的好处是解密的效率比较快，使用非对称密钥的好处是可以使得传输的内容不能被破解，因为就算你拦截到了数据，但是没有对应的私钥，也是不能破解内容的。就比如说你抢到了一个保险柜，但是没有保险柜的钥匙也不能打开保险柜。那我们就将对称加密与非对称加密结合起来,充分利用两者各自的优势，在交换密钥环节使用非对称加密方式，之后的建立通信交换报文阶段则使用对称加密方式。

具体做法是：发送密文的一方使用对方的公钥进行加密处理“对称的密钥”，然后对方用自己的私钥解密拿到“对称的密钥”，这样可以确保交换的密钥是安全的前提下，使用对称加密方式进行通信。所以，HTTPS采用对称加密和非对称加密两者并用的混合加密机制。

Note：SSL/TLS协议为什么要使用非对称加密和对称加密结合的方式？

• 使用对称密钥的好处是解密的效率比较快，对称加密的保密性完全依赖于密钥的保密性
• 使用非对称密钥的好处是可以使得传输的内容不能被破解
• 因此为了结合二者的优点，在通信双方第一次建立通信时，进行一次非对称加密，交换对称加密的密钥，在之后的信息通信中，使用该对称密钥对信息进行对称加密。

3.7.2 解决报文可能遭篡改问题——数字签名

网络传输过程中需要经过很多中间节点，虽然数据无法被解密，但可能被篡改，那如何校验数据的完整性呢？----校验数字签名。

数字签名，是 CA 在给服务器颁发证书时，使用散列+加密的组合技术，在证书上盖个章，以此来提供验伪的功能。

数字签名有两个作用：

• 能确定消息确实是由发送方签名并发出来的，因为别人假冒不了发送方的签名。
• 数字签名能确定消息的完整性，证明数据是否未被篡改过。

3.7.2.1 数字签名生成过程

CA对服务器提交的公钥，采用散列函数生成一个消息摘要。CA使用CA私钥对该摘要进行加密，并附在证书下方，这样数字签名就生成了。然后CA将带有数字签名的证书发送给服务器。

3.7.2.2 客户端校验数字签名

服务器将带有数字签名的CA证书发送给客户端，客户端需要验证该证书的身份。

客户端找到第三方机构CA，得到CA的公钥，并用CA公钥对证书的数字签名进行解密，就可获得CA生成的摘要。

客户端对证书中的服务器公钥做相同的散列处理，得到一个摘要，将该摘要和之前从数字签名中解密得到的CA生成的摘要进行对比。如果相同，则身份验证成功，说明收到的信息是完整的，否则验证失败，说明信息被修改过。

3.7.3 解决通信方身份可能被伪装的问题——数字证书

3.7.3.1 伪装通信方身份的场景

客户端 C 和服务器 S 想要使用 SSL/TLS 通信，C 需要先知道 S 的公钥，而 S 公钥的唯一获取途径，就是把 S 公钥在网络信道中传输。要注意网络信道通信中有几个前提：

1. 任何人都可以捕获通信包
2. 通信包的保密性由发送者设计
3. 保密算法设计方案默认为公开，而（解密）密钥默认是安全的

因此，假设存在一个攻击者 A，发送给 C 一个诈包来假装是 S 的公钥，其实是诱饵服务器 AS 的公钥。当 C 收获了 AS 的公钥（却以为是 S 的公钥），C 后续就会使用 AS 公钥对数据进行加密，并在公开信道传输，那么 A 将捕获这些加密包，用 AS 的私钥解密，就截获了 C 本要给 S 发送的内容，而 C 和 S 二人全然不知。

3.7.3.2 如何解决公钥传输的依赖性问题

为了解决公钥传输的信赖性问题，第三方机构应运而生——证书颁发机构（CA，Certificate Authority）。

CA默认是客户端和服务器都受信任的第三方，它会给各个服务器颁发证书，证书存储在服务器上，并附有CA的电子签名。

当客户端C向服务器S发送HTTPS请求时，一定要先获取目标服务器的证书，并根据证书上的信息，检验证书的合法性。一旦客户端监测到证书非法，就会发生错误。客户端获取了服务器的证书以后，由于证书的信任性是由第三方信赖机构认证的，而证书上又包含着服务器的公钥信息，客户端就可以放心的信任证书上的公钥就是目标服务器的公钥。

3.7.3.3 数字证书认证机构的业务流程

• 服务器的运营人员向第三方机构CA提交公钥、组织信息、个人信息(域名)等信息并申请认证;
• CA通过线上、线下等多种手段验证申请者提供信息的真实性，如组织是否存在、企业是否合法，是否拥有域名的所有权等;
• 如信息审核通过，CA会向申请者签发认证文件-证书。证书包含以下信息：申请者公钥、申请者的组织信息和个人信息、签发机构 CA的信息、有效时间、证书序列号等信息的明文，同时包含一个签名。 其中签名的产生算法：首先，使用散列函数计算公开的明文信息的信息摘要，然后，采用 CA的私钥对信息摘要进行加密，密文即签名;
• 客户端 Client 向服务器 Server 发出请求时，Server 返回证书文件;
• 客户端 Client 读取证书中的相关的明文信息，采用相同的散列函数计算得到信息摘要，然后，利用对应 CA的公钥解密签名数据，对比证书的信息摘要，如果一致，则可以确认证书的合法性，即服务器的公开密钥是值得信赖的。
• 客户端还会验证证书相关的域名信息、有效时间等信息; 客户端会内置信任CA的证书信息(包含公钥)，如果CA不被信任，则找不到对应 CA的证书，证书也会被判定非法。

3.8 带有证书的公钥传输机制

1. 设有服务器 S，客户端 C，和第三方信赖机构 CA。
2. S 信任 CA，CA 是知道 S 公钥的，CA 向 S 颁发证书。并附上 CA 私钥对消息摘要的加密签名。
3. S 获得 CA 颁发的证书，将该证书传递给 C。
4. C 获得 S 的证书，信任 CA 并知晓 CA 公钥，使用 CA 公钥对 S 证书山的签名解密，同时对消息进行散列处理，得到摘要。比较摘要，验证 S 证书的真实性。
5. 如果 C 验证 S 证书是真实的，则信任 S 的公钥（在 S 证书中）。