【网络原理】HTTPS 的工作过程

系列文章目录

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【网络原理】TCP协议的相关机制（确认应答、超时重传）

【网络原理】TCP协议的连接管理机制（三次握手和四次挥手）

【网络原理】IP协议的地址管理和路由选择

【网络原理】数据链路层 及 DNS域名系统

【网络原理】HTTP 协议的基本格式和 fiddler 抓包工具的用法

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目录

系列文章目录

一、HTTPS 是什么？

二、"加密"是什么？

三、HTTPS 的工作过程

引入对称加密

引入非对称加密

中间人攻击 

引入证书

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一、HTTPS 是什么？

HTTPS（超文本传输安全协议）是一种用于安全传输数据的网络协议，它通过在HTTP上增加SSL/TLS协议来保护数据的完整性和安全性。

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。

臭名昭著的“运营商劫持”

回想一下我们之前在网站上下载APP，正常点击下载按钮，实际下载的确是另一个APP。这就是运营商劫持后的效果。

点击“下载按钮”，其实就是在给服务器发送了一个HTTP请求，获取到的HTTP响应其实就包含了该APP的下载链接。运营商劫持之后，就把这个交给用户的响应的下载链接给篡改了。

要解决明文传输产生的问题，就要对其进行“加密”。HTTPS就是在HTTP基础上进行了加密。

二、"加密"是什么？

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。

三、HTTPS 的工作过程

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

引入对称加密

对称加密即通过同一个“密钥”，把明文加密成密文，并且也能把密文解密成明文。

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什么，因此就无法进行解密，也就不知道请求的真实内容是什么了。

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，如果都使用相同的密钥，那黑客只要破解一个，其他密钥就形同虚设了；因此，每个客户端所使用的密钥必须是不同的。

服务器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。

但是如果之间把密钥明文传输，那么黑客也就能获得密钥了，此时后续的加密操作也就形同虚设了。

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”，而密钥的密钥也是同理……此时，密钥的传输再用对称加密就行不通了，就需要引入非对称加密。

引入非对称加密

非对称加密要用到两个密钥，一个叫做“公钥”，一个叫做“私钥”。

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

也可以反着用

• 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

使用非对称加密，主要目的是为了对 对称密钥 进行加密。

不使用非对称加密，来加密和解密密文，是因为非对称加密的运算速度非常慢，效率远远低于对称加密。

⾮对称加密的数学原理比较复杂, 涉及到⼀些 数论 相关的知识. 这⾥举⼀个简单的生活上的例子.

A 要给 B ⼀些重要的⽂件, 但是 B 可能不在. 于是 A 和 B 提前做出约定:

B 说: 我桌⼦上有个盒子, 然后我给你⼀把锁, 你把文件放盒子里用锁锁上, 然后我回头拿着钥匙来开锁取文件.

在这个场景中, 这把锁就相当于公钥, 钥匙就是私钥. 公钥给谁都行(不怕泄露), 但是私钥只有 B 自己持有. 持有私钥的人才能解密.

 上图过程：

• 客户端在本地生成对称密钥，对称密钥通过公钥加密，发送给服务器
• 黑客手里虽然有公钥，但是密文需要通过私钥才能解密，而私钥黑客是拿不到的，只有服务器才持有私钥。即使其截获了数据，也无法获取到对称密钥，也就无法解密出原文了。
• 服务器通过私钥加密，还原出客户端发送的对称密钥，并且使用这个对称密钥加密给客服端返回的响应数据。
• 客户端和服务器都知道了对称密钥，后续客户端和服务器的通信都只用对称加密即可。

上述操作看似解决了问题，但仍然存在重大的安全漏洞，黑客仍然有办法获取到对称密钥。

中间人攻击 

服务器可以创建出一对公钥和私钥，同样的，黑客也可以按照同样的方式，创建出一对公钥和私钥，冒充自己是服务器。

1. 服务器具有非对称加密算法的公钥S，私钥S'
2. 中间⼈具有非对称加密算法的公钥M，私钥M'
3. 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
4. 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
5. 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)，自己形成对称密钥X，用公钥M加密X，形成报文发送给服务器
6. 中间人劫持后，直接用自己的私钥M'进行解密，得到通信密钥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
7. 服务器拿到报文，用自己的私钥S'解密，得到通信密钥X
8. 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

针对上述问题，最关键的一点，客户端拿到公钥的时候，要能有办法验证，这个公钥是否是真的，而不是黑客伪造的。

引入证书

服务器在使用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。

关键点：证书数据也是经过了黑客设备，但是，黑客无法修改证书中的公钥，因为客户端拿到证书之后，会先对证书验证真伪。

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
• 公钥和私钥对
• 证书所有者
• 签名
• ……

证书验证的过程： 

证书验证通常包括以下步骤：

1. 验证证书的有效性：客户端会检查证书的有效期，确保证书在当前时间内是有效的，没有过期。

2. 验证证书的颁发机构（CA）是否受信任：客户端会检查证书中的颁发机构是否在客户端的信任列表中。信任列表中包含了受信任的CA的根证书或者中间证书。

3. 验证证书中的域名是否与服务器的域名匹配：客户端会检查证书中包含的域名（通常是服务器的域名）是否与客户端正在连接的服务器的域名匹配。这是为了防止中间人攻击。

4. 验证证书的签名：客户端会使用证书中的公钥对证书的签名进行解密，以确保证书在传输过程中没有被篡改。如果解密后的结果与证书的内容相符，则证明证书是真实有效的。

此处的签名是一种用于验证证书真实性和完整性的机制，它确保证书在传输过程中没有被篡改。签名使用数字签名算法对证书的内容进行加密生成，然后由证书的签发机构（CA）使用私钥（证书自己的私钥，和服务器的私钥无关）进行签名（加密）。

验证证书的签名通常使用公钥进行解密，如果解密后的结果与证书的内容相符，则证明证书是由相应的CA签发的，并且证书在传输过程中没有被篡改。

通过以上步骤，客户端可以验证服务器的数字证书的真实性和完整性。如果验证通过，客户端就可以信任服务器，并与之建立安全的通信通道。如果任何一步验证失败，客户端会中止连接，以防止与不受信任的服务器建立通信。

中间人有没有可能篡改证书？

• 由于中间人没有CA机构的私钥，所以无法用私钥加密形成签名，那么也就无法对篡改后的证书形成匹配的的签名
• 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。

 中间人掉包整个证书？

• 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
• 虽然掉包确实是可以做到的，但是，证书明文中包含了域名等服务器认证信息，此时客户端依旧能够识别出来

经过上述一系列调整，HTTPS 最终的加密过程简单概括为以下步骤：

1. 客户端发起HTTPS请求：用户在浏览器中输入HTTPS网址或点击HTTPS链接，浏览器向服务器发起HTTPS请求。

2. 服务器发送证书：服务器收到请求后，会将自己的SSL/TLS证书发送给客户端。这个证书包含了服务器的公钥以及其他相关信息。

3. 客户端验证证书：客户端收到服务器发送的证书后，会验证证书的真实性和合法性。它会检查证书是否由受信任的证书颁发机构（CA）签发，以及证书是否在有效期内等。

4. 客户端生成密钥：如果证书验证通过，客户端会生成一个随机的对称密钥，并使用服务器的公钥加密该密钥。

5. 服务器解密密钥：服务器收到客户端发送的加密密钥后，会使用自己的私钥进行解密，从而得到对称密钥。

6. 加密通信：客户端和服务器现在都拥有了相同的对称密钥，它们可以使用对称密钥来加密和解密通信中的数据。这样，所有的通信数据都会被加密，确保了数据的安全性和隐私性。

7. 数据传输：客户端和服务器之间开始通过加密通道传输数据，包括网页内容、用户信息等。

8. 连接关闭：通信完成后，客户端和服务器可以选择关闭连接，或者保持连接以便后续通信。