九個(gè)問題從入門到熟悉 HTTPS

Q1: 什么是 HTTPS？

BS: HTTPS 是安全的 HTTP

HTTP 協(xié)議中的內(nèi)容都是明文傳輸，HTTPS 的目的是將這些內(nèi)容加密，確保信息傳輸安全。最后一個(gè)字母 S 指的是 SSL/TLS 協(xié)議，它位于 HTTP 協(xié)議與 TCP/IP 協(xié)議中間。

Q2: 你說的信息傳輸安全是什么意思

BS: 信息傳輸?shù)陌踩�有三個(gè)方面:

1、客戶端和服務(wù)器直接的通信只

2、有自己能看懂，即使第三方拿到數(shù)據(jù)也看不懂這些信息的真實(shí)含義。

3、第三方雖然看不懂?dāng)?shù)據(jù)，但可以 XJB 改，因此客戶端和服務(wù)器必須有能力判斷數(shù)據(jù)是否被修改過。

4、客戶端必須避免中間人攻擊，即除了真正的服務(wù)器，任何第三方都無法冒充服務(wù)器。

很遺憾的是，目前的 HTTP 協(xié)議還不滿足上述三條要求中的任何一條。

Q3: 這么多要求，一個(gè)一個(gè)去滿足是不是很累？

BS: 不累，第三個(gè)要求可以不用管

是的，我沒開玩笑，你可以暫時(shí)別管第三個(gè)要求，因?yàn)樗鼘?shí)際上隸屬于第一個(gè)需求。我們都知道加密需要密碼，密碼不是天下掉下來，也得需要雙方經(jīng)過通信才能協(xié)商出來。所以一個(gè)設(shè)計(jì)良好的加密機(jī)制必然會(huì)防止第三者的干擾和偽造。等搞明白了加密的具體原理，我們自然可以檢驗(yàn)是否滿足:“任何第三者無法冒充服務(wù)器”這一要求。

Q4: 那怎么加密信息呢

BS: 使用對(duì)稱加密技術(shù)

對(duì)稱加密可以理解為對(duì)原始數(shù)據(jù)的可逆變換。比如 Hello 可以變換成 Ifmmp，規(guī)則就是每個(gè)字母變成它在字母表上的后一個(gè)字母，這里的秘鑰就是 1，另一方拿到 Ifmmp 就可以還原成原來的信息 Hello 了。

引入對(duì)稱加密后，HTTPS 的握手流程就會(huì)多了兩步，用來傳遞對(duì)稱加密的秘鑰:

1、客戶端: 你好，我需要發(fā)起一個(gè) HTTPS 請(qǐng)求

1、服務(wù)器: 好的，你的秘鑰是 1。

提到了對(duì)稱加密，那么自然還有非對(duì)稱加密。它的思想很簡(jiǎn)單，計(jì)算兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積很容易，但反過來分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積就很難，要經(jīng)過極為復(fù)雜的運(yùn)算。非對(duì)稱加密有兩個(gè)秘鑰，一個(gè)是公鑰，一個(gè)是私鑰。公鑰加密的內(nèi)容只有私鑰可以解密，私鑰加密的內(nèi)容只有公鑰可以解密。一般我們把服務(wù)器自己留著，不對(duì)外公布的密鑰稱為私鑰，所有人都可以獲取的稱為公鑰。

使用對(duì)稱加密一般要比非對(duì)稱加密快得多，對(duì)服務(wù)器的運(yùn)算壓力也小得多。

Q5: 對(duì)稱秘鑰如何傳輸

服務(wù)器直接返回明文的對(duì)稱加密密鑰是不是不安全。如果有監(jiān)聽者拿到這個(gè)密鑰，不就知道客戶端和服務(wù)器后續(xù)的通信內(nèi)容了么？

BS: 利用非對(duì)稱加密

是這樣，所以不能明文傳遞對(duì)稱秘鑰，而且也不能用一個(gè)新的對(duì)稱加密算法來加密原來的對(duì)稱秘鑰，否則新的對(duì)稱秘鑰同樣無法傳輸，這就是雞生蛋、蛋生雞的悖論。

這里我們引入非對(duì)稱加密的方式，非對(duì)稱加密的特性決定了服務(wù)器用私鑰加密的內(nèi)容并不是真正的加密，因?yàn)楣�鑰所有人都有，所以服務(wù)器的密文能被所有人解析。但私鑰只掌握在服務(wù)器手上，這就帶來了兩個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì):

1、服務(wù)器下發(fā)的內(nèi)容不可能被偽造，因?yàn)閯e人都沒有私鑰，所以無法加密。強(qiáng)行加密的后果是客戶端用公鑰無法解開。

2、任何人用公鑰加密的內(nèi)容都是絕對(duì)安全的，因?yàn)樗借�只有服務(wù)器有，也就是只有真正的服務(wù)器可以看到被加密的原文。

所以傳輸對(duì)稱秘鑰的問題就迎刃而解了: 秘鑰不是由服務(wù)器下發(fā)，而是由客戶端生成并且主動(dòng)告訴服務(wù)器。

所以當(dāng)引入非對(duì)稱加密后，HTTPS 的握手流程依然是兩步，不過細(xì)節(jié)略有變化:

客戶端: 你好，我需要發(fā)起一個(gè) HTTPS 請(qǐng)求，這是我的 (用公鑰加密后的) 秘鑰。

服務(wù)器: 好的，我知道你的秘鑰了，后續(xù)就用它傳輸。

Q5: 那公鑰怎么傳輸

你好像還是沒有解決雞生蛋，蛋生雞的問題。你說客戶端發(fā)送請(qǐng)求時(shí)要用公鑰加密對(duì)稱秘鑰，那公鑰怎么傳輸呢？

BS: 對(duì)公鑰加密就行了。。。

每一個(gè)使用 HTTPS 的服務(wù)器都必須去專門的證書機(jī)構(gòu)注冊(cè)一個(gè)證書，證書中存儲(chǔ)了用權(quán)威機(jī)構(gòu)私鑰加密的公鑰。這樣客戶端用權(quán)威機(jī)構(gòu)的公鑰解密就可以了。

現(xiàn)在 HTTPS 協(xié)議的握手階段變成了四步:

1、客戶端: 你好，我要發(fā)起一個(gè) HTTPS 請(qǐng)求，請(qǐng)給我公鑰

2、服務(wù)器: 好的，這是我的證書，里面有加密后的公鑰

3、客戶端: 解密成功以后告訴服務(wù)器: 這是我的 (用公鑰加密后的) 對(duì)稱秘鑰。

4、服務(wù)器: 好的，我知道你的秘鑰了，后續(xù)就用它傳輸。

Q6: 你在逗我么。。。。

那權(quán)威機(jī)構(gòu)的公鑰又怎么傳輸？

BS: 存在電腦里

這個(gè)公鑰不用傳輸，會(huì)直接內(nèi)置在各大操作系統(tǒng)(或者瀏覽器)的出廠設(shè)置里。之所以不把每個(gè)服務(wù)器的公鑰內(nèi)置在電腦里，一方面是因?yàn)榉��?wù)器太多，存不過來。另一方面操作系統(tǒng)也不信任你，憑什么你說你這個(gè)就是百度/淘寶的證書呢？

所以各個(gè)公司要先去權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，申請(qǐng)證書，然后操作系統(tǒng)只會(huì)存儲(chǔ)權(quán)威機(jī)構(gòu)的公鑰。因?yàn)闄?quán)威機(jī)構(gòu)數(shù)量有限，所以操作系統(tǒng)廠商相對(duì)來說容易管理。如果這個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)不夠權(quán)威，XJB 發(fā)證書，就會(huì)取消他的資格，比如可憐的沃通。。。。

Q7: 怎么知道證書有沒有被篡改？

你說服務(wù)器第一次會(huì)返回證書，也就是加密以后的公鑰，那我怎么知道這個(gè)證書是可靠的？

BS: 將信息 hash 值隨著信息一起傳遞

我們都知道哈希算法的特點(diǎn)，它可以壓縮數(shù)據(jù)，如果從函數(shù)角度來看，不管多復(fù)雜的數(shù)據(jù)(定義域可以非常大)經(jīng)過哈希算法都會(huì)得到一個(gè)值，而且這個(gè)值處在某個(gè)特定(遠(yuǎn)小于定義域的范圍)值域內(nèi)。相同數(shù)據(jù)的哈希結(jié)果一定相同，不相同數(shù)據(jù)的哈希結(jié)果一般不同，不過也有小概率會(huì)重復(fù)，這叫哈希沖突。

為了確保原始證書沒有被篡改，我們可以在傳遞證書的同時(shí)傳遞證書的哈希值。由于第三者無法解析數(shù)據(jù)，只能 XJB 改，那么修改后的數(shù)據(jù)在解密后，就不可能通過哈希。

比如說公鑰就是之前的例子 Hello，我們假設(shè)哈希算法是獲取字符串的最后一個(gè)字符，那么 Hello 的哈希值就是 o，所以加密字符串是 Ifmmpp。雖然公鑰已知，每個(gè)人都可以解密，解密完也可以篡改，但是因?yàn)闆]有私鑰， 所以無法正確的加密。所以它再返回給客戶端的數(shù)據(jù)是無效數(shù)據(jù)，用公鑰解析后會(huì)得到亂碼。即使攻擊者通過多次嘗試碰巧能夠解析，也無法通過哈希校驗(yàn)。

Q8: 這樣可以防止第三方冒充服務(wù)器么

BS: 也許可以

首先真正的服務(wù)器下發(fā)的內(nèi)容，無法被別人篡改。他們有權(quán)威機(jī)構(gòu)的公鑰，所以可以解密，但是因?yàn)闆]有私鑰，所以解密以后的信息無法加密。沒有加密或者錯(cuò)誤加密的信息被客戶端用公鑰解密以后，必然無法通過哈希校驗(yàn)。

但是，如果你一開始請(qǐng)求的就不是真的服務(wù)器，而是一個(gè)攻擊者，此時(shí)的他完全有機(jī)會(huì)進(jìn)行中間人攻擊。我們知道第一次握手的時(shí)候服務(wù)器會(huì)下發(fā)用于證明自己身份的證書，這個(gè)證書會(huì)用預(yù)設(shè)在設(shè)備上的公鑰來解密。所以要么是經(jīng)過認(rèn)證的證書用權(quán)威機(jī)構(gòu)的私鑰加密，再用權(quán)威機(jī)構(gòu)解密，要么是用非權(quán)威機(jī)構(gòu)的私鑰加密，然后找不到公鑰解密。

所以如果不小心安裝過非權(quán)威機(jī)構(gòu)的根證書，比如黑客提供的惡意證書，這時(shí)候設(shè)備上就多了一個(gè)預(yù)設(shè)的公鑰，那么用惡意私鑰加密的證書就能被正常解析出來。所以千萬不要隨便裝根證書，這等于是為那些惡意證書留了一扇門。

當(dāng)然，凡是都有兩面性。我們知道 Charles 可以調(diào)試 HTTPS 通信，它的原理就是需要用戶安裝 Charles 的根證書，然后我們的請(qǐng)求會(huì)被代理到 Charles 服務(wù)器，它下發(fā)的 Charles 證書才能被正確解析。另一方面，Charles 會(huì)作為客戶端，從真正的服務(wù)器哪里拿到正確的 https 證書并用于后續(xù)通信。幸好 Charles 不是流氓軟件，或者它的私鑰一旦泄露，對(duì)用戶都會(huì)造成很大的影響。

我可以舉一個(gè)例子，證書有多個(gè)種類，最貴的叫 EV (Extended Validation)，它需要公司營業(yè)執(zhí)照等多個(gè)文件才能申請(qǐng)人工審核，好處也很明顯，可以在瀏覽器地址欄左側(cè)準(zhǔn)確顯示公司名稱。

代理模式下無法顯示

Q9: HTTPS 握手會(huì)影響性能么

TCP 有三次握手，再加上 HTTPS 的四次握手，會(huì)不會(huì)影響性能？

BS: 影響肯定有，但是可以接受

首先，HTTPS 肯定會(huì)更慢一點(diǎn)，時(shí)間主要花費(fèi)在兩組 SSL 之間的耗時(shí)和證書的讀取驗(yàn)證上，對(duì)稱算法的加解密時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)。

而且如果不是首次握手，后續(xù)的請(qǐng)求并不需要完整的握手過程�？蛻舳丝梢园焉洗蔚募用芮闆r直接發(fā)送給服務(wù)器從而快速恢復(fù)，具體細(xì)節(jié)可以參考 圖解SSL/TLS協(xié)議。

除此以外，SSL 握手的時(shí)間并不是只能用來傳遞加密信息，還可以承擔(dān)起客戶端和服務(wù)器溝通 HTTP2 兼容情況的任務(wù)。因此從 HTTPS 切換到 HTTP2.0 不會(huì)有任何性能上的開銷，反倒是得益于 HTTP2.0 的多路復(fù)用等技術(shù)，后續(xù)可以節(jié)約大量時(shí)間。

如果把 HTTPS2.0 當(dāng)做目標(biāo)，那么 HTTPS 的性能損耗就更小了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上它帶來的安全性提升。

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