【计算机网络】HTTPS 协议原理

加密

1. 加密概念

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。

例如我们客户端需要传输一个数字 5 给服务端，假设加密的方法为 5^2，于是 5 就称为明文，2 称为密钥；生成新的数字 7，7 就称为密文。当密文到了服务端进行解密，再异或密钥即可得到明文。

2. 加密的原因

当我们下载一个软件时，在客户端和服务器之间还有一种角色，叫做运营商，所以我们的所有请求，在发给服务器之前，都要先经过运营商的，然后再由运营商转发到服务端。所以我们在发起下载请求时，运营商正常转发给服务端，但是服务端响应下载链接时，运营商却可以将该响应的下载链接替换掉，导致我们下载的软件不是我们想要的！

由于我们通过网络传输的任何的数据包都会经过运营商的网络设备（路由器, 交换机等），那么运营商的网络设备就可以解析出你传输的数据内容，并进行篡改。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，就发现这个请求是要下载某个 APP，那么就自动的把交给用户的响应给篡改成另外一个软件的下载地址了。

所以，因为 http 的内容是明文传输的，明文数据会经过路由器、wifi热点、通信服务运营商、代理服务器等多个物理节点，如果信息在传输过程中被劫持，传输的内容就完全暴露了。劫持者还可以篡改传输的信息且不被双方察觉，这就是中间人攻击 ，所以我们才需要对信息进行加密。另外，不止运营商可以劫持，其他的黑客也可以用类似的手段进行劫持，来窃取用户隐私信息，或者篡改内容！

所以在互联网上，明文传输是比较危险的事情！HTTPS 就是在 HTTP 的基础上进行了加密，进⼀步的来保证用户的信息安全！

3. 常见的加密方式
   （1）对称加密
   采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密，特征：加密和解密所用的密钥是相同的。也就是我们上面举的异或的例子。

特点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高
对称加密其实就是通过同一个 “密钥”，把明文加密成密文，并且也能把密文解密成明文。

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

特点：算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥但是由于其算法复杂，而使得加密解密速度没有对称加密解密的速度快。
非对称加密要用到两个密钥，一个叫做 “公钥”，⼀个叫做 “私钥”。

公钥和私钥是配对的，最大的缺点就是运算速度非常慢，比对称加密要慢很多。其中：

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
也就是说，在一组公钥和私钥中，如果我们用了私钥加密，那么只要拥有公钥的人都可以解密；反过来，如果用了公钥加密，那么只能由拥有私钥的人来解密。

三、数据摘要(数据指纹)
数字指纹(数据摘要)，其基本原理是利用单向散列函数(Hash函数)对信息进行运算，生成一串固定长度的数字摘要。数字指纹并不是⼀种加密机制，但可以用来判断数据有没有被篡改。

四、HTTPS 的工作原理探究
既然要保证数据安全，就需要进行 “加密”。网络传输中不再直接传输明文了，而是加密之后的 “密文”。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。

1. 只使用对称加密
   如果通信双方都各自持有同⼀个密钥X，且没有别⼈知道，这两方的通信安全当然是可以被保证的（除非密钥被破解）
   
   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啥，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，每个人用的秘钥都必须是不同的(如果是相同那密钥就太容易扩散了, 黑客就也能拿到了)。因此服务器就需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什么。但是如果直接把密钥明文传输，那么黑客也就能获得密钥了！此时后续的加密操作就形同虚设了，因此密钥的传输也必须加密传输！

2. 只使用非对称加密
   鉴于非对称加密的机制，如果服务器先把公钥以明文方式传输给浏览器，之后浏览器向服务器传数据前都先用这个公钥加密好再传，从客户端到服务器信道似乎是安全的(有安全问题)，因为只有服务器有相应的私钥能解开公钥加密的数据。

但是服务器到浏览器的这条路怎么保障安全？如果服务器用它的私钥加密数据传给浏览器，那么浏览器用公钥可以解密它，而这个公钥是一开始通过明文传输给浏览器的，若这个公钥被中间人劫持到了，那它也能用该公钥解密服务器传来的信息了。

3. 双方都使用非对称加密
   服务端拥有公钥S与对应的私钥S’，客户端拥有公钥C与对应的私钥C’。客户和服务端交换公钥，客户端给服务端发信息：先用S对数据加密，再发送，只能由服务器解密，因为只有服务器有私钥S’；服务端给客户端发信息：先用C对数据加密，在发送，只能由客户端解密，因为只有客户端有私钥C’。但是这样效率太低，而且依然还有安全问题！这个问题我们后面再说。如下图：
   
4. 非对称加密 + 对称加密
   服务端具有非对称公钥S和私钥S’，客户端发起 https 请求，获取服务端公钥S，客户端在本地生成对称密钥C, 通过公钥S加密，发送给服务器。由于中间的网络设备没有私钥，即使截获了数据，也无法还原出内部的原文，也就无法获取到对称密钥。服务器通过私钥S’解密，还原出客户端发送的对称密钥C，并且使用这个对称密钥加密给客户端返回的响应数据。后续客户端和服务器的通信都只用对称加密即可。由于该密钥只有客户端和服务器两个主机知道，其他主机/设备不知道密钥即使截获数据也没有意义。如下图：
   
   虽然上面已经比较接近答案了，但是依旧有安全问题。方案 2，方案 3，方案 4 都存在一个问题，如果最开始，中间人就已经开始攻击了呢？

中间人攻击
中间人攻击，Man-in-the-MiddleAttack，简称 “MITM攻击”。确实，在⽅案2/3/4中，客户端获取到公钥S之后，对客户端形成的对称秘钥C用服务端给客户端的公钥S进行加密，中间人即使窃取到了数据，此时中间人确实无法解出客户端形成的密钥C，因为只有服务器有私钥S’。

但是中间人的攻击，如果在最开始握手协商的时候就进行了，那就不一定了，假设 hacker 已经成功成为中间人：

服务器具有非对称加密算法的公钥S，私钥S’；

中间人具有非对称加密算法的公钥M，私钥M’；

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；

此时中间人劫持数据报报文，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；

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)，自己形成对称秘钥C，用公钥M加密C，形成报文发送给服务器；

中间人劫持后，直接用自己的私钥M’进行解密，得到通信秘钥C，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；

服务器拿到报文，用自己的私钥S’解密，得到通信秘钥C；

双方开始采用C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；

上面的攻击方案，同样适用于方案2，方案3；问题本质出在哪里了呢？客户端无法确定收到的含有公钥的数据报文，就是目标服务器发送过来的！

CA认证
为了解决上面的问题，服务端在使用 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。

这个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
证书所有者
签名
…
需要注意的是：申请证书的时候，需要在特定平台生成查，会同时生成一对密钥对，即公钥和私钥。这对密钥对就是用来在网络通信中进行明文加密的。

其中公钥会随着CSR文件，⼀起发给CA进行权威认证，私钥服务端自己保留，用来后续进行通信（其实主要就是用来交换对称秘钥）。

理解数据签名

那么客户端该如何验证证书是合法的呢？在服务端给我们返回证书的时候，中间人也可以篡改证书中的内容呀。

首先我们先理解一下签名的过程，服务端首先将用户的请求，即提交上来的数据打包成 .csr 文件，并附上自己形成的公钥等信息向 CA机构 申请认证，这个认证过程如下：

首先将提交上来的数据通过散列函数形成数据摘要，然后 CA机构 使用自己的私钥 CA’ 进行加密，该数据摘要使用私钥 CA’ 加密后称为签名，签名和数据加在一起就称为证书！该证书就返回给服务端，然后服务端就把该证书返回给客户端！

那么当服务端给客户端返回证书的时候，中间人也可以对证书的内容篡改呀，怎么保证客户端收到的证书就是服务端发送过来的而没有被篡改过呢？这时候客户端就需要将该证书进行拆分，将明文部分和签名进行拆分。先对明文部分使用同样的散列函数 md5 形成数据摘要；我们知道，签名是经过数据摘要和 CA机构 的私钥 CA‘ 加密过的，那么 CA机构 的公钥在哪呢？CA机构 会公开自己形成证书签名时所用的公钥！怎么公开呢？客户端当中会内置很多权威 CA机构 的公钥！所以客户端就可以使用 CA机构 在自己内置的公钥 CA 对该签名进行解密，得到加密前的数据摘要！然后将证书中的明文部分和数据摘要进行对比就能确保该证书的权威性！如下图：

5. 非对称加密 + 对称加密 + 证书认证
所以正确的方案应该是 非对称加密 + 对称加密 + 证书认证，如下图：