HTTPS（详解）

一、HTTP 的缺点

  在 HTTP 协议中有可能存在信息窃听或身份伪装等安全问题。使用 HTTPS 通信机制可以有效地防止这些问题。HTTP 的缺点：

• 通信使用明文（不加密），内容可能会被窃听；
• 不验证通信方的身份，因此有可能遭遇伪装；
• 无法证明报文的完整性，所以有可能已遭篡改。

  这些问题不仅在 HTTP 上出现，其他未加密的协议中也会存在这类问题。

1、加密处理防止被窃听

  通信的加密：用 SSL 建立安全通信线路之后，就可以在这条线路上进行 HTTP 通信了。与 SSL 组合使用的 HTTP 被称为 HTTPS（HTTP Secure，超文本传输安全协议）或 HTTP over SSL。

  内容的加密：为了做到有效的内容加密，前提是要求客户端和服务器同时具备加密和解密机制，主要应用在 Web 服务中。由于该方式不同于 SSL 或 TLS 将整个通信线路加密处理，所以内容仍有被篡改的风险。

2、不验证通信方的身份就可能遭遇伪装

  在 HTTP 协议通信时，由于不存在确认通信方的处理步骤，任何人都可以发起请求。另外，服务器只要接收到请求，不管对方是谁都会返回一个响应。

• 无法确定请求发送至目标的 Web 服务器是否是按真实意图返回响应的那台服务器。有可能是已伪装的 Web 服务器；
• 无法确定响应返回到的客户端是否是按真实意图接收响应的那个客户端。有可能是已伪装的客户端；
• 无法确定正在通信的对方是否具备访问权限。因为某些 Web 服务器上保存着重要的信息，只想发给特定用户通信的权限；
• 无法判定请求是来自何方、出自谁手；
• 即使是无意义的请求也会照单全收。无法阻止海量请求下的 DoS 攻击（Denial of Service，拒绝服务攻击）。

  虽然使用 HTTP 协议无法确定通信方，但如果使用 SSL 则可以。SSL 不仅提供加密处理，而且还使用了一种被称为证书的手段，可用于确定方。

  证书由值得信任的第三方机构颁发，用以证明服务器和客户端是实际存在的。通过使用证书，以证明通信方就是意料中的服务器。这对使用者个人来讲，也减少了个人信息泄露的危险性。客户端持有证书即可完成个人身份的确认，也可用于对 Web 网站的认证环节。

3、无法证明报文完整性，可能已遭篡改

  所谓完整性是指信息的准确度。若无法证明其完整性，通常也就意味着无法判断信息是否准确。请求或响应在传输途中，遭攻击者拦截并篡改内容的攻击称为中间人攻击（Man-in-the-Middle attack，MITM）。虽然使用 MD5 和 SHA-1 等散列值校验的方法可以确定报文完整性，但是 PGP 和 MD5 本身被改写的话，用户是没有办法意识到的。

  中间人攻击（MITM攻击）是指：黑客拦截并篡改网络中的通信数据。又分为被动 MITM 和主动 MITM ，被动 MITM 只窃取通信数据而不修改；而主动 MITM 不但能窃取数据，还会篡改通信数据。最常见的中间人攻击常常发生在公共 wifi 或者公共路由上。

二、HTTPS 的加密

  经常会在 Web 的登录页面和购物结算界面等使用 HTTPS 通信。使用 HTTPS 通信时，不再用 http://，而是改用 https://。

  HTTPS 并非是应用层的一种新协议。只是 HTTP 通信接口部分用 SSL（Secure Socket Layer）和 TLS（Transport Layer Security）协议代替而已。HTTP 直接和 TCP 通信。当使用 SSL 时，则演变成先和 SSL 通信，再由 SSL 和 TCP 通信了。在采用 SSL 后，HTTP 就拥有了 HTTPS 的加密、证书和完整性保护这些功能。

1、加密技术

（1）对称加密技术

  加密和解密同用一个密钥的方式称为共享密钥加密，也被叫做对称密钥加密。以共享密钥方式加密时必须将密钥也发给对方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入攻击者之手，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。

  发送密钥就有被窃听的风险，但不发送，对方就不能解密。再说，密钥若能够安全发送，那数据也应该能安全送达。

（2）非对称加密技术

  公开密钥加密方式很好地解决了共享密钥加密的困难。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。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。（根据密文和公开密钥，恢复到信息原文是异常困难的）

（3）混合加密技术

  HTTPS 采用共享密钥加密和公开密钥加密两者并用的混合加密机制。若密钥能够实现安全交换，那么有可能会考虑仅使用公开密钥加密来通信。但是公开密钥加密与共享密钥加密相比，其处理速度要慢。所以应充分利用两者各自的优势，将多种方法组合起来用于通信。在交换密钥环节使用公开密钥加密方式，之后的建立通信交换报文阶段则使用共享密钥加密方式。

2、数字证书

  数字证书包括了加密后服务器的公钥、权威机构的信息、服务器域名，还有经过 CA 私钥签名之后的证书内容（经过先通过 Hash 函数计算得到证书数字摘要，然后用权威机构私钥加密数字摘要得到数字签名），签名计算方法以及证书对应的域名。

  数字摘要：通过单向 hash 函数对原文进行哈希，将需加密的明文“摘要”成一串固定长度（如 128bit）的密文，不同的明文摘要成的密文其结果总是不相同，同样的明文其摘要必定一致，并且即使知道了摘要也不能反推出明文。

  数字签名技术：数字签名建立在公钥加密体制基础上，是公钥加密技术的另一类应用。它把公钥加密技术和数字摘要结合起来，形成了实用的数字签名技术。

• 接收方能够证实发送方的真实身份；
• 发送方事后不能否认所发送过的报文；
• 接收方或非法者不能伪造、篡改报文。

非对称加密过程需要用到公钥进行加密，那么公钥从何而来？

  其实公钥就被包含在数字证书中，数字证书通常采说是由受信任的数字证书颁发机构 CA，在验证服务器身份后颁发，证书中包含了一个密钥对（公钥和私钥）和所有者识别信息。数字证书放到服务端，具有服务器身份验证和数据传输加密功能。

（1）数字证书认证机构的业务流程

1. 服务器的运营人员向数字证书认证机构提出公开密钥的申请。数字证书认证机构在判明提出申请者的身份之后，会对已申请的公开密钥做数字签名，然后分配这个已签名的公开密钥，并将该公开密钥放入公钥证书后绑定在一起。
2. 服务器会将这份由数字证书认证机构颁发的公钥证书发送给客户端，以进行公开密钥加密方式通信。公钥证书也可叫做数字证书或直接称为证书。
3. 接到证书的客户端可使用数字证书认证机构的公开密钥，对那张证书上的数字签名进行验证，一旦验证通过，客户端便可明确两件事：一，认证服务器的公开密钥的是真实有效的数字证书认证机构。二，服务器的公开密钥是值得信赖的。
4. 此处认证机关的公开密钥必须安全地转交给客户端。使用通信方式时，如何安全转交是一件很困难的事，因此，多数浏览器开发商发布版本时，会事先在内部植入常用认证机关的公开密钥。

（2）客户端验证证书安全性的过程

1. 当客户端收到这个证书之后，使用本地配置的权威机构的公钥对证书进行解密得到服务端的公钥和证书的数字签名，数字签名经过 CA 公钥解密得到证书信息摘要。
2. 然后证书签名的方法计算一下当前证书的信息摘要，与收到的信息摘要作对比，如果一样，表示证书一定是服务器下发的，没有被中间人篡改过。因为中间人虽然有权威机构的公钥，能够解析证书内容并篡改，但是篡改完成之后中间人需要将证书重新加密，但是中间人没有权威机构的私钥，无法加密，强行加密只会导致客户端无法解密，如果中间人强行乱修改证书，就会导致证书内容和证书签名不匹配。

3、其他证书

  EV SSL 证书：用来证明作为通信一方的服务器是否规范，另外一个作用是可确认对方服务器背后运营的企业是否真实存在。

  客户端证书：以客户端证书进行客户端认证，证明服务器正在通信的对方始终是预料之内的客户端。客户端证书毕竟只能用来证明客户端实际存在，而不能用来证明用户本人的真实有效性。也就是说，只要获得了安装有客户端证书的计算机的使用权限，也就意味着同时拥有了客户端证书的使用权限。

  自签名证书：使用 OpenSSL 这套开源程序，每个人都可以构建一套属于 自己的认证机构，从而自己给自己颁发服务器证书。但该服务器 证书在互联网上不可作为证书使用。

三、HTTPS 的安全通信机制

1. 客户端通过发送 Client Hello 报文开始 SSL 通信。报文中包含客户端支持的 SSL 的指定版本、加密组件（Cipher Suite）列表（所使用的加密算法及密钥长度等）。
2. 服务器可进行 SSL 通信时，会以 Server Hello 报文作为应答。和客户端一样，在报文中包含 SSL 版本以及加密组件。服务器的加密组件内容是从接收到的客户端加密组件内筛选出来的。
3. 之后服务器发送 Certificate 报文。报文中包含公开密钥证书。
4. 最后服务器发送 Server Hello Done 报文通知客户端，最初阶段的 SSL 握手协商部分结束。
5. SSL 第一次握手结束之后，客户端以 Client Key Exchange 报文作为回应。报文中包含通信加密中使用的一种被称为 Pre-master secret 的随机密码串。该报文已用步骤 3 中的公开密钥进行加密。
6. 接着客户端继续发送 Change Cipher Spec 报文。该报文会提示服务器，在此报文之后的通信会采用 Pre-master secret 密钥加密。
7. 客户端发送 Finished 报文。该报文包含连接至今全部报文的整体校验值。这次握手协商是否能够成功，要以服务器是否能够正确解密该报文作为判定标准。
8. 服务器同样发送 Change Cipher Spec 报文。
9. 服务器同样发送 Finished 报文。
10. 服务器和客户端的 Finished 报文交换完毕之后，SSL 连接就算建立完成。当然，通信会受到 SSL 的保护。从此处开始进行应用层协议的通信，即发送 HTTP 请求。
11. 应用层协议通信，即发送 HTTP 响应。
12. 最后由客户端断开连接。断开连接时，发送 close_notify 报文。上图做了一些省略，这步之后再发送 TCP FIN 报文来关闭与 TCP 的通信。

  在以上流程中，应用层发送数据时会附加一种叫做 MAC（Message Authentication Code）的报文摘要。MAC 能够查知报文是否遭到篡改，从而保护报文的完整性。下面是对整个流程的图解。图中说明了从仅使用服务器端的公开密钥证书（服务器证书）建立 HTTPS 通信的整个过程。

  CBC 模式（Cipher Block Chaining）又名密码分组链接模式。在此模式下，将前一个明文块加密处理后和下一个明文块做 XOR 运算，使之重叠，然后再对运算结果做加密处理。对第一个明文块做加密时，要么使用前一段密文的最后一块，要么利用外部生成的初始向量（initial vector，IV）。

四、SSL 和 TLS

  TLS 是传输层加密协议，前身是 SSL 协议，有时候两者不区分。基于 HTTP 协议，通过 SSL 或 TLS 提供加密处理数据、验证对方身份以及数据完整性保护。

• 内容加密：采用混合加密技术，中间者无法直接查看明文内容；
• 验证身份：通过证书认证客户端访问的是自己的服务器；
• 保护数据完整性：防止传输的内容被中间人冒充或者篡改。

  HTTPS 也存在一些问题，那就是当使用 SSL 时，它的处理速度会变慢。HTTPS 比 HTTP 要慢 2 到 100 倍。SSL 的慢分两种：一种是指通信慢；另一种是指由于大量消耗 CPU 及内存等资源，导致处理速度变慢。SSL 证书的信用链体系并不安全，特别是在某些国家可以控制 CA 根证书的情况下，中间人攻击一样可行。