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看完你就知道什么是 HTTPS 了

什么是 HTTPS ?

不管是使用手机还是电脑上网,都离不开数据的通讯

现在互联网上传输数据,普遍使用的是超文本传输协议,即 HTTP (HyperText Transfer Protocol)

所以,我们以前在上网的时候,会发现所有的网址都有一个 http:// 前缀:

HTTP 协议

简单而言,HTTP 协议定义了一套规范,让客户端或浏览器可以和服务器正常通信,完成数据传输

但是,HTTP 使用明文传输,比如你输入账号/密码提交登录:

明文传输

很有可能被中间人窃听,从而造成数据泄露,所以说 HTTP 是不安全的,现代浏览器会在地址栏提示连接不安全:

火狐浏览器安全提示

为了解决安全传输的问题,人们发明了 HTTPS,即 HTTP + Secure

为什么 HTTPS 是安全的?

只要把传输的数据加密,那么通信就是安全的,前提是除通信双方外,任何第三方无法解密:

加密传输

在上图示例中,通信的数据经过加密,即使被中间人窃听到了,它也无法知道数据内容

火狐浏览器安全提示

HTTPS 是怎么实现安全通信的?

加密传输确实安全,但是客户端把数据加密后,服务器怎么解密呢?又怎样保证中间人窃听到密文后无法解密呢?

答案是:使用对称加密技术

什么是对称加密?
简单而言,通信双方各有一把相同的钥匙(所谓对称),客户端把数据加密锁起来后,传送给服务器,服务器再用钥匙解密。同理,服务器加密后传输给客户端的数据,客户端也可以用钥匙解密

那么,新的问题又出现了:怎样在通信之前,给双方分配两把一样的钥匙呢?

如果真的只有两个人要通信的话,可以简单的私下见个面分配好,以后要通信的时候用就行。但是,实际通信往往是一个服务器和成千上万的客户端之间,总不能让每个人都和服务器先私下见个面

另外,即使使用了对称加密技术,如果一方保管不善的话,也有可能钥匙被人偷了去复制一个,这样就存在很大的安全隐患,最好是每个客户端每次和服务器通信都用不同的密钥

一个简单的解决方案是:客户端在每次请求通信之前,先和服务器协商,通过某种办法,产生只有双方知道的对称密钥

这个过程就是所谓:密钥交换(Key Exchange)

密钥交换算法有很多种实现,常见的有:

  • Deffie-Hellman 密钥交换算法
  • RSA 密钥交换算法

本文以较简单的 RSA 密钥交换为例

简单而言,RSA 密钥交换算法需要客户端向服务器提供一个 Pre-Master-Key,然后通信双方再生成 Master-Key,最后根据 Master-Key 产生后续一系列所需要的密钥,包括传输数据的时候使用的对称密钥

那么,客户端怎么把 Pre-Master-Key 告诉服务器呢?直接明文传输么?

我们之前说过,没加密的通信都会被窃听,是不安全的

似乎进入死循环了:为了加密通信,需要先把 Pre-Master-Key 传送给服务器,但是这个传送又必须要加密

我们引入一种新的加密技术:非对称加密

什么是非对称加密?
简单而言,服务器可以生成一对不同的密钥(所谓非对称),一把私自保存,称为私钥;一把向所有人公开,称为公钥
这对密钥有这样的性质:公钥加密后的数据只有私钥能解密,私钥加密后的数据只有公钥能解密
非对称加密的一种经典实现叫 RSA 算法,这种加密算法最早 1977 年由罗纳德·李维斯特(Ron Rivest)、阿迪·萨莫尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德曼(Leonard Adleman)一起提出的,RSA 就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的

有了非对称加密的技术后,事情就好办了:

客户端把 Pre-Master-Key 用服务器的公钥加密后,传送给服务器

因为只有服务器才有私钥,所以只有服务器才能解密数据,获取客户端发送来的 Pre-Master-Key

具体的交互过程:

  1. 客户端向服务器索取公钥 PublicKey;
  2. 服务器将公钥发给客户端(这里没有保密需求,因为公钥是向所有人公开的);
  3. 客户端使用服务器的公钥 PublicKey 把 Pre-Master-Key 加密成密文,传送给服务器;
  4. 服务器用私钥 PrivateKey 解密密文,获取到客户端发送的 Pre-Master-Key;

看起来很完美,但是第 2 步骤又引发了一个新问题:

由于互联网是公开的,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(所谓中间人攻击 Man-in-the-middle attack,缩写:MITM)

中间人攻击

因为中间人也可以生成一对非对称密钥,它会截获服务器发送的公钥,然后把它自己的公钥 MiddleMan-PublicKey 发送给客户端,进行欺骗

可怜我们的客户端,竟然信以为真!然后傻乎乎的把自己的 Pre-Master-Key 用 MiddleMan-PublicKey 加密后,发给中间人

怎么解决这个问题?

问题等价于:客户端怎么确定收到的公钥,真的就是服务器的公钥?

想一想你乘高铁、坐飞机的时候,怎么向工作人员证明你是你

答案很简单,到公安局(权威机构 英文名:Authority)出个身份证明(Certificate)

身份证上记载了你的号码、姓名、年龄、照片、住址,还有签发机关、有效期等

所以,服务器也想办法到权威机构 (Authority) 办一张证书 Certificate,上面记载了服务器的域名、公钥、所属单位,还有签发机关、有效期等

当客户端收到服务器发过来的证书后,只要证书不是伪造的,那么上面记载的公钥肯定也就是真的!

证书长啥样?
点击 IE 浏览器上的小锁就可以查看服务器的证书

查看证书

不过,这里又有个新问题:怎么证明证书不是伪造的?

我们介绍一种防伪手段:签名(Signature)

什么是签名?
我们在生活、工作过程中,经常遇到需要签名的情况:刷信用卡、签合同等,用来证明这是本人的行为。签名之所以可信,是因为理论上每个人的签名都有生理学基础,别人是无法伪造的,就像你的指纹一样

所以,只要服务器发送的证书上有权威机构 Authority 的签名,就可以确信证书是颁发给服务器的,而不是谁伪造的

这就相当于,只要你的请假条上有领导的签名,那么 HR 就会确信领导已经审批同意你请假了

如果说人类签名使用纸笔,那么计算机的数字化签名怎么实现呢?

答案是使用非对称加密技术:

  1. 数字证书认证机构(Certificate Authority,简称 CA)生成一对公/私钥;
  2. 服务器将自己的域名、公钥等信息提交给 CA 审查;
  3. CA 审查无误,使用私钥把服务器信息的摘要加密,生成的密文就是所谓签名(Signature);
  4. CA 把服务器的信息、签名、有效期等信息集合到一张证书上,颁发给服务器;
  5. 客户端收到服务器发送的证书后,使用 CA 的公钥解密签名,获得服务器信息的摘要,如果和证书上记录的服务器信息的摘要一致,说明服务器信息是经过 CA 认可的

什么是信息摘要?
简单来说,就是一段任意长的数据,经过信息摘要处理后,可以得到一段固定长度的数据,比如 32 字节,只要原始数据有任意变动,生成的信息摘要都不一样

但是,在第5步骤又有一个新问题:客户端怎么知道 CA 的公钥?

答案:与生俱来

世界上的根 CA 就那么几家,浏览器或者操作系统在出厂的时候,已经内置了这些机构的自签名证书,上面记录他们的公钥信息,你也可以在需要的时候手动安装 CA 证书

Windows 系统为例:

系统信任的根证书

至此,HTTPS 通信过程已经很明朗了:

  1. 操作系统/浏览器 自带了 CA 根证书;
  2. 客户端因此可以验证服务器发送的证书真实性,从而获取到服务器的公钥;
  3. 有了服务器的公钥,客户端就可以把 Pre-Master-Key 传送给服务器;
  4. 服务器获取到 Pre-Master-Key 后,通过后续产生的对称密钥,就可以和客户端加密通信了。

总结

本文简述了 HTTPS 通讯过程的基本原理,涉及到了对称加密、非对称加密、信息摘要、签名、密钥交换等技术基础,以及发行机构、数字证书等概念

具体的 HTTPS 实现细节还要复杂得多,这里并没有展开讲,但是并不影响对 HTTPS 不熟悉的读者对原理有基本的认知

参考文献

还有问题? 联系作者微博/微信 @Ceelog

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