面试：HTTPS

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-10-23 09:56 3阅读 0赞

# 面试：[HTTPS][] #

`HTTPS` 是一种通过计算机网络进行安全通信的传输协议。HTTPS经由HTTP进行通信，但利用 `SSL/TLS` 来加密数据包。 `HTTPS` 开发的主要目的，是提供对网站服务器的身份认证，保护交换数据的隐私与完整性。

`HTTPS` 的主要思想是在不安全的网络上创建一安全信道，并可在使用适当的加密包和服务器证书可被验证且可被信任时，对窃听和中间人攻击提供合理的防护。HTTPS的信任继承基于预先安装在浏览器中的证书颁发机构（如`Symantec、Comodo、GoDaddy和GlobalSign`等）（意即“我信任证书颁发机构告诉我应该信任的”）

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## HTTP 为什么不安全 ##

`http` 协议属于 **明文传输协议** ，交互过程以及数据传输都没有进行加密，通信双方也没有进行任何认证，通信过程非常容易遭遇劫持、监听、篡改，严重情况下，会造成恶意的流量劫持等问题，甚至造成个人隐私泄露（比如银行卡卡号和密码泄露）等严重的安全问题。

比如常见的，在 `http` 通信过程中，“中间人”将广告链接嵌入到服务器发给用户的 `http` 报文里，导致用户界面出现很多不良链接； 或者是修改用户的请求头 `URL` ，导致用户的请求被劫持到另外一个网站，用户的请求永远到不了真正的服务器。这些都会导致用户得不到正确的服务，甚至是损失惨重。

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## HTTPS 如何保证安全 ##

### 数字证书 ###

TLS 握手的作用之一是 身份认证（authentication） ，被验证的一方需要提供一个身份证明，在 HTTPS 的世界里，这个身份证明就是 `TLS 证书` ，或者称为 `HTTPS 证书`。

世界上的 CA 机构会遵守 `X.509` 规范来签发公钥证书（Public Key Certificate），证书内容的语法格式遵守 `ASN.1`，证书大致包含如下内容：

Certificate:
        Data:
            Version: 3 (0x2)                                                              //版本号
            Serial Number:                                                                //证书序列号
                0e:3c:c1:49:94:b3:e1:74:a6:34:54:d9:90:64:66:d7
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption                                      //签名算法
            Issuer: C=US, O=DigiCert Inc, OU=www.digicert.com, CN=GeoTrust RSA CA 2018    //签发机构
            Validity                                                                      //有效期
                Not Before: Dec 25 00:00:00 2017 GMT
                Not After : Dec 24 12:00:00 2020 GMT
            Subject: C=CN, L=北京市, O=智者四海（北京）技术有限公司, OU=IT, CN=*.zhihu.com      //证书主体
            Subject Public Key Info:
                Public Key Algorithm: rsaEncryption                                       //公钥算法
                    Public-Key: (2048 bit)
                    Modulus:
                        00:a0:a8:71:...                                                   //公钥
                    Exponent: 65537 (0x10001)
            X509v3 extensions:                                                            //扩展信息
                X509v3 Authority Key Identifier: 
                    keyid:90:58:FF:B0:9C:75:A8:51:54:77:B1:ED:F2:A3:43:16:38:9E:6C:C5     //授权密钥标识
                X509v3 Subject Key Identifier: 
                    31:63:1F:A1:0B:43:D7:A5:8C:3D:F6:2E:85:69:D4:E1:E3:56:91:46           //主体密钥标识
                X509v3 Subject Alternative Name: 
                    DNS:*.zhihu.com, DNS:zhihu.com
                X509v3 Key Usage: critical
                    Digital Signature, Key Encipherment
                X509v3 Extended Key Usage: 
                    TLS Web Server Authentication, TLS Web Client Authentication
                X509v3 CRL Distribution Points: 
                    Full Name:
                      URI:http://cdp.geotrust.com/GeoTrustRSACA2018.crl
    
                X509v3 Certificate Policies: 
                    Policy: 2.16.840.1.114412.1.1
                      CPS: https://www.digicert.com/CPS
                    Policy: 2.23.140.1.2.2
    
                Authority Information Access: 
                    OCSP - URI:http://status.geotrust.com
                    CA Issuers - URI:http://cacerts.geotrust.com/GeoTrustRSACA2018.crt
    
                X509v3 Basic Constraints: 
                    CA:FALSE
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption                                      //签名算法
             54:73:e6:02:...                                                              //数字签名

同一个CA颁发的证书序列号都必须是唯一的。

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### 证书链 ###

证书链是从终端用户证书后跟着一系列的 CA 证书，例如：`CA_ZHIHU` -> `CA_GEO` -> `CA_ROOT`，而通常 **最后一个是自签名证书（根证书）**，并且有如下关系：

> A -> B 表示 “A是由B签发的” （更确切地说，A是由B中所载公钥对应的私钥签署的）

*  在证书链上除根证书外，证书颁发者等于其后一个证书的主题。即：`CA_ZHIHU`.`Authority Key Identifier`=`CA_GEO`.`Subject Key Identifier`
 *  除了最后一个证书，每个证书都是由其后的一个证书签名的。即：`CA_ZHIHU` 由 `CA_GEO` 签名，`CA_GEO` 由 `CA_ROOT` 签名
 *  最后的证书是信任主题，由于是通过可信过程得到的，你可以信任它，一般为系统内置。

证书链用于检查目标证书（证书链里的第一个证书）里的公钥及其它数据是否属于其主题。检查是这么做的，用证书链中的下一个证书的公钥来验证它的签名，一直检查到证书链的尾端，**如果所有验证都成功通过，那个这个证书就是可信的**。

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### 证书认证 ###

数字签名其实就是把 **散列值** 经过非对称加密算法加密得到的一个 **加密的散列值** 。数字签名一般用于身份认证和防止抵赖。

根认证机构的构建

1.  根认证机构 CA 生成公钥 `ca_KeyPub` 和私钥 `ca_KeyPri` ，以及基本信息表 `ca_Info` （CSR）。`ca_Info` 中一般包含了 CA 的名称、证书的有效期等信息。
2.  根认证机构 CA 对 `ca_KeyPub + ca_Info` 进行散列运算，得到散列值 `ca_Hash` 。
3.  根认证机构 CA 使用其私钥 `ca_KeyPri` 对 `ca_Hash` 进行非对称加密，得到加密的散列值 `enc_ca_Hash` 。
4.  根认证机构 CA 将 `ca_KeyPub + ca_Info + enc_ca_Hash` 组合生成自签名的数字证书 `ca_Cert` 。这张证书称之为根证书。

`ca_Cert` 可用于签署下一级的证书。

二级（或以上）认证机构的构建

1.  二级认证机构 CA2 生成公钥 `ca2_KeyPub` 和私钥 `ca2_KeyPri` ，以及基本信息表 `ca2_Info` 。 `ca2_Info` 中一般包含了 CA2 的名称、证书要求的有效期等信息。
2.  二级认证机构 CA2 将 `ca2_KeyPub` `、ca2_Info` 送给根认证机构 CA 。
3.  根认证机构 CA 通过某种方式验证 CA2 的身份之后，再加上根认证机构自己的一些信息 `ca_Info` ，然后对它们 `ca2_KeyPub + ca2_Info + ca_Info` 进行散列运算，得到散列值 `ca2_Hash` 。
4.  根认证机构 CA 使用其私钥 `ca_KeyPri` 对 `ca2_Hash` 进行非对称加密，得到加密的散列值 `enc_ca2_Hash` 。
5.  根认证机构 CA 将 `ca2_KeyPub + ca2_Info + ca_Info + enc_ca2_Hash` 组合签署成数字证书 `ca2_Cert` 并回送给 CA2 。

`ca2_Cert` 可用于签署下一级的证书。

二级（或以上）认证机构的证书签署

1.  服务器 S2 生成公钥 `s2_KeyPub` 和私钥 `s2_KeyPri` ，以及基本信息表 `s2_Info` 。 `s2_Info` 中一般包含了 S2 的名称、证书要求的有效期等信息。
2.  服务器 S2 将 `s2_KeyPub` 、 `s2_Info` 送给二级认证机构 CA2。
3.  二级认证机构 CA2 通过某种方式验证 S2 的身份之后，再加上根认证机构自己的一些信息 `ca2_Info` ，然后对它们 `s2_KeyPub + s2_Info + ca2_Info` 进行散列运算，得到散列值 `s2_Hash` 。
4.  二级认证机构 CA2 使用其私钥 `ca2_KeyPri` 对 `s2_Hash` 进行非对称加密，得到加密的散列值 `enc_s2_Hash` 。
5.  二级认证机构 CA2 将 `s2_KeyPub + s2_Info + ca2_Info + enc_s2_Hash` 组合签署成数字证书 `s2_Cert` 并回送给 S2 。

`s2_Cert` 不可用于签署下一级的证书。

> openssl ca 的 `-extensions` 参数控制，生成 `s2_Cert` 时是使用参数 `server_cert` 生成，所以不具备签署的能力

从上面可以看出，证书签署的流程是： `ca_Cert -> ca2_Cert -> s2_Cert` 。它是一条完整的链条，我们把它称之为 **证书链** 。

二级（或以上）认证机构的验证

1.  服务器 S2 下发证书 `s2_Cert` 、 `ca2_Cert` （证书链）给客户端 C 。
2.  客户端 C 检查到 `s2_Cert` 中的 `ca2_Info` ，发现它是由 CA2 签署的。
3.  客户端 C 取出 `ca2_Cert` 中的 `ca2_KeyPub` ，对 `s2_Cert` 中的 `enc_s2_Hash` 进行解密得到 `s2_Hash` 。
4.  客户端 C 对 `s2_Cert` 中的 `s2_KeyPub + s2_Info + ca2_Info` 进行散列运算，得到散列值 `s2_Hash_tmp`。
5.  客户端 C 判断 `s2_Hash` 和 `s2_Hash_tmp` 是否相等。如果两者相等，则证明 `s2_Cert` 是由 `ca2_Cert` 签署的。
6.  客户端 C 检查到 `ca2_Cert` 中的 `ca_Info` ，发现它是由 CA 签署的。
7.  客户端 C 取出 `ca_Cert` 中的 `ca_KeyPub` ，对 `ca2_Cert` 中的 `enc_ca2_Hash` 进行解密得到 `ca2_Hash` 。
8.  客户端 C 对 `ca2_Cert` 中的 `ca2_KeyPub + ca2_Info + ca_Info` 进行散列运算，得到散列值 `ca2_Hash_tmp` 。
9.  客户端 C 判断 `ca2_Hash` 和 `ca2_Hash_tmp` 是否相等。如果两者相等，证明 `ca2_Cert` 是由 `ca_Cert` 签署的。
10. 客户端 C 检查 `ca_Cert` ，发现该证书是根证书，且已经被系统信任，身份验证通过。

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### 无 SNI 支持问题 ###

很多公司由于业务众多，域名也是相当多的，为了方便运维，会让很多域名指向同样的 ip，然后统一将流量/请求分发到后端，此时就会面临一个问题：由于 `TLS/SSL` 在 HTTP 层之下，客户端和服务器握手的时候还拿不到 `origin` 字段，所以服务器不知道这个请求是从哪个域名过来的，而服务器这边每个域名都对应着一个证书，服务器就不知道该返回哪个证书啦。这个问题有两个通用解决方案：

1.  使用 **VIP 服务器**，每个域名对应一个 VIP，然后 VIP 与统一接入服务对接，通过 ip 来分发证书，不过运维成本很高，可能也需要大量的 VIP 服务器
2.  采用 **多泛域名**，将多个泛域名证书打包进一个证书。它的缺点是每次添加域名都需要更新证书。

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### 证书选择 ###

证书有多张加密方式，不同的加密方式对 CPU 计算的损耗不同，安全级别也不同。TLS 在进行第一次握手的时候，客户端会向服务器端 `say hello`，这个时候会告诉服务器，它支持哪些算法，此时 **服务器可以将最适合的证书发给客户端**。

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### 证书的吊销 ###

CA 证书的吊销存在两种机制，一种是 **在线检查（OCSP）**，客户端向 CA 机构发送请求检查公钥的靠谱性；第二种是客户端储存一份 CA 提供的 **证书吊销列表（CRL）**，定期更新。前者要求查询服务器具备良好性能，后者要求每次更新提供下次更新的时间，一般时差在几天。安全性要求高的网站建议采用第一种方案。

大部分 CA 并不会提供吊销机制（CRL/OCSP），靠谱的方案是 **为根证书提供中间证书**，一旦中间证书的私钥泄漏或者证书过期，可以直接吊销中间证书并给用户颁发新的证书。中间证书还可以产生下一级中间证书，多级证书可以减少根证书的管理负担。

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### [SSL/TLS协议][SSL_TLS] ###

不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明文传播，带来了三大风险。

1.  窃听风险（eavesdropping）：第三方可以获知通信内容。
2.  篡改风险（tampering）：第三方可以修改通信内容。
3.  冒充风险（pretending）：第三方可以冒充他人身份参与通信。

SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的，希望达到：

1.  所有信息都是加密传播，第三方无法窃听。
2.  具有校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。
3.  配备身份证书，防止身份被冒充。

目前，应用最广泛的是 `TLS 1.0`，接下来是`SSL 3.0`。但是，主流浏览器都已经实现了 `TLS 1.2` 的支持。`TLS 1.0`通常被标示为`SSL 3.1`，`TLS 1.1`为`SSL 3.2`，`TLS 1.2`为`SSL 3.3`。

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### TLS 运行过程 ###

`SSL/TLS`协议的基本思路是采用 **公钥加密法**，也就是说，客户端先向服务器端索要公钥，然后用公钥加密信息，服务器收到密文后，用自己的私钥解密。因此，`SSL/TLS`协议的基本过程是这样的：

1.  客户端向服务器端索要并验证公钥。
2.  双方协商生成"对话密钥”。
3.  双方采用"对话密钥"进行加密通信。

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“握手阶段"涉及四次通信，我们一个个来看。需要注意的是，**“握手阶段"的所有通信都是明文的**。

客户端发出请求（ClientHello）

首先，客户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做 `ClientHello` 请求。

在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。

1.  支持的协议版本，比如TLS 1.0版。
2.  一个客户端生成的**随机数**，稍后用于生成对话密钥。
3.  支持的加密方法，比如RSA公钥加密。
4.  支持的压缩方法。

这里需要注意的是，客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只能包含一个网站，否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。

对于虚拟主机的用户来说，这当然很不方便。2006年，TLS协议加入了一个 *Server Name Indication* 扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。

服务器回应（SeverHello）

服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做 `SeverHello` 。服务器的回应包含以下内容。

1.  确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。
2.  一个服务器生成的**随机数**，稍后用于生成对话密钥。
3.  确认使用的加密方法，比如 RSA 公钥加密。
4.  服务器证书。

除了上面这些信息，如果服务器需要确认客户端的身份，就会再包含一项请求，要求客户端提供 **“客户端证书”**。比如，金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络，就会向正式客户提供 **USB** 密钥，里面就包含了一张客户端证书。

客户端回应

客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。

**如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥**。然后，向服务器发送加密信息，包含下面三项信息。

1.  一个**随机数**。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。
2.  编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
3.  客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。

上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称 `pre-master key` 。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的同一把"会话密钥”。

至于 **为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥”**：

> 不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。
> 
> 对于 RSA 密钥交换算法来说，`pre-master-key`本身就是一个随机数，再加上 hello 消息中的随机，**三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥**。
> 
> `pre master` 的存在在于 `SSL` 协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么 `pre master secret`（对称密钥） 就有可能被猜出来，那么仅适用 `pre master secret` 作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，**一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的可不是一个量级**。

此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。

服务器的最后回应

服务器收到客户端的第三个随机数 `pre-master key` 之后，计算生成本次会话所用的"会话密钥”。然后，向客户端最后发送下面信息。

1.  编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
2.  服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的 hash 值，用来供客户端校验。

至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用"会话密钥"加密内容。

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## [HTTPS 的七个误解][HTTPS 1] ##

*  `HTTPS无法缓存？`：许多人以为，出于安全考虑，浏览器不会在本地保存HTTPS缓存。实际上，只要在HTTP头中使用特定命令，**HTTPS是可以缓存的**。
 *  `SSL证书很贵？`：如果你在网上搜一下，就会发现很多便宜的SSL证书，大概10美元一年，这和一个 `.com` 域名的年费差不多。而且事实上，还能找到免费的 `SSL` 证书。
 *  `HTTPS站点必须有独享的IP地址？`使用子域名通配符SSL证书（`wildcard SSL certificate`，价格大约是每年125美元），就能在一个IP地址上部署多个HTTPS子域名。
 *  `转移服务器时要购买新证书？`
 *  `HTTPS太慢？`：使用HTTPS不会使你的网站变得更快（实际上有可能，请看下文），但是有一些技巧可以大大减少额外开销。
 *  `有了HTTPS，Cookie和查询字符串就安全了？`：虽然无法直接从HTTPS数据中读取Cookie和查询字符串，但是你仍然需要使它们的值变得难以预测。
 *  `只有注册登录页，才需要HTTPS？`：这种想法很普遍。人们觉得，HTTPS可以保护用户的密码，此外就不需要了。Firefox浏览器新插件Firesheep，证明了这种想法是错的。我们可以看到，在Twitter和Facebook上，劫持其他人的session是非常容易的。

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## 中间人攻击（MITM） ##

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### TLS对中间人攻击的抵御 ###

当然正常情况下，我们的网络安全肯定不会这么脆弱。得利于TLS证书体系，虽然我们能发起中间人攻击，不过浏览器察觉到了证书的异常。这是因为我们冒充了目标网站，但是并没有目标网站的证书，这样浏览器在校验证书时很容易发现证书错误。

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### 无法抵御中间人攻击的实例 ###

**部分开发者忽视证书校验**，或对证书异常处理不当，导致本来十分有效LTS失去原本的防御能力。有许多APP存在类似的问题，包括个别金融类应用，还有部分APP部分模块的流量存在被劫持的风险。

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## 参考链接 ##

*  [HTTPS 精读之 TLS 证书校验][HTTPS _ TLS]
 *  [细说 CA 和证书][CA]
 *  [HTTPS中间人攻击实践（原理·实践）][HTTPS 2]

[HTTPS]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E6%96%87%E6%9C%AC%E4%BC%A0%E8%BE%93%E5%AE%89%E5%85%A8%E5%8D%8F%E8%AE%AE
[SSL_TLS]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html
[4c96cc7449885fe7c69d1a352044d44f.png]: /images/20221023/3f1094af486b42b281d17bd0488b7a3f.png
[HTTPS 1]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/02/seven_myths_about_https.html
[HTTPS _ TLS]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/30655259
[CA]: https://www.barretlee.com/blog/2016/04/24/detail-about-ca-and-certs/
[HTTPS 2]: https://www.cnblogs.com/lulianqi/p/10558719.html