HTTPS相关原理

淡淡的烟草味﹌ 2023-01-10 13:28 82阅读 0赞

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

### 文章目录 ###

*  一. 问题背景
 *  二. HTTP有哪些风险？
 *  三. 安全通信的四大原则
 *  四. 简述HTTPS通信原理
 *   *  4.1 对称加密
     *  4.2 对称加密的通信双方要使用同一把密钥，这个密钥是如何协商出来的？
     *  4.3 server 怎么把公钥安全地传输给 client ？
     *  4.4 如何验证证书的真实性，如何防止证书被篡改
     *  4.5 如何防止证书被调包
 *  五. 其他HTTPS相关问题
 *   *  5.1 什么是双向认证？
     *  5.2 什么是证书信任链？
     *  5.3 如果站点申请的是二级 CA 颁发的证书，client 收到之后会如何验证这个证书呢?
 *  六. 总结

# 一. 问题背景 #

复习通讯协议时，涉及到HTTP、TCP、HTTPS等，对HTTPS一无所知

参考自：[18 张图彻底弄懂 HTTPS 的原理][18 _ HTTPS]

# 二. HTTP有哪些风险？ #

*  窃听
 *  篡改
 *  冒充

如下所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

# 三. 安全通信的四大原则 #

HTTPS为了解决上面的3个风险而生的。一般我们认为安全的通信有以下四个原则：机密性、完整性、身份认证和不可否认

*  **机密性：** 即对数据加密，解决了窃听风险，因为即使被中间人窃听，由于数据是加密的，他也拿不到明文；
 *  **完整性：** 指数据在传输过程中没有被篡改，不多不少，保持原样，中途如果哪怕改了一个标点符号，接收方也能识别出来，从来判定接收报文不合法；
 *  **身份认证：** 确认对方的真实身份，即证明“你妈是你妈”的问题，这样就解决了冒充风险，用户不用担心访问的是某宝结果却在和钓鱼网站通信的问题；
 *  **不可否认:** 即不可否认已发生的行为，比如小明向小红借了 1000 元，但没打借条，或者打了借条但没有签名，就会造成小红的资金损失。

# 四. 简述HTTPS通信原理 #

## 4.1 对称加密 ##

一种是通信双方使用同一把密钥，即对称加密的方式来给报文进行加解密。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

特点：通信双方使用同一把密钥进行加解密

**对称加密具有加解密速度快，性能高的特点，也是 HTTPS 最终采用的加密形式。**

## 4.2 对称加密的通信双方要使用同一把密钥，这个密钥是如何协商出来的？ ##

采用非对称加密：解决单向对称密钥的传输问题

非对称加密即加解密双方使用不同的密钥，一把作为公钥，可以公开的，一把作为私钥，不能公开，**公钥加密的密文只有私钥可以解密，私钥加密的内容，也只有公钥可以解密**。

私钥加密其实这个说法其实并不严谨，准确的说私钥加密应该叫私钥签名。因为私密加密的信息公钥是可以解密的，而公钥是公开的，任何人都可以拿到，用公钥解密叫做验签。

这样的话 **对于 server 来说，保管好私钥，发布公钥给其他 client, 其他 client 只要把对称加密的密钥加密传给 server 即可。如此一来由于公钥加密只有私钥能解密，而私钥只有 server 有，所以能保证 client 向 server 传输是安全的，server 解密后即可拿到对称加密密钥，这样交换了密钥之后就可以用对称加密密钥通信了。**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

## 4.3 server 怎么把公钥安全地传输给 client ？ ##

数字证书，解决公钥传输信任问题

> 现实生活的场景：公司要求员工入职需要提供学历证明，这个学历证明必须由第三方权威机构（Certificate Authority，简称CA）即教育部颁发。同理，server 也可以向 CA 申请证书，在证书中附上公钥，然后将证书传给 client，证书由站点管理者向 CA 申请，申请的时候会提交 DNS 主机名等信息，CA 会根据这些信息生成证书。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
这样当 client 拿到证书后，就可以获得证书上的公钥，再用此公钥加密对称加密密钥传给 server 即可。看起来确实很完美，不过在这里大家要考虑两个问题：

**问题一： 如何验证证书的真实性，如何防止证书被篡改**

**问题二、 如何防止证书被调包**

## 4.4 如何验证证书的真实性，如何防止证书被篡改 ##

> 想象一下上文中我们提到的学历，企业如何认定你提供的学历证书是真是假呢？答案是用学历编号，企业拿到证书后用学历编号在学信网上一查就知道证书真伪了，学历编号其实就是我们常说的数字签名，可以防止证书造假。

如下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
**为啥要先生成摘要再加密呢，不能直接加密？**  
答：因为使用非对称加密是非常耗时的。如果把整个证书内容都加密生成签名的话，客户端验验签也需要把签名解密，证书明文较长，客户端验签就需要很长的时间，而用摘要的话，会把内容很长的明文压缩成小得多的定长字符串，客户端验签的话就会快得多。

**客户端拿到证书后也用同样的摘要算法对证书明文计算摘要，两者一笔对就可以发现报文是否被篡改了。**

**那为啥要用第三方权威机构（Certificate Authority，简称 CA）私钥对摘要加密呢？**  
答：因为摘要算法是公开的，中间人可以替换掉证书明文，再根据证书上的摘要算法计算出摘要后把证书上的摘要也给替换掉！这样 client 拿到证书后计算摘要发现一样，误以为此证书是合法就中招了。

所以必须要用 CA 的私钥给摘要进行加密生成签名，这样的话 client 得用 CA 的公钥来给签名解密，拿到的才是未经篡改合法的摘要（私钥签名，公钥才能解密）。

**server 将证书传给 client 后，client 的验签过程如下：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
这样的话，由于只有 CA 的公钥才能解密签名，如果客户端收到一个假的证书，使用 CA 的公钥是无法解密的，如果客户端收到了真的证书，但证书上的内容被篡改了，摘要比对不成功的话，客户端也会认定此证书非法。

**细心的你一定发现了问题，CA 公钥如何安全地传输到 client ？**  
答：如果还是从 server 传输到 client，依然无法解决公钥被调包的风险。实际上此公钥是存在于 CA 证书上，而此证书（也称 Root CA 证书）被操作系统信任，内置在操作系统上的，无需传输，如果用的是 Mac 的同学，可以打开 keychain 查看一下，可以看到很多内置的被信任的证书。

## 4.5 如何防止证书被调包 ##

实际上任何站点都可以向第三方权威机构申请证书，中间人也不例外。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
**那么此时中间人是否可以在传输过程中将正常站点发给 client 的证书替换成自己的证书呢？**  
答：不行，因为客户端除了通过验签的方式验证证书是否合法之外，还需要验证证书上的域名与自己的请求域名是否一致，中间人中途虽然可以替换自己向 CA 申请的合法证书，但此证书中的域名与 client 请求的域名不一致，client 会认定为不通过！

**但是上面的证书调包给了我们一种思路，什么思路？**

> HTTPS 既然是加密的， charles 这些中间人为啥能抓到明文的包呢？其实就是用了证书调包这一手法，想想看，在用 charles 抓 HTTPS 的包之前我们先要做什么，当然是安装 charles 的证书。  
> 这个证书里有 charles 的公钥，这样的话 charles 就可以将 server 传给 client 的证书调包成自己的证书，client 拿到后就可以用你安装的 charles 证书来验签等，验证通过之后就会用 charles 证书中的公钥来加密对称密钥了。整个流程如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

总结：由此可知，charles 这些**中间人能抓取 HTTPS 包的前提是信任它们的 CA 证书**，然后就可以通过替换证书的方式进行瞒天过海，所以我们千万不要随便信任第三方的证书，避免安全风险。

# 五. 其他HTTPS相关问题 #

## 5.1 什么是双向认证？ ##

以上的讲述过程中，我们只是在 client 端验证了 server 传输证书的合法性。但 server 如何验证 client 的合法性，还是用证书，我们在网上进行转账等操作时，想想看是不是要先将银行发给我们的 U 盾插到电脑上？其实也是因为 U 盾内置了证书，通信时将证书发给 server，server 验证通过之后即可开始通信。

扩展：*身份认证只是 U 盾功能的一种，还有其他功能，比如加解密都是在 U 盾中执行，保证了密钥不会出现在内存中*

## 5.2 什么是证书信任链？ ##

> 前文说了，我们可以向 CA 申请证书，但全世界的顶级 CA（Root CA） 就那么几个，每天都有很多人要向它申请证书，它也忙不过来啊，怎么办呢？想想看在一个公司里如果大家都找 CEO 办事，他是不是要疯了，那他能怎么办？授权，他会把权力交给 CTO，CFO 等，这样你们只要把 CTO 之类的就行了，CTO 如果也忙不过来呢，继续往下授权啊。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]  
既然顶级 CA 忙不过来，那它就向下一级，下下级 CA 授权即可，这样我们就只要找一级/二级/三级 CA 申请证书即可。怎么证明这些证书被 Root CA 授权过了呢，小一点的 CA 可以让大一点的 CA 来签名认证。比如一级 CA 让 Root CA 来签名认证，二级 CA 让一级 CA 来签名认证,Root CA 没有人给他签名认证，只能自己证明自己了，这个证书就叫 **自签名证书** 或者 **根证书** ，我们必须信任它，不然证书信任链是走不下去的（这个根证书前文我们提过，其实是内置在操作系统中的）

## 5.3 如果站点申请的是二级 CA 颁发的证书，client 收到之后会如何验证这个证书呢? ##

server除了传给二级 CA 的证书外，还会把证书信任链也一起传给客户端，这样客户端会按如下步骤进行验证：

1.  浏览器就使用信任的根证书（根公钥）解析证书链的根证书得到一级证书的公钥+摘要验签；
2.  拿一级证书的公钥解密一级证书，拿到二级证书的公钥和摘要验签；
3.  再然后拿二级证书的公钥解密 server 传过来的二级证书，得到服务器的公钥和摘要验签，验证过程就结束了。

**总结：客户端拿根证书从信任链的顶级开始验签，一直验到server发来的某级证书。**

# 六. 总结 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNjM0ODQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]  
HTTPS其实就是HTTP+SSL/TLS，而SSL/TLS其实就是如何协商出安全的对称加密密钥，以利用此密钥进行后续的通信过程。了解了HTTPS，那么就能理解数字证书和数字签名了。也能明白为什么虽然HTTPS是加密的，但charles等抓包工具可以抓包出明文来。

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[18 _ HTTPS]: https://m.toutiao.com/is/JvUv76q/
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