HTTPS工作原理

本文目标

读完本文，能够明白

• 什么是HTTPS、TLS（SSL），TLS和HTTPS的关系
• 什么是数字证书及认证过程
• 摘要、数字签名
• 对称、非对称加密算法

HTTPS概述

HTTPS，也称作HTTP over TLS。就是在安全的传输层上发送的HTTP。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方案

安全的HTTP是可选的。因此，对于Web服务器发起请求时，我们需要有一种方式来告知Web服务器去执行HTTP的安全协议版本。这是在URL的方案中实现的。
请求一个客户端对某个Web资源执行某事务，它会去检查URL的方案。

• 如果URL的方案是HTTP，客户端就会打开一条到服务器端口80（默认）的连接，并发送老的HTTP指令。
• 如果URL方案是HTTPS，客户端就会打开一条到服务器端口443（默认）的连接，然后与服务器握手，以二进制格式与服务器交换一些SSL安全参数，附上加密的HTTP命令。

安全传输过程

在HTTPS中，客户端首先会打开一条到Web服务器端口443的连接。一旦建立TCP连接，客户端和服务器就会初始化SSL层，对加密参数进行沟通，并交换密钥。握手完成后，SSL初始化就完成了，客户端就可以把请求报文发送给安全层了。在将这些报文发送给TCP之前，要先对其加密。

SSL握手过程

在发送已加密的HTTP报文之前，客户端和服务器需要进行一次SSL握手，在这个握手的过程中，主要完成以下工作：

• 交换协议版本号
• 选择一个两端都了解的加密方式
• 对两端身份进行认证
• 生成临时的会话密钥，以便加密信道

1. [明文] 客户端发送随机数client_random和支持的加密方式列表
2. [明文] 服务器返回随机数server_random ，选择的加密方式和服务器证书链
3. [RSA] 客户端验证服务器证书，使用证书中的公钥加密premaster secret 发送给服务端
4. 服务端使用私钥解密premaster secret
5. 两端分别通过client_random，server_random 和premaster secret 生成master secret，用于对称加密后续通信内容

数字证书

在访问HTTPS的网站中会看到地址栏左侧会有绿色的小锁头，点击打开可以看到这其实是网站的数字证书。

什么是数字证书

数字证书简称CA，它由权威机构给某网站颁发的一种认可凭证，这个凭证是被大家（浏览器）所认可的。以数字证书为核心的加密技术(加密传输、数字签名、数字信封等安全技术)可以对网络上传输的信息进行加密和解密、数字签名和签名验证，确保网上传递信息的机密性、完整性及交易的不可抵赖性。使用了数字证书，即使您发送的信息在网上被他人截获，甚至您丢失了个人的账户、密码等信息，仍可以保证您的账户、资金安全。（百度百科）

为什么需要数字证书

互联网有太多的服务需要使用证书来验证身份，以至于客户端（操作系统或浏览器等）无法内置所有证书，需要通过服务端将证书发送给客户端。

客户端为什么需要验证数字证书

通过中间人攻击将请求拦截伪造证书等手段来欺骗客户端，存在安全风险。

如何验证数字证书的合法性

需要通过数字签名来验证数字证书等合法性。

数字签名

证书是一个站点的身份证，但是身份证也可以被伪造，为了保证这个证书是真的我们需要数字签名。我们会将证书内容用签名算法生成一个值，我们称之为“摘要”。然后将该摘要用主机的私钥加密，加密后的内容就是我们的数字签名。
当客户端收到附带数字签名的数字证书时，会通过数字证书中的证书签名算法将该证书生成一个摘要，在用服务器众所周知的公钥解密数字签名，看得到的摘要是否相同，相同那就说明证书是真的。
如果公钥解密后得到的摘要与生成的摘要不符那么可能有两种情况

• 发送方身份不是目的主机
• 目的主机发送的证书被篡改

对称和非对称加密算法

对称加密又称私钥加密，是一种混淆算法，能够在非安全信道上进行安全通信。
非对称加密又称公钥加密，它是另一种方法，使用两个密钥，而不是一个；其中一个密钥是私密的，另一个是公开的。顾名思义，一个密钥用于私人，另一个密钥会被所有人共享。这个两个密钥之间存在一些特殊的数学关系。RSA是目前普遍部署的非对称加密算法。

参考

《HTTP权威指南》
《HTTPS权威指南》