白话HTTPS加密机制

在讲主题之前，我们先来理解两个概念：签名和加密

我们从字面意思看：

• 签名就是一个人对文件签署自己的名字，证明这个文件是我写的或者我认可的，所以只要别人看到我的签名，就知道这个文件确实是可以信任的，如果文件没有我的签名，或者签名不对，说明文件可能被改动了，不可信。在网络安全中，签名一般对应数字签名，它可以根据文件内容生成独特的签名字符串，从而防止文件篡改。

• 加密就比较简单了，使内容不可阅读，只有通过一定的规则进行才能解密。

为什么要讲这两个东西呢？因为这两个概念在HTTPS加密过程中是很重要的概念，他们解决了安全传输中的两个重要问题：

• 保证信息在传输过程中无法被阅读
• 保证信息不被篡改

正题

为了生动的讲述加密过程，我们利用一段角色故事来说明：

故事里有三个角色：分别是小红A，小强B，和小贱C.

小红A代表服务器，小强B代表客户端，小贱C代表中间劫持者。以下用ABC简称。

故事是这样的：小红和小强是同班同学，互相爱慕，但两个人的座位中间隔着小贱C。为了互相“表达感情”只能通过扔纸条的方式把信息传递给对方。而C特别好奇，就老想在中间把纸条拦截下来偷看，显然A和B是不愿意的，所以他们要想出一个办法，既要实现二者的沟通，又要实现信息的“保密”。

他们想到了以下几种方案：

方案1：

A和B用一套相同的规则对消息进行加密和解密，这套规则需要一个字符串x作为密钥来加密和解密，这样C不知道x的话即使截获到了消息也看不懂内容。

这套方案就是对称加密方案，对称加密方案效率高，但是有个很大的缺陷：A和B怎么商定这个x呢？第一次传递的时候明文把x传递给对方吗？显然不行，因为可能被C截获到，这样C也能解密消息了。

这个时候，人们发明了一种神奇的盒子，这个盒子可以实现只有拥有者可以解开这个盒子，别人只能往里塞信息，却打不开，看不到里面装了啥，A和B正犯愁呢，听说这个神奇的盒子后，想出了一套新的方案：

方案2：

A和B都拿了个黑盒子，他们互相把自己的黑盒子扔给对方，然后彼此把消息放到黑盒子里，扔回去，然后A和B从盒子里拿出对方发送的消息。这样就解决安全问题了，但是有个很大的缺点，就是每条信息两个人都要向黑盒子里塞东西，这个过程太麻烦了，效率很低，于是AB又开始发愁了。

方案二是用的纯非对称加密的方法，其中黑盒子就是非对称加密的公钥，往盒子里扔东西就是用这段公钥对信息加密的过程，之后带有信息的黑盒子只有利用私钥才能解开。

故事里往黑盒子里塞东西的过程很“麻烦”，其实就是非对称加密缺点，计算量大，使得效率降低，因此HTTPS也没有采用这个方案。那么有没有更好的方案呢？当然有～，我们看方案1，其实最大的问题就是密钥x的商讨问题，即A和B怎么互相确定对称加密密钥x，而且还不能明文传输让别人知道，于是有第三套方案

方案3:

A这样操作：给B扔一个黑盒子，B拿到盒子以后，往里放一段随机生成的密钥x，扔回了A。这个过程即是被C截获了，C也拿不到盒子内部的东西，所以是安全的。之后A从盒子里把B给他的密钥拿出来，然后他们就用这段密钥x通过方法1的方式沟通了。

该方法就是现在HTTPS的加密方法，利用的非对称加密+对称加密的方式结合的方式，非对称加密传递确认对称加密的密钥x，之后完全用对称加密传送信息。

那么这套方案就没有漏洞了吗？聪明的C又想出来一个办法：在截获A给B黑盒子时，他也买了一个黑盒子，把这个A给的黑盒子替换成自己的盒子，给了B，B拿到“假盒子”后，把密钥x放了进去，C又截获了这个带有x的黑盒子，因为是自己买的黑盒子，当然能解开了，所以就拿到了密钥x。然后他把x放进A的真盒子，扔给了A，这时A不知道发生了什么，使用盒子里的x作为后续交流的密钥，跟B进行后续的沟通。而其实，C早就知道他俩的密码了，随时都可以拿到消息进行解密。

因此，这套方案唯一的问题就是：B怎么知道它拿到的黑盒子就是A给的？？现实中，盒子就是一个公钥，只是一个字符串，怎么知道这个字符串就是网站的呢？这个问题确实难倒了A，她想在现实生活中寻找答案：我快递给了别人一个号码，怎么证明这个号码是我的，而且中间没有人改过？她突然想起了自己的身份证，身份证号码是一个人的唯一标识，当我告诉别人我的身份证号码时，别人怎么相信的这个号码是我的？给他身份证看！小红感觉灵感来了，她接着想，别人为什么看到身份证就相信了呢？很简单，身份证上有我的名字，有我的ID，最重要的，身份证是公安局发的，别人伪造不了！于是小红想出了一套解决方案，方案的关键就是去“公安局”制作一套“公钥身份证”。
其实现实中的HTTPS，正是采用了小红的方案，身份证号码可以类比网站公钥，身份证姓名头像可以类比网站域名等相关信息，我们来看详细的解决过程：

如何证明客户端收到的公钥是该网站的公钥

HTTPS采用的类似于身份证的方法，所有用HTTPS的网站都要有一个“公信”机构颁发的证书，证书就像一个身份证一样，客户端可以对其进行真实有效性判断。而这个公信机构就是CA,身份证的防伪手段采用的就是数字签名，后面会详细阐述。我们以小红把身份证寄给小强为例：这个过程分为四步：

1. 小红把去公安局制作印有公钥信息的“身份证”。
2. 把身份证寄给小强。
3. 小强拿到身份证，验证身份证真伪，
4. 身份证是真的还不够，因为小贱也可以去公安局做“身份证”，把小红的快递调包。所以小强还要看身份证内容，比如看名字，头像是不是小红。

以上四步完成以后，后续操作同方案3：小强从身份证上读取公钥，利用该公钥对随机数X加密,blabla...

我们依次看这四步对应到HTTPS中是怎么实现的。

1. 制作“身份证”：制作机构是国际组织CA，它负责颁发给申请者一份证书。证书包含两部分，内容和签名，内容就像身份证上的身份证号，姓名等，签名就像身份证的防伪手段一样，防止证书内容被篡改。CA利用非对称加密制作签名，它先将明文的证书内容进行hash，然后对hash值利用私钥加密生成签名，最后把签名和内容一块发给网站，就是网站的证书。至于证书怎么防伪的，在小强验证的时候会详细说明。
2. 寄快递：自然是通过网络传输，服务端把证书传递给客户端。注意，原来方案三传输的是明文的公钥，现在公钥写在了证书上，传输的是证书。
3. 小强收到快递，验证真伪：如何验证呢？之前说到，CA制作签名时用的私钥，而客户端都有CA的公钥（是的，操作系统，浏览器等都存有CA的证书，可以拿到其公钥），用公钥对证书签名解密得到一段字符串，拿它跟证书内容的hash值对比，如果相同，则说明证书是可靠真实的。为什么呢？试想，第三方截获内容，把内容修改了，比如把证书内容里的域名从www.baidu.com改成了www.google.com，但是因为第三方没有CA的私钥，所以没法将改动后的内容进行加密，如果用错误的密钥加密，用户验证的时候签名是对不上的，因此第三方是改不了证书内容的。也就是说，一个网站在全世界只有这一份唯一的证书，永远没有人能改动它，只要改了，就能被识破。整个过程可以借用网上的一个图片来解释，见文末。
4. 读取身份证内容：很简单，看证书内容就可以了，证书的内容里包含了网站的域名等信息，如果第三方攻击者把整个证书文件更改了(包括签名和内容)，比如上面的百度变谷歌,客户端本来想跟百度交流的，但看到内容里写的是谷歌，就拒绝跟它沟通，就像你拿到了张三给的身份证，但是上面写着王五，当然你就不理他了！

注意，有个地方容易混淆，即加密过程牵扯到了两对公私钥：CA对证书的加密私钥对应客户端早以安装的CA解密公钥；客户端对X加密的公钥和服务端对X解密的私钥。其中X即上文中写的对称加密的密钥，整个过程客户端用了两个公钥，CA和服务端各有一个私钥。

最后用通俗的话总结这个过程：小红向公安局申请身份证，身份证上写着她的名字以及她跟小强交流用的公钥，公安局制作完毕后给小红，小红拿着身份证寄给了小强，之后小强通过上面的防伪标志和姓名确认了其真伪和正确，用上面的公钥给随机生成的x加密，还给了小红，小红拿着自己的私钥解出了x，二者用x愉快的交流起来～～～

以上就是HTTPS加密的原理浅析，有漏洞之处，欢迎指出～