看完這篇 HTTPS，和面試官扯皮就沒問題了

2020 年 3 月 14 日
筆記

下面我們來一起學習一下 HTTPS ，首先問你一個問題，為什麼有了 HTTP 之後，還需要有 HTTPS ？我突然有個想法，為什麼我們面試的時候需要回答標準答案呢？為什麼我們不說出我們自己的想法和見解，卻要記住一些所謂的標準回答呢？技術還有正確與否嗎？

HTTPS 為什麼會出現

一個新技術的出現必定是為了解決某種問題的，那麼 HTTPS 解決了 HTTP 的什麼問題呢？

HTTPS 解決了什麼問題

一個簡單的回答可能會是 HTTP 它不安全。由於 HTTP 天生明文傳輸的特性，在 HTTP 的傳輸過程中，任何人都有可能從中截獲、修改或者偽造請求發送，所以可以認為 HTTP 是不安全的；在 HTTP 的傳輸過程中不會驗證通訊方的身份，因此 HTTP 資訊交換的雙方可能會遭到偽裝，也就是沒有用戶驗證；在 HTTP 的傳輸過程中，接收方和發送方並不會驗證報文的完整性，綜上，為了結局上述問題，HTTPS 應用而生。

什麼是 HTTPS

你還記得 HTTP 是怎麼定義的嗎？HTTP 是一種 超文本傳輸協議(Hypertext Transfer Protocol) 協議，它是一個在電腦世界裡專門在兩點之間傳輸文字、圖片、音頻、影片等超文本數據的約定和規範，那麼我們看一下 HTTPS 是如何定義的

HTTPS 的全稱是 Hypertext Transfer Protocol Secure，它用來在電腦網路上的兩個端系統之間進行安全的交換資訊(secure communication)，它相當於在 HTTP 的基礎上加了一個 Secure 安全的詞眼，那麼我們可以給出一個 HTTPS 的定義：HTTPS 是一個在電腦世界裡專門在兩點之間安全的傳輸文字、圖片、音頻、影片等超文本數據的約定和規範。 HTTPS 是 HTTP 協議的一種擴展，它本身並不保傳輸的證安全性，那麼誰來保證安全性呢？在 HTTPS 中，使用傳輸層安全性(TLS)或安全套接字層(SSL)對通訊協議進行加密。也就是 HTTP + SSL(TLS) = HTTPS。

HTTPS 做了什麼

HTTPS 協議提供了三個關鍵的指標

加密(Encryption)， HTTPS 通過對數據加密來使其免受竊聽者對數據的監聽，這就意味著當用戶在瀏覽網站時，沒有人能夠監聽他和網站之間的資訊交換，或者跟蹤用戶的活動，訪問記錄等，從而竊取用戶資訊。
數據一致性(Data integrity)，數據在傳輸的過程中不會被竊聽者所修改，用戶發送的數據會完整的傳輸到服務端，保證用戶發的是什麼，伺服器接收的就是什麼。
身份認證(Authentication)，是指確認對方的真實身份，也就是證明你是你（可以比作人臉識別），它可以防止中間人攻擊並建立用戶信任。

有了上面三個關鍵指標的保證，用戶就可以和伺服器進行安全的交換資訊了。那麼，既然你說了 HTTPS 的種種好處，那麼我怎麼知道網站是用 HTTPS 的還是 HTTP 的呢？給你兩幅圖應該就可以解釋了。

HTTPS 協議其實非常簡單，RFC 文檔很小，只有短短的 7 頁，裡面規定了新的協議名，默認埠號443，至於其他的應答模式、報文結構、請求方法、URI、頭欄位、連接管理等等都完全沿用 HTTP，沒有任何新的東西。

也就是說，除了協議名稱和默認埠號外（HTTP 默認埠 80），HTTPS 協議在語法、語義上和 HTTP 一樣，HTTP 有的，HTTPS 也照單全收。那麼，HTTPS 如何做到 HTTP 所不能做到的安全性呢？關鍵在於這個 S 也就是 SSL/TLS 。

什麼是 SSL/TLS

認識 SSL/TLS

TLS(Transport Layer Security) 是 SSL(Secure Socket Layer) 的後續版本，它們是用於在互聯網兩台電腦之間用於身份驗證和加密的一種協議。

注意：在互聯網中，很多名稱都可以進行互換。

我們都知道一些在線業務（比如在線支付）最重要的一個步驟是創建一個值得信賴的交易環境，能夠讓客戶安心的進行交易，SSL/TLS 就保證了這一點，SSL/TLS 通過將稱為 X.509 證書的數字文檔將網站和公司的實體資訊綁定到加密密鑰來進行工作。每一個密鑰對(key pairs) 都有一個 私有密鑰(private key) 和 公有密鑰(public key)，私有密鑰是獨有的，一般位於伺服器上，用於解密由公共密鑰加密過的資訊；公有密鑰是公有的，與伺服器進行交互的每個人都可以持有公有密鑰，用公鑰加密的資訊只能由私有密鑰來解密。

什麼是 X.509：X.509 是公開密鑰證書的標準格式，這個文檔將加密密鑰與（個人或組織）進行安全的關聯。

X.509 主要應用如下

SSL/TLS 和 HTTPS 用於經過身份驗證和加密的 Web 瀏覽

通過 S/MIME 協議簽名和加密的電子郵件

程式碼簽名：它指的是使用數字證書對軟體應用程式進行簽名以安全分發和安裝的過程。

通過使用由知名公共證書頒發機構（例如SSL.com）頒發的證書對軟體進行數字簽名，開發人員可以向最終用戶保證他們希望安裝的軟體是由已知且受信任的開發人員發布；並且簽名後未被篡改或損害。

還可用於文檔簽名

還可用於客戶端認證

政府簽發的電子身份證（詳見 https://www.ssl.com/article/pki-and-digital-certificates-for-government/）

我們後面還會討論。

HTTPS 的內核是 HTTP

HTTPS 並不是一項新的應用層協議，只是 HTTP 通訊介面部分由 SSL 和 TLS 替代而已。通常情況下，HTTP 會先直接和 TCP 進行通訊。在使用 SSL 的 HTTPS 後，則會先演變為和 SSL 進行通訊，然後再由 SSL 和 TCP 進行通訊。也就是說，HTTPS 就是身披了一層 SSL 的 HTTP。（我都喜歡把騷粉留在最後。。。）

SSL 是一個獨立的協議，不只有 HTTP 可以使用，其他應用層協議也可以使用，比如 SMTP(電子郵件協議)、Telnet(遠程登錄協議) 等都可以使用。

探究 HTTPS

我說，你起這麼牛逼的名字幹嘛，還想吹牛批？你 HTTPS 不就抱上了 TLS/SSL 的大腿么，咋這麼牛批哄哄的，還想探究 HTTPS，瞎胡鬧，趕緊改成 TLS 是我主，讚美我主。

SSL 即安全套接字層，它在 OSI 七層網路模型中處於第五層，SSL 在 1999 年被 IETF(互聯網工程組)更名為 TLS ，即傳輸安全層，直到現在，TLS 一共出現過三個版本，1.1、1.2 和 1.3 ，目前最廣泛使用的是 1.2，所以接下來的探討都是基於 TLS 1.2 的版本上的。

TLS 用於兩個通訊應用程式之間提供保密性和數據完整性。TLS 由記錄協議、握手協議、警告協議、變更密碼規範協議、擴展協議等幾個子協議組成，綜合使用了對稱加密、非對稱加密、身份認證等許多密碼學前沿技術（如果你覺得一項技術很簡單，那你只是沒有學到位，任何技術都是有美感的，牛逼的人只是欣賞，並不是貶低）。

說了這麼半天，我們還沒有看到 TLS 的命名規範呢，下面舉一個 TLS 例子來看一下 TLS 的結構（可以參考 https://www.iana.org/assignments/tls-parameters/tls-parameters.xhtml）

ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384

這是啥意思呢？我剛開始看也有點懵啊，但其實是有套路的，因為 TLS 的密碼套件比較規範，基本格式就是 密鑰交換演算法 – 簽名演算法 – 對稱加密演算法 – 摘要演算法 組成的一個密碼串，有時候還有分組模式，我們先來看一下剛剛是什麼意思

使用 ECDHE 進行密鑰交換，使用 ECDSA 進行簽名和認證，然後使用 AES 作為對稱加密演算法，密鑰的長度是 256 位，使用 GCM 作為分組模式，最後使用 SHA384 作為摘要演算法。

TLS 在根本上使用對稱加密和 非對稱加密 兩種形式。

對稱加密

在了解對稱加密前，我們先來了解一下密碼學的東西，在密碼學中，有幾個概念：明文、密文、加密、解密

明文(Plaintext)，一般認為明文是有意義的字元或者比特集，或者是通過某種公開編碼就能獲得的消息。明文通常用 m 或 p 表示
密文(Ciphertext)，對明文進行某種加密後就變成了密文
加密(Encrypt)，把原始的資訊（明文）轉換為密文的資訊變換過程
解密(Decrypt)，把已經加密的資訊恢復成明文的過程。

對稱加密(Symmetrical Encryption)顧名思義就是指加密和解密時使用的密鑰都是同樣的密鑰。只要保證了密鑰的安全性，那麼整個通訊過程也就是具有了機密性。

TLS 裡面有比較多的加密演算法可供使用，比如 DES、3DES、AES、ChaCha20、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、SKIPJACK 等。目前最常用的是 AES-128, AES-192、AES-256 和 ChaCha20。

DES 的全稱是 Data Encryption Standard(數據加密標準) ，它是用於數字數據加密的對稱密鑰演算法。儘管其 56 位的短密鑰長度使它對於現代應用程式來說太不安全了，但它在加密技術的發展中具有很大的影響力。

3DES 是從原始數據加密標準（DES）衍生過來的加密演算法，它在 90 年代後變得很重要，但是後面由於更加高級的演算法出現，3DES 變得不再重要。

AES-128, AES-192 和 AES-256 都是屬於 AES ，AES 的全稱是Advanced Encryption Standard(高級加密標準)，它是 DES 演算法的替代者，安全強度很高，性能也很好，是應用最廣泛的對稱加密演算法。

ChaCha20 是 Google 設計的另一種加密演算法，密鑰長度固定為 256 位，純軟體運行性能要超過 AES，曾經在移動客戶端上比較流行，但 ARMv8 之後也加入了 AES 硬體優化，所以現在不再具有明顯的優勢，但仍然算得上是一個不錯演算法。

（其他可自行搜索）

加密分組

對稱加密演算法還有一個分組模式 的概念，對於 GCM 分組模式，只有和 AES，CAMELLIA 和 ARIA 搭配使用，而 AES 顯然是最受歡迎和部署最廣泛的選擇，它可以讓演算法用固定長度的密鑰加密任意長度的明文。

最早有 ECB、CBC、CFB、OFB 等幾種分組模式，但都陸續被發現有安全漏洞，所以現在基本都不怎麼用了。最新的分組模式被稱為 AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data），在加密的同時增加了認證的功能，常用的是 GCM、CCM 和 Poly1305。

比如 ECDHE_ECDSA_AES128_GCM_SHA256 ，表示的是具有 128 位密鑰， AES256 將表示 256 位密鑰。GCM 表示具有 128 位塊的分組密碼的現代認證的關聯數據加密（AEAD）操作模式。

我們上面談到了對稱加密，對稱加密的加密方和解密方都使用同一個密鑰，也就是說，加密方必須對原始數據進行加密，然後再把密鑰交給解密方進行解密，然後才能解密數據，這就會造成什麼問題？這就好比《小兵張嘎》去送信（信已經被加密過），但是嘎子還拿著解密的密碼，那嘎子要是在途中被鬼子發現了，那這信可就是被完全的暴露了。所以，對稱加密存在風險。

非對稱加密

非對稱加密(Asymmetrical Encryption) 也被稱為公鑰加密，相對於對稱加密來說，非對稱加密是一種新的改良加密方式。密鑰通過網路傳輸交換，它能夠確保及時密鑰被攔截，也不會暴露數據資訊。非對稱加密中有兩個密鑰，一個是公鑰，一個是私鑰，公鑰進行加密，私鑰進行解密。公開密鑰可供任何人使用，私鑰只有你自己能夠知道。

使用公鑰加密的文本只能使用私鑰解密，同時，使用私鑰加密的文本也可以使用公鑰解密。公鑰不需要具有安全性，因為公鑰需要在網路間進行傳輸，非對稱加密可以解決密鑰交換的問題。網站保管私鑰，在網上任意分發公鑰，你想要登錄網站只要用公鑰加密就行了，密文只能由私鑰持有者才能解密。而黑客因為沒有私鑰，所以就無法破解密文。

非對稱加密演算法的設計要比對稱演算法難得多（我們不會探討具體的加密方式），常見的比如 DH、DSA、RSA、ECC 等。

其中 RSA 加密演算法是最重要的、最出名的一個了。例如 DHE_RSA_CAMELLIA128_GCM_SHA256。它的安全性基於 整數分解，使用兩個超大素數的乘積作為生成密鑰的材料，想要從公鑰推算出私鑰是非常困難的。

ECC（Elliptic Curve Cryptography）也是非對稱加密演算法的一種，它基於橢圓曲線離散對數的數學難題，使用特定的曲線方程和基點生成公鑰和私鑰， ECDHE 用於密鑰交換，ECDSA 用於數字簽名。

TLS 是使用對稱加密和非對稱加密 的混合加密方式來實現機密性。

混合加密

RSA 的運算速度非常慢，而 AES 的加密速度比較快，而 TLS 正是使用了這種混合加密方式。在通訊剛開始的時候使用非對稱演算法，比如 RSA、ECDHE ，首先解決密鑰交換的問題。然後用隨機數產生對稱演算法使用的會話密鑰（session key），再用公鑰加密。對方拿到密文後用私鑰解密，取出會話密鑰。這樣，雙方就實現了對稱密鑰的安全交換。

現在我們使用混合加密的方式實現了機密性，是不是就能夠安全的傳輸數據了呢？還不夠，在機密性的基礎上還要加上完整性、身份認證的特性，才能實現真正的安全。而實現完整性的主要手段是 摘要演算法(Digest Algorithm)

摘要演算法

如何實現完整性呢？在 TLS 中，實現完整性的手段主要是 摘要演算法(Digest Algorithm)。摘要演算法你不清楚的話，MD5 你應該清楚，MD5 的全稱是 Message Digest Algorithm 5，它是屬於密碼哈希演算法(cryptographic hash algorithm)的一種，MD5 可用於從任意長度的字元串創建 128 位字元串值。儘管 MD5 存在不安全因素，但是仍然沿用至今。MD5 最常用於驗證文件的完整性。但是，它還用於其他安全協議和應用程式中，例如 SSH、SSL 和 IPSec。一些應用程式通過向明文加鹽值或多次應用哈希函數來增強 MD5 演算法。

什麼是加鹽？在密碼學中，鹽就是一項隨機數據，用作哈希數據，密碼或密碼的單向函數的附加輸入。鹽用於保護存儲中的密碼。例如

什麼是單向？就是在說這種演算法沒有密鑰可以進行解密，只能進行單向加密，加密後的數據無法解密，不能逆推出原文。

我們再回到摘要演算法的討論上來，其實你可以把摘要演算法理解成一種特殊的壓縮演算法，它能夠把任意長度的數據壓縮成一種固定長度的字元串，這就好像是給數據加了一把鎖。

除了常用的 MD5 是加密演算法外，SHA-1(Secure Hash Algorithm 1) 也是一種常用的加密演算法，不過 SHA-1 也是不安全的加密演算法，在 TLS 裡面被禁止使用。目前 TLS 推薦使用的是 SHA-1 的後繼者：SHA-2。

SHA-2 的全稱是Secure Hash Algorithm 2 ，它在 2001 年被推出，它在 SHA-1 的基礎上做了重大的修改，SHA-2 系列包含六個哈希函數，其摘要（哈希值）分別為 224、256、384 或 512 位：SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512。分別能夠生成 28 位元組、32 位元組、48 位元組、64 位元組的摘要。

有了 SHA-2 的保護，就能夠實現數據的完整性，哪怕你在文件中改變一個標點符號，增加一個空格，生成的文件摘要也會完全不同，不過 SHA-2 是基於明文的加密方式，還是不夠安全，那應該用什麼呢？

安全性更高的加密方式是使用 HMAC，在理解什麼是 HMAC 前，你需要先知道一下什麼是 MAC。

MAC 的全稱是message authentication code，它通過 MAC 演算法從消息和密鑰生成，MAC 值允許驗證者（也擁有秘密密鑰）檢測到消息內容的任何更改，從而保護了消息的數據完整性。

HMAC 是 MAC 更進一步的拓展，它是使用 MAC 值 + Hash 值的組合方式，HMAC 的計算中可以使用任何加密哈希函數，例如 SHA-256 等。

現在我們又解決了完整性的問題，那麼就只剩下一個問題了，那就是認證，認證怎麼做的呢？我們再向伺服器發送數據的過程中，黑客（攻擊者）有可能偽裝成任何一方來竊取資訊。它可以偽裝成你，來向伺服器發送資訊，也可以偽裝稱為伺服器，接受你發送的資訊。那麼怎麼解決這個問題呢？

認證

如何確定你自己的唯一性呢？我們在上面的敘述過程中出現過公鑰加密，私鑰解密的這個概念。提到的私鑰只有你一個人所有，能夠辨別唯一性，所以我們可以把順序調換一下，變成私鑰加密，公鑰解密。使用私鑰再加上摘要演算法，就能夠實現數字簽名，從而實現認證。

到現在，綜合使用對稱加密、非對稱加密和摘要演算法，我們已經實現了加密、數據認證、認證，那麼是不是就安全了呢？非也，這裡還存在一個數字簽名的認證問題。因為私鑰是是自己的，公鑰是誰都可以發布，所以必須發布經過認證的公鑰，才能解決公鑰的信任問題。

所以引入了 CA，CA 的全稱是 Certificate Authority，證書認證機構，你必須讓 CA 頒布具有認證過的公鑰，才能解決公鑰的信任問題。

全世界具有認證的 CA 就幾家，分別頒布了 DV、OV、EV 三種，區別在於可信程度。DV 是最低的，只是域名級別的可信，EV 是最高的，經過了法律和審計的嚴格核查，可以證明網站擁有者的身份（在瀏覽器地址欄會顯示出公司的名字，例如 Apple、GitHub 的網站）。不同的信任等級的機構一起形成了層級關係。

通常情況下，數字證書的申請人將生成由私鑰和公鑰以及證書簽名請求（CSR）組成的密鑰對。CSR是一個編碼的文本文件，其中包含公鑰和其他將包含在證書中的資訊（例如域名，組織，電子郵件地址等）。密鑰對和 CSR生成通常在將要安裝證書的伺服器上完成，並且 CSR 中包含的資訊類型取決於證書的驗證級別。與公鑰不同，申請人的私鑰是安全的，永遠不要向 CA（或其他任何人）展示。

生成 CSR 後，申請人將其發送給 CA，CA 會驗證其包含的資訊是否正確，如果正確，則使用頒發的私鑰對證書進行數字簽名，然後將其發送給申請人。