探秘HTTPS

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来源 | ELab团队（ID：gh_b1857b91fe44）

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今天给大家分享下HTTPS的相关知识。作为前端工程师，对于天天打交道的HTTP我们肯定都熟得不能再熟了，每一次通过浏览器发出的请求都是需要符合HTTP协议的。那么HTTPS和HTTP的区别大家了解吗？

这是一个经典的面试题，大部分人会这么回答

1. HTTPS比HTTP多了一个S(Secure)，也就是说HTTPS是安全版的HTTP

1. 端口号不同。HTTP使用80端口，HTTPS使用443端口

1. HTTPS用的是非对称加密算法

上面的回答能给几分？等看完本文我们可以再回头来看下这个回答

那么，HTTPS是如何实现安全的数据传输呢？想彻底搞明白这个问题，就需要了解HTTP的发展历程、HTTP遇到的问题、对称与非对称加密算法、数字签名、第三方证书颁发机构等概念。

所以，想要全面了解HTTPS，还是要从HTTP的发展历程说起......

I.HTTP

HTTP是Hypertext Transfer Protocal 的缩写，中文全称是超文本传输协议。

• 超文本是指包含但不限于文本外的图片、音频、视频等多媒体资源。

• 协议是通信双方约定好的数据传输格式以及通信规则。

HTTP是TCP/IP协议簇的最高层--应用层协议。

浏览器和服务器在使用HTTP协议相互传递超文本数据时，将数据放入报文体内，同时填充首部(请求头或响应头)构成完整HTTP报文并交到下层传输层，之后每一层加上相应的首部（控制部分）便一层层的下发，最终由物理层将二进制数据以电信号的形式发送出去。HTTP报文结构如下👇

• HTTP发展历程如下👇

版本	产生时间	内容概括	发展现状
HTTP/0.9	1991年	不涉及数据包传输，规定客户端和服务器之间通信格式，只能GET请求	非正式标准
HTTP/1.0	1996年	传输内容、格式、首部和数组大小不限制，增加POST、PUT、PATCH、HEAD、 OPTIONS、DELETE方式	正式标准，广泛使用
HTTP/1.1	1997年	持久连接(长连接)、节约带宽、HOST域、管道机制、分块传输编码	最为广泛
HTTP/2	2015年	多路复用、服务器推送、头信息压缩、二进制协议等。必须搭配TLS，也就是默认使用HTTPS	逐渐兴起

由HTTP的发展历程来看，最开始版本的HTTP(HTTP1.0)在每次建立TCP连接后只能发起一次HTTP请求，请求完毕就释放TCP连接。我们都知道TCP连接的建立需要经过三次握手的过程，而每次发送HTTP请求都需要重新建立TCP连接，毫无疑问是很低效的。所以HTTP1.1改善了这一点，使用长连接的机制，也就是“一次TCP连接，N次HTTP请求”。

HTTP协议的长连接和短连接，实质上是 TCP 协议的长连接和短连接。

在使用长连接的情况下，当一个网页打开完成后，客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的TCP连接不会关闭，客户端再次访问这个服务器时，会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接，它有一个保持时间，可以在不同的服务器软件（如Apache）中设定这个时间。实现长连接需要客户端和服务端都支持长连接。

（HTTP1.0若要开启长连接，需要加上Connection: keep-alive请求头）

• 随着HTTP越来越广泛的使用，HTTP的安全性问题也逐渐暴露。

  回忆一下多年前遍地都是的运营商劫持，当你访问一个本来很正常的网页，但页面上却莫名其妙出现了一些广告标签、跳转脚本、欺骗性的红包按钮，甚至有时候本来要下载一个文件，最后下载下来却变成了另外一个完全不同的东西，这些都是被运营商劫持了HTTP明文数据的现象。

  HTTP有以下3点安全性问题：

• 数据保密性问题

  因为HTTP无状态，而且又是明文传输，所有数据内容都在网络中裸奔，包用户括身份信息、支付账号与密码。这些敏感信息极易泄露造成安全隐患。

• 数据完整性问题

  HTTP数据包在到达目的主机前会经过很多转发设备，每一个设备节点都可能会篡改或调包信息，无法验证数据的完整性。

• 身份校验问题

  有可能遭受中间人攻击，我们无法验证通信的另一方就是我们的目标对象。

因此，为了保证数据传输的安全性，必须要对HTTP数据进行加密。

II.加密方式

加密方式分为三种：对称加密、非对称加密、数字摘要。前两种适合数据传输加密，而数字摘要不可逆的特性常被用于数字签名。

对称加密

对称加密也称为密钥加密或单向加密，就是使用同一套密钥来进行加密和解密。密钥可以理解为加密算法。对称加密图示如下👇

广泛使用的对称加密有：

DES(Data Encryption Standard)	数据加密标准，速度较快，适用于加密大量数据的场合。目前DES已经不是一种安全的加密方法，主要因为它使用的56位密钥过短
3DES(Triple DES)	基于DES，对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密，强度更高。可以解决因计算机运算能力的增强，DES容易被暴力破解的问题
AES(Advanced Encryption Standard)	高级加密标准，是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别高，支持128、192、256、512位密钥的加密

• 优点：算法公开、简单，加密解密容易，加密速度快，效率高。

• 缺点：相对来说不算特别安全，只有一把钥匙，密文如果被拦截，且密钥也被劫持，那么，信息很容易被破译。

• 适用场景：加解密速度快、效率高，因此适用于大量数据的加密场景。由于如何传输密钥是较为头痛的问题，因此适用于无需进行密钥交换的场景，如内部系统，事先就可以直接确定密钥。

可以在线体验👉对称加密^[1]

P.S. base64编码也属于对称加密哦

非对称加密

非对称加密使用一对密钥(公钥和私钥)进行加密和解密。非对称加密可以在不直接传递密钥的情况下，完成解密，具体步骤如下👇：

1. 乙方生成两把密钥（公钥和私钥）。公钥是公开的，任何人都可以获得，私钥则是保密的。

1. 甲方获取乙方的公钥，然后用它对信息加密。

1. 乙方得到加密后的信息，用私钥解密。

以最典型的非对称加密算法--RSA算法举个例子：

想要彻底搞懂RSA，需要了解数论的知识，全部推导过程 RSA加密算法^[2]。本文简单介绍思路：使用两个超大质数以及其乘积作为生成公钥和私钥的材料，想要从公钥推算出私钥是非常困难的（需要对超大数因式分解为两个很大质数的乘积）。目前被破解的最长RSA密钥是768个二进制位。也就是说，长度超过768位的密钥，还无法破解（至少没人公开宣布）。因此可以认为，1024位的RSA密钥基本安全，2048位的密钥极其安全。

• 优点：强度高、安全性强于对称加密算法、无需传递私钥导致没有密钥泄露风险

• 缺点：计算量大、速度慢

• 适用场景：适用于需要密钥交换的场景，如互联网应用，无法事先约定密钥。可以与对称加密算法结合：

• 利用非对称加密算法安全性较好的特点来传递对称加密算法的密钥。
• 利用对称加密算法加解密速度快的特点，进行数据内容比较大的加密场景的加密。如HTTPS。

如何选择？

• 选择对称加密：HTTP请求方使用对称算法加密数据，那么为了接收方能够解密，发送方还需要把密钥一同传递到接收方。在传递密钥的过程中还是可能遭到嗅探攻击，攻击者窃取密钥后依然可以解密从而得到发送的数据，所以这种方案不可行
• 选择非对称加密：接收方保留私钥，把公钥传递给发送方。发送方用公钥来加密数据。接收方使用私钥解密数据。攻击者虽然不能直接获取这些数据（因为没有私钥），但是可以通过拦截传递的公钥，然后把自己的公钥传给发送方，再用自己的私钥对发送方发送数据进行解密。整个过程通信双方都不知道中间人的存在，但是中间人能够获得完整的数据信息

• 两种混合：先使用非对称加密算法加密并传递对称加密的密钥，然后双方通过对称加密方式加密要发送的数据。看起来没什么问题，但事实是这样吗？ 中间人依然可以拦截公钥的传递，并以自己的公钥作为替换，治标不治本。

想要治本，就要找到一个第三方公证人来证明公钥没有被替换，因此就引出了 CA 的概念

III.CA

CA就是 Certificate Authority，颁发数字证书的机构。作为受信任的第三方，CA承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任。证书就是源服务器向可信任的第三方机构申请的数据文件。这个证书除了表明这个域名是属于谁的，颁发日期等，还包括了第三方证书的私钥。服务器将公钥放在数字证书中，只要证书是可信的，公钥就是可信的。下图是飞书域名的证书中部分内容的信息👇

数字签名

• 摘要算法一般用哈希函数来实现，可以理解成一种定长的压缩算法，它能把任意长度的数据压缩到固定长度。这好比是给数据加了一把锁，对数据有任何微小的改动都会使摘要变得截然不同。

• 通常情况下，数字证书的申请人（服务器）将生成由私钥和公钥以及证书请求文件（Certificate Signing Request，CSR）组成的密钥对。CSR是一个编码的文本文件，其中包含公钥和其他将包含在证书中的信息（例如域名，组织，电子邮件地址等）。密钥对和CSR生成通常在将要安装证书的服务器上完成，并且 CSR 中包含的信息类型取决于证书的验证级别。与公钥不同，申请人的私钥是安全的，永远不要向 CA（或其他任何人）展示。

• 生成 CSR 后，申请人将其发送给 CA，CA 会验证其包含的信息是否正确，如果正确，则使用颁发的私钥对证书进行数字签名，然后将签名放在证书内随证书一起发送给申请人。

• 在SSL握手阶段，浏览器在收到服务器的证书后，使用CA的公钥进行解密，取出证书中的数据、数字签名以及服务器的公钥。如果解密成功，则可验证服务器身份真实。之后浏览器再对数据做Hash运算，将结果与数字签名作对比，如果一致则可以认为内容没有收到篡改。

• 对称加密和非对称加密是公钥加密，私钥解密， 而数字签名正好相反，是私钥加密（签名），公钥解密（验证）

IV.HTTPS

《图解HTTP》书中提到HTTPS就是身披SSL外壳的HTTP。

SSL 在1999年被更名为 TLS

所以说，HTTPS 并不是一项新的应用层协议，只是 HTTP 通信接口部分由 SSL 和 TLS 替代而已。HTTP 会先直接和 TCP 进行通信。而HTTPS 会演变为先和 SSL 进行通信，然后再由 SSL 和 TCP 进行通信。SSL 是一个独立的协议，不只有 HTTP 可以使用，其他应用层协议也可以使用，比如FTP、SMTP都可以使用SSL来加密。

HTTPS请求全流程如下图👇

1. 用户在浏览器发起HTTPS请求，默认使用服务端的443端口进行连接；

1. HTTPS需要使用一套CA 数字证书，证书内会附带一个服务器的公钥Pub，而与之对应的私钥Private保留在服务端不公开；

1. 服务端收到请求，返回配置好的包含公钥Pub的证书给客户端；

1. 客户端收到证书，校验合法性，主要包括是否在有效期内、证书的域名与请求的域名是否匹配，上一级证书是否有效（递归判断，直到判断到系统内置或浏览器配置好的根证书），如果不通过，则显示HTTPS警告信息，如果通过则继续；

1. 客户端生成一个用于对称加密的随机Key，并用证书内的公钥Pub进行加密，发送给服务端；

1. 服务端收到随机Key的密文，使用与公钥Pub配对的私钥Private进行解密，得到客户端真正想发送的随机Key；

1. 服务端使用客户端发送过来的随机Key对要传输的HTTP数据进行对称加密，将密文返回客户端；

1. 客户端使用随机Key对称解密密文，得到HTTP数据明文；

1. 后续HTTPS请求使用之前交换好的随机Key进行对称加解密。

HTTPS确实解决了HTTP的三个安全性问题：

（1） 保密性：结合非对称加密和对称加密实现保密性。用非对称加密方式加密对称加密的秘钥，再用对称加密方式加密数据

（2） 完整性：通过第三方CA的数字签名解决完整性问题

（3） 身份校验：通过第三方CA的数字证书验证服务器的身份

最后我们总结一下HTTPS的优缺点👇

HTTPS优点	HTTPS缺点
使用 HTTPS 协议可认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户机和服务器	HTTPS时间是HTTP的2-100倍，因为需要经历SSL（TLS）握手，且非对称加密速度较慢
安全可靠，防止数据在传输过程中被窃取、改变，确保数据的完整性	HTTPS 协议的安全是有范围的，在黑客攻击、拒绝服务攻击和服务器劫持等方面几乎起不到什么作用
HTTPS 是现行架构下最安全的解决方案，虽然不是绝对安全，但它大幅增加了中间人攻击的成本	SSL 证书的信用链体系并不安全。特别是在某些国家可以控制 CA根证书的情况下，中间人攻击一样可行

可以看到，HTTPS的确是当今安全传输HTTP的最优解，但他并不是完美的，仍会有漏洞

参考

《图解HTTP》

RSA算法原理^[3]

HTTPS升级指南^[4]

SSL/TLS协议运行机制的概述^[5]

参考资料

[1]

对称加密: http://www.jsons.cn/textencrypt/

[2]

RSA加密算法: https://www.ruanyifeng.com/blog/2013/07/rsa_algorithm_part_two.html

[3]

RSA算法原理: https://www.ruanyifeng.com/blog/2013/06/rsa_algorithm_part_one.html

[4]

HTTPS升级指南: http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/08/migrate-from-http-to-https.html

[5]

SSL/TLS协议运行机制的概述: https://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html

<END>

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