HTTPS详解

前言

1990年互联网诞生之初，就已经开始用超文本传输协议HTTP传输数据，这也是为什么现在网页地址都是以http开头的原因。但是HTTP协议传输数据是明文传输，任意的人抓包就能看到传输的数据，这显然不安全。1994年，Netscape公司用加密协议增加了HTTP，开始在HTTP的基础上加入SSL（Secure Socket Layer）。称为"HTTP over SSL"或者"HTTP Secure"，也就是我们现在熟知的HTTPS。

SSL/TLS

SSL/TLS是位于TCP/IP 7层协议中的会话层，用于认证用户和服务器，加解密数据以及维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不会被修改。

TLS（Transport Layer Security，传输层安全协议）是IETF制定的一种新的协议，TLS1.0是建立在SSL3.0协议规范之上，是SSL3.0协议的后续版本，可以理解为SSL3.1。TLS的主要目的是使SSL更加安全，更加完善。TLS记录格式于SSL记录格式相同，但是版本号值不一样，TLS的版本1.0使用的版本号是SSLv3.1。

SSL/TLS分为对称加密和非对称加密两种方式。

对称加密 

对称加密是指加密和解密都用同一份密钥。如下图所示：

常用的对称加密算法有AES-128，AES-192，AES-256。

非对称加密

非对称加密对应于一对密钥，称为私钥和公钥，用私钥加密后需要用公钥解密，用公钥加密后需要用私钥解密。如下图所示：

对称加密的优点是运算速度快，缺点是互联网环境下无法将密钥安全的传送给对方。非对称加密的优点是可以安全的将公钥传递给对方，但是运算速度慢。

那么HTTPS究竟是采用对称加密还是非对称加密呢？答案是两者都有。先采用非对称加密传输协商对称加密的密钥，然后用对称加密通信。

HTTPS加密过程

上图是比较粗粒度的讲解了HTTPS的非对称和对称加解密过程：

1. 客户端浏览器发起连接。
2. WEB服务器将公钥发给客户端。
3. 客户端生成一个session key，并且将session key用公钥加密后发送给服务器。
4. 服务器用私钥将session key解密出来。
5. 客户端和服务器用session key做对称加密通信。

整个流程可以这样抽象，但是实际上session key的生成是需要多次协商的结果（文章后面会讲到），我们暂且这样简单的理解。整个流程会有一个问题，第2步中WEB服务器发给客户端的公钥，万一被中间人修改了呢，换句话说，客户端怎么验证公钥的正确性呢？那就需要讲到数字签名。

数字签名

如上图所示，公钥内容的后面是会跟上一个数字签名，该数字签名是将公钥内容的HASH用私钥加密后的密文。客户端拿到公钥后，会用相同的HASH算法重新算一遍，得到一个HASH值hash1。然后用公钥解密数字签名得到HASH值hash2，如果hash1等于hash2就证明这个公钥是没有被中间人修改的。即使中间人修改了公钥的内容，他也没有私钥可以重新生成数字签名，用户拿到修改后的公钥一算发现HASH不对就会报错。

TLS握手过程

Client Hello. 客户端通过发送Client Hello消息给服务器初始化Session连接。

Client Hello 消息包含以下字段：

• SSL/TLS 版本号。version 2 表示的是SSL 2.0，version 3 表示的是SSL 3.0，version 3.1表示的是TLS 1.0。
• 随机数Random_C。一共32个字节。前面4个字节是当前时间戳，后面28个字节是一个随机数。后面协商对称加密的Session Key会用到。
• Session ID。如果是之前已经存在的连接重连，那么Session ID会是一串数字，否则是None。
• Cipher Suite。支持的加密组件列表。例如TLS_RSA_WITH_DES_CBC_SHA, TLS 是TLS协议版本，TLS表示TLS1.0，RSA是密钥交换算法，DES_CBC是加密算法，SHA是摘要算法。
• 压缩算法。表示建议选用的是哪种压缩算法。

Client Hello 消息示例：

ClientVersion 3,1
ClientRandom[32]
SessionID: None (new session)
Suggested Cipher Suites:
   TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
   TLS_RSA_WITH_DES_CBC_SHA
Suggested Compression Algorithm: NONE

Server Hello. 服务器收到客户端的Client Hello 消息会响应一个Server Hello 消息，包括以下字段：

• SSL/TLS 版本，客户端和服务器都支持的SSL/TLS最高版本。
• 随机数Random_S，一共32个字节，前面4个字节是当前时间戳，后面28个字节是一个随机数。后面协商对称加密的Session Key会用到。
• Session ID，这里会有三种情况。1.产生一个新的Session ID，表示没有找到之前的Session ID或者之前没有这个Session ID。2. 返回客户端带上的之前的Session ID。（断链重连）3.Null，服务器没有办法产生新的Session ID。
• Cipher Suite，服务器从刚才Client Hello消息的Cipher Suite加密列表中选中的加密组件。
• 压缩算法，表示选中的是哪种压缩算法。

Server Hello 消息示例：

Version 3,1
ServerRandom[32]
SessionID: bd608869f0c629767ea7e3ebf7a63bdcffb0ef58b1b941e6b0c044acb6820a77
Use Cipher Suite:
TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA
Compression Algorithm: NONE

服务器发完Sever Hello 后还会发送下面几条消息：

Server Certificate.服务器发给客户端的证书，包含公钥。客户端后面会用该密钥加密premaster secret。客户端也会校验证书的合法性，比如证书包含的域名是否就是客户端正在访问的域名。

Server Key Exchange.[可选]当服务器的证书不包含公钥时，客户端会用它来加密后面的Client Key Exchange消息。

Client Certificate Request.[可选]用于服务器需要验证客户端身份的情况，例如银行系统通常用U盾来证明客户端的身份。

Server Hello Done.表示Server已经发送消息完毕并且在登陆客户端回复。

客户端紧接着响应给服务器的消息：

Client Certificate.[可选]客户端证书，包括客户端的公钥。响应上面的Client Certificate Request。

Client Key Exchange.该消息包括premaster secret,TLS的版本号，再次带上版本号是因为之前的版本号是明文传输的，攻击者可能会恶意修改为较低的版本号，从而降低连接的安全系数方便发起攻击。该消息字段会用公钥加密。现在一共有Random_C,Random_S, premaster secret三个随机数，客户端和服务器端会用相同的算法，用这三个随机数作为参数，从而计算得到另外的一个随机数，即后面对称加密的密钥Session Key。

Certificate Verify.[可选]该消息只针对有Client Certificate的情况。会计算出该消息字段的HASH，然后用客户端的私钥加密该HASH作为签名。服务器端会使用Client Certificate消息中得到的客户端公钥解密并验证这条消息的合法性。

Change Cipher Suite.该消息通知服务器接下来的Client Finish消息将会用刚才协商的密钥Session Key来加密。

Client Finished.该消息会列举客户端上面用到的所有加密字段，并且算出他们的HASH值，然后用Session Key加密。

服务器在握手阶段最后回应给客户端的消息：

Change Cipher Suite Message.该消息通知客户端接下来的消息会用Session Key来加密。

Sever Finished Message. 对整个协商阶段用到的字段算一个HASH，然后用Session Key加密。

 

总结

文章首先介绍了HTTPS的由来，然后介绍了对称加密和非对称加密，以及HTTPS的加解密过程，最后详细的讲解了TLS的握手过程。

 

参考

https://tiptopsecurity.com/how-does-https-work-rsa-encryption-explained/

http://www.youdzone.com/signature.html

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%AD%E9%97%B4%E4%BA%BA%E6%94%BB%E5%87%BB

https://www.tutorialsteacher.com/https/how-ssl-works

https://docs.microsoft.com/en-us/previous-versions/windows/it-pro/windows-server-2003/cc785811(v=ws.10)

http://www.moserware.com/2009/06/first-few-milliseconds-of-https.html

https://www.linuxidc.com/Linux/2016-05/131147.htm

https://hpbn.co/transport-layer-security-tls/