HTTPS加密协议详解

简介

HTTPS (Secure Hypertext Transfer Protocol)安全超文本传输协议，是一个安全通信通道，它基于HTTP开发用于在客户计算机和服务器之间交换信息。它使用安全套接字层(SSL)进行信息交换，简单来说它是HTTP的安全版,是使用TLS/SSL加密的HTTP协议。TLS/SSL具有身份验证、信息加密和完整性校验的功能，可以避免信息窃听、信息篡改和信息劫持的风险。

TLS/SSL全称安全传输层协议Transport Layer Security, 是介于TCP和HTTP之间的一层安全协议，不影响原有的TCP协议和HTTP协议，所以使用HTTPS基本上不需要对HTTP页面进行太多的改造。

HTTPS协议可以用如下模型表示：

TLS/SSL工作原理

HTTPS协议的主要功能基本都依赖于TLS/SSL协议来实现的。TLS/SSL的功能实现主要依赖于三类基本算法：散列函数 Hash、对称加密和非对称加密，其利用非对称加密实现身份认证和密钥协商，对称加密算法采用协商的密钥对数据加密，基于散列函数验证信息的完整性。

TLS/SSL包含的内容可用下面的图来表示：

散列函数Hash

常见的有 MD5、SHA1、SHA256，该类函数特点是函数单向不可逆、对输入非常敏感、输出长度固定，针对数据的任何修改都会改变散列函数的结果，用于防止信息篡改并验证数据的完整性;

在信息传输过程中，散列函数不能单独实现信息防篡改，因为明文传输，中间人可以修改信息之后重新计算信息摘要，因此需要对传输的信息以及信息摘要进行加密;

对称加密

常见的有 AES-CBC、DES、3DES、AES-GCM等，相同的密钥可以用于信息的加密和解密，掌握密钥才能获取信息，能够防止信息窃听，通信方式是1对1;

对称加密的优势是信息传输1对1，需要共享相同的密码，密码的安全是保证信息安全的基础，服务器和 N 个客户端通信，需要维持 N 个密码记录，且缺少修改密码的机制;

非对称加密

即常见的 RSA 算法，还包括 ECC、DH 等算法，算法特点是，密钥成对出现，一般称为公钥(公开)和私钥(保密)，公钥加密的信息只能私钥解开，私钥加密的信息只能公钥解开。因此掌握公钥的不同客户端之间不能互相解密信息，只能和掌握私钥的服务器进行加密通信，服务器可以实现1对多的通信，客户端也可以用来验证掌握私钥的服务器身份。

非对称加密的特点是信息传输1对多，服务器只需要维持一个私钥就能够和多个客户端进行加密通信，但服务器发出的信息能够被所有的客户端解密，且该算法的计算复杂，加密速度慢。

结合三类算法的特点，TLS的基本工作方式是，客户端使用非对称加密与服务器进行通信，实现身份验证并协商对称加密使用的密钥，然后对称加密算法采用协商密钥对信息以及信息摘要进行加密通信，不同的节点之间采用的对称密钥不同，从而可以保证信息只能通信双方获取。

PKI 体系

在讲解PKI体系之前，来看一下常用的TLS加密算法的缺陷。

1，RSA身份验证的隐患

身份验证和密钥协商是TLS的基础功能，要求的前提是合法的服务器掌握着对应的私钥。但RSA算法无法确保服务器身份的合法性，因为公钥并不包含服务器的信息，存在安全隐患:

客户端C和服务器S进行通信，中间节点M截获了二者的通信;

节点M自己计算产生一对公钥pub_M和私钥pri_M;

C向S请求公钥时，M把自己的公钥pub_M发给了C;

C使用公钥 pub_M加密的数据能够被M解密，因为M掌握对应的私钥pri_M，而 C无法根据公钥信息判断服务器的身份，从而 C和 M之间建立了”可信”加密连接;

中间节点 M和服务器S之间再建立合法的连接，因此 C和 S之间通信被M完全掌握，M可以进行信息的窃听、篡改等操作。

另外，服务器也可以对自己的发出的信息进行否认，不承认相关信息是自己发出。

因此该方案下至少存在两类问题：中间人攻击和信息抵赖。

2，身份验证CA和证书

解决上述身份验证问题的关键是确保获取的公钥途径是合法的，能够验证服务器的身份信息，为此需要引入权威的第三方机构CA(如沃通CA)。CA 负责核实公钥的拥有者的信息，并颁发认证”证书”，同时能够为使用者提供证书验证服务，即PKI体系。

基本的原理为，CA负责审核信息，然后对关键信息利用私钥进行”签名”，公开对应的公钥，客户端可以利用公钥验证签名。CA也可以吊销已经签发的证书，基本的方式包括两类 CRL 文件和 OCSP。CA使用具体的流程如下：

a.服务方S向第三方机构CA提交公钥、组织信息、个人信息(域名)等信息并申请认证;

b.CA通过线上、线下等多种手段验证申请者提供信息的真实性，如组织是否存在、企业是否合法，是否拥有域名的所有权等;

c.如信息审核通过，CA会向申请者签发认证文件-证书。

证书包含以下信息：申请者公钥、申请者的组织信息和个人信息、签发机构 CA的信息、有效时间、证书序列号等信息的明文，同时包含一个签名;

签名的产生算法：首先，使用散列函数计算公开的明文信息的信息摘要，然后，采用 CA的私钥对信息摘要进行加密，密文即签名;

d.客户端 C 向服务器 S 发出请求时，S 返回证书文件;

e.客户端 C读取证书中的相关的明文信息，采用相同的散列函数计算得到信息摘要，然后，利用对应 CA的公钥解密签名数据，对比证书的信息摘要，如果一致，则可以确认证书的合法性，即公钥合法;

f.客户端然后验证证书相关的域名信息、有效时间等信息;

g.客户端会内置信任CA的证书信息(包含公钥)，如果CA不被信任，则找不到对应 CA的证书，证书也会被判定非法。

3，证书链

如 CA根证书和服务器证书中间增加一级证书机构，即中间证书，证书的产生和验证原理不变，只是增加一层验证，只要最后能够被任何信任的CA根证书验证合法即可。

a.服务器证书 server.pem 的签发者为中间证书机构 inter，inter 根据证书 inter.pem 验证 server.pem 确实为自己签发的有效证书;

b.中间证书 inter.pem 的签发 CA 为 root，root 根据证书 root.pem 验证 inter.pem 为自己签发的合法证书;

c.客户端内置信任 CA 的 root.pem 证书，因此服务器证书 server.pem 的被信任。

服务器证书、中间证书与根证书在一起组合成一条合法的证书链，证书链的验证是自下而上的信任传递的过程。

二级证书结构的优势

目前，使用二级证书结构主要有以下的优势：

a.减少根证书结构的管理工作量，可以更高效的进行证书的审核与签发;

b.根证书一般内置在客户端中，私钥一般离线存储，一旦私钥泄露，则吊销过程非常困难，无法及时补救;

c.中间证书结构的私钥泄露，则可以快速在线吊销，并重新为用户签发新的证书;

d.证书链四级以内一般不会对 HTTPS 的性能造成明显影响。

证书链的模型图如下：

证书链有以下特点：
a.同一本服务器证书可能存在多条合法的证书链。

因为证书的生成和验证基础是公钥和私钥对，如果采用相同的公钥和私钥生成不同的中间证书，针对被签发者而言，该签发机构都是合法的 CA，不同的是中间证书的签发机构不同;

b.不同证书链的层级不一定相同，可能二级、三级或四级证书链。

中间证书的签发机构可能是根证书机构也可能是另一个中间证书机构，所以证书链层级不一定相同。

4，证书吊销

CA 机构能够签发证书，同样也存在机制宣布以往签发的证书无效。证书使用者不合法，CA 需要废弃该证书;或者私钥丢失，使用者申请让证书无效。主要存在两类机制：CRL 与 OCSP。

CRL

Certificate Revocation List, 证书吊销列表，一个单独的文件。该文件包含了 CA 已经吊销的证书序列号(唯一)与吊销日期，同时该文件包含生效日期并通知下次更新该文件的时间，当然该文件必然包含 CA 私钥的签名以验证文件的合法性。

证书中一般会包含一个 URL 地址 CRL Distribution Point，通知使用者去哪里下载对应的 CRL 以校验证书是否吊销。该吊销方式的优点是不需要频繁更新，但是不能及时吊销证书，因为 CRL 更新时间一般是几天，这期间可能已经造成了极大损失。

OCSP

Online Certificate Status Protocol, 证书状态在线查询协议，一个实时查询证书是否吊销的方式。请求者发送证书的信息并请求查询，服务器返回正常、吊销或未知中的任何一个状态。证书中一般也会包含一个 OCSP 的 URL 地址，要求查询服务器具有良好的性能。部分 CA 或大部分的自签 CA (根证书)都是未提供 CRL 或 OCSP 地址的，对于吊销证书会是一件非常麻烦的事情。

HTTPS性能与优化

性能损耗

虽然，使用HTTPS增强了安全性，但是这是以性能损耗为代价的。主要体现如下：

(1).增加延时

分析前面的握手过程，一次完整的握手至少需要两端依次来回两次通信，至少增加延时2* RTT，利用会话缓存从而复用连接，延时也至少1* RTT*。

(2).消耗较多的CPU资源

除数据传输之外，HTTPS通信主要包括对对称加解密、非对称加解密(服务器主要采用私钥解密数据);压测 TS8 机型的单核 CPU：对称加密算法AES-CBC-256 吞吐量 600Mbps，非对称 RSA 私钥解密200次/s。不考虑其它软件层面的开销，10G 网卡为对称加密需要消耗 CPU 约17核，24核CPU最多接入 HTTPS 连接 4800;

静态节点当前10G 网卡的 TS8 机型的 HTTP 单机接入能力约为10w/s，如果将所有的HTTP连接变为HTTPS连接，则明显RSA的解密最先成为瓶颈。因此，RSA的解密能力是当前困扰HTTPS接入的主要难题。

HTTPS接入优化

对于HTTPS的优化方面，主要从以下几个方面着手优化：

(1).CDN接入

HTTPS 增加的延时主要是传输延时 RTT，RTT 的特点是节点越近延时越小，CDN 天然离用户最近，因此选择使用 CDN 作为 HTTPS 接入的入口，将能够极大减少接入延时。CDN 节点通过和业务服务器维持长连接、会话复用和链路质量优化等可控方法，极大减少 HTTPS 带来的延时。

(2).会话缓存

虽然前文提到 HTTPS 即使采用会话缓存也要至少1*RTT的延时，但是至少延时已经减少为原来的一半，明显的延时优化;同时，基于会话缓存建立的 HTTPS 连接不需要服务器使用RSA私钥解密获取 Pre-master 信息，可以省去CPU 的消耗。如果业务访问连接集中，缓存命中率高，则HTTPS的接入能力讲明显提升。当前TRP平台的缓存命中率高峰时期大于30%，10k/s的接入资源实际可以承载13k/的接入，收效非常可观。

(3).硬件加速

为接入服务器安装专用的SSL硬件加速卡，作用类似 GPU，释放 CPU，能够具有更高的 HTTPS 接入能力且不影响业务程序的。测试某硬件加速卡单卡可以提供35k的解密能力，相当于175核 CPU，至少相当于7台24核的服务器，考虑到接入服务器其它程序的开销，一张硬件卡可以实现接近10台服务器的接入能力。

(4).远程解密

本地接入消耗过多的 CPU 资源，浪费了网卡和硬盘等资源，考虑将最消耗 CPU 资源的RSA解密计算任务转移到其它服务器，如此则可以充分发挥服务器的接入能力，充分利用带宽与网卡资源。远程解密服务器可以选择 CPU 负载较低的机器充当，实现机器资源复用，也可以是专门优化的高计算性能的服务器。当前也是 CDN 用于大规模HTTPS接入的解决方案之一。

(5).SPDY/HTTP2

前面的方法分别从减少传输延时和单机负载的方法提高 HTTPS 接入性能，但是方法都基于不改变 HTTP 协议的基础上提出的优化方法，SPDY/HTTP2 利用 TLS/SSL 带来的优势，通过修改协议的方法来提升 HTTPS 的性能，提高下载速度等。

附：HTTPS带来的性能损失