PKI体系（二）-Https&双端认证

超文本传输安全协议（英语：Hypertext Transfer Protocol Secure，缩写：HTTPS，常称为HTTP over TLS，HTTP over SSL或HTTP Secure）是一种透过计算机网络进行安全通信的传输协议。HTTPS经由HTTP进行通信，但利用SSL/TLS来加密数据包。HTTPS开发的主要目的，是提供对网站服务器的身份认证，保护交换数据的隐私与完整性。这个协议由网景公司（Netscape）在1994年首次提出，随后扩展到互联网上。

Https协议默认支持双向认证，只是一般浏览器-服务器架构下不会进行开启。

SSL/TLS协议

传输层安全性协议（英语：Transport Layer Security，缩写作 TLS），及其前身安全套接层（Secure Sockets Layer，缩写作 SSL）是一种安全协议，目的是为互联网通信，提供安全及数据完整性保障。网景公司（Netscape）在1994年推出首版网页浏览器，网景导航者时，推出HTTPS协议，以SSL进行加密，这是SSL的起源。IETF将SSL进行标准化，1999年公布第一版TLS标准文件。随后又公布RFC 5246 （2008年8月）与 RFC 6176 （2011年3月）。在浏览器、电子邮件、即时通信、VoIP、网络传真等应用程序中，广泛支持这个协议。主要的网站，如Google、Facebook等也以这个协议来创建安全连接，发送数据。目前已成为互联网上保密通信的工业标准。

SSL包含记录层（Record Layer）和传输层，记录层协议确定传输层数据的封装格式。传输层安全协议使用X.509认证，之后利用非对称加密演算来对通信方做身份认证，之后交换对称密钥作为会话密钥（Session key）。这个会谈密钥是用来将通信两方交换的数据做加密，保证两个应用间通信的保密性和可靠性，使客户与服务器应用之间的通信不被攻击者窃听。

TLS协议采用C/S架构模型，用于在两个应用程序间透过网络创建起安全的连接，防止在交换数据时受到窃听及篡改。

TLS协议的优势是与高层的应用层协议（如HTTP、FTP、Telnet等）无耦合。应用层协议能透明地运行在TLS协议之上，由TLS协议进行创建加密通道需要的协商和认证。应用层协议传送的数据在通过TLS协议时都会被加密，从而保证通信的私密性。

TLS协议是可选的，必须配置客户端和服务器才能使用。主要有两种方式实现这一目标：一个是使用统一的TLS协议通信端口（例如：用于HTTPS的端口443）；另一个是客户端请求服务器连接到TLS时使用特定的协议机制（例如：邮件、新闻协议和STARTTLS）。一旦客户端和服务器都同意使用TLS协议，他们通过使用一个握手过程协商出一个有状态的连接以传输数据[1]。通过握手，客户端和服务器协商各种参数用于创建安全连接：

• 当客户端连接到支持TLS协议的服务器要求创建安全连接并列出了受支持的密码组合（加密密码算法和加密哈希函数），握手开始。
• 服务器从该列表中决定加密和散列函数，并通知客户端。
• 服务器发回其数字证书，此证书通常包含服务器的名称、受信任的证书颁发机构（CA）和服务器的公钥。
• 客户端确认其颁发的证书的有效性。
• 为了生成会话密钥用于安全连接，客户端使用服务器的公钥加密随机生成的密钥，并将其发送到服务器，只有服务器才能使用自己的私钥解密。
• 利用随机数，双方生成用于加密和解密的对称密钥。这就是TLS协议的握手，握手完毕后的连接是安全的，直到连接（被）关闭。如果上述任何一个步骤失败，TLS握手过程就会失败，并且断开所有的连接。

SSL&TLS原理

协议组成

协议分为三个部分

• 握手协议（Handshake protocol）
• 记录协议（Record protocol）
• 警报协议（Alert protocol）

握手协议

握手协议是客户机和服务器用SSL连接通信时使用的第一个子协议，握手协议包括客户机与服务器之间的一系列消息。SSL中最复杂的协议就是握手协议。该协议允许服务器和客户机相互验证，协商加密和MAC算法以及保密密钥，用来保护在SSL记录中发送的数据。握手协议是在应用程序的数据传输之前使用的。

握手协议数据格式

每个握手协议包含以下3个字段

1. Type：表示10种消息类型之一
2. Length：表示消息长度字节数
3. Content：与消息相关的参数

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握手协议流程

握手协议分为4个阶段

1. 建立安全能力
2. 服务器鉴别与密钥交换
3. 客户机鉴别与密钥交换
4. 完成

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阶段1：建立安全能力

SSL握手的第一阶段启动逻辑连接，建立这个连接的安全能力。首先客户机向服务器发出client hello消息并等待服务器响应，随后服务器向客户机返回server hello消息，对client hello消息中的信息进行确认。
ClientHello 客户发送CilentHello信息，包含如下内容：

1. 客户端可以支持的SSL最高版本号
2. 一个用于生成主秘密的32字节的随机数。（等会介绍主秘密是什么）
3. 一个确定会话的会话ID。
4. 一个客户端支持的加密算法列表。
5. 一个客户端可以可以支持的压缩算法列表

ServerHello 服务器用ServerHello信息应答客户，包括下列内容：

1. 一个SSL版本号。取客户端支持的最高版本号和服务端支持的最高版本号中的较低者。
2. 一个用于生成主秘密的32字节的随机数。（客户端一个、服务端一个）
3. 会话ID
4. 从客户端的密码套件列表中选择的一个加密算法
5. 从客户端的压缩方法的列表中选择的压缩方法

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阶段2：服务器鉴别和密钥交换

服务器启动SSL握手第2阶段，是本阶段所有消息的唯一发送方，客户机是所有消息的唯一接收方。该阶段分为4步：

1. 证书：服务器将数字证书和到根CA整个链发给客户端，使客户端能用服务器证书中的服务器公钥认证服务器。
2. 服务器密钥交换（可选）：这里视密钥交换算法而定
3. 证书请求（可选）：服务端可能会要求客户自身进行验证。
4. 服务器握手完成：第二阶段的结束，第三阶段开始的信号

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服务器密钥交换：1 和 2是基于密钥交换方法的。SSL中密钥交换算法有6种：无效（没有密钥交换）、RSA、匿名Diffie-Hellman、暂时Diffie-Hellman、固定Diffie-Hellman、Fortezza。
在阶段1过程客户端与服务端协商的过程中已经确定使哪种密钥交换算法。
如果协商过程中确定使用RSA交换密钥，那么过程如下图：

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阶段3：客户机鉴别和密钥交换

客户机启动SSL握手第3阶段，是本阶段所有消息的唯一发送方，服务器是所有消息的唯一接收方。该阶段分为3步：

1. 证书（可选）：为了对服务器证明自身，客户要发送一个证书信息，这是可选的，在Tomcat中可以配置强制客户端证书认证。（服务器端请求了客户端证书才会有此步骤）
2. 客户机密钥交换（Pre-master-secret）：这里客户端将预备主密钥发送给服务端，注意这里会使用服务端的公钥进行加密。
3. 证书验证（可选），对预备秘密和随机数进行签名，证明拥有（1）证书的公钥。（服务器端请求了客户端证书才会有此步骤）

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阶段4：完成

握手完成后，客户端和服务器端后面的信息使用主密钥进行对称加/解密

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Https

HTTP协议和安全协议同属于应用层（OSI模型的最高层），具体来讲，安全协议工作在HTTP之下，运输层之上：安全协议向运行HTTP的进程提供一个类似于TCP的Socket，供进程向其中注入报文，安全协议将报文加密并注入运输层Socket；或是从运输层获取加密报文，解密后交给对应的进程。严格地讲，HTTPS并不是一个单独的协议，而是对工作在一加密连接（TLS或SSL）上的常规HTTP协议的称呼。

HTTPS报文中的任何东西都被加密，包括所有报头和荷载。除了可能的选择密文攻击（参见限制小节）之外，一个攻击者所能知道的只有在两者之间有一连接这一事实。