Linux学习笔记——HTTPS协议

HTTPS是什么

    HTTP协议内容都是按照文本的方式明文传输的，这就导致在传输过程中出现⼀些被篡改的情况。所以HTTPS在HTTP协议的基础上引入了⼀个加密层。HTTPS也是⼀个引用层协议。

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什么是加密

    加密就是把明文(要传输的信息)进行一系列的变化生成密文。解密就是把密文再进行一系列变化，还原成明文。在这个解密和加密的过程中，往往都需要一个或者多个中间数据，辅助进行这个过程，这样的数据被称为密钥。

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为什么要进行加密

    在以前的网络中，存在着臭名昭著的运营商劫持事件。例如，当用户下载一个天天动听，在未被未被劫持的效果，点击下载按钮，就会弹出天天动听的下载链接；已被劫持的效果，点击下载按钮，就会弹出QQ浏览器的下载链接。

    由于我们通过网络传输的任何的数据包都会经过运营商的网络设备(路由器/交换机等)，那么运营商的网络设备就可以解析出你传输的数据内容，并进行篡改。点击"下载按钮",其实就是在给服务器发送了⼀个HTTP请求,获取到的HTTP响应其实就包含了该APP的下载链接。运营商劫持之后，就发现这个请求是要下载天天动听,那么就自动的把交给用户的响应给篡改成"QQ浏览器"的下载地址了。

    因为http的内容是明文传输的，明文数据会经过路由器、wifi热点、通信服务运营商、代理服务器等多个物理节点，如果信息在传输过程中被劫持，传输的内容就完全暴露了。劫持者还可以篡改传输的信息且不被双方察觉，这就是中间人攻击 ，所以我们才需要对信息进行加密。不止运营商可以劫持，其他的黑客也可以用类似的手段进行劫持，来窃取用户的隐私信息或者篡改内容。

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常见的加密方式

对称加密

    采用单钥密码系统的加密方法，同⼀个密钥可以同时用作信息的加密和解密，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密，特征：加密和解密所用的密钥是相同的。对称加密其实就是通过同⼀个"密钥"，把明文加密成密文，并且也能把密文解密成明文。

• 常对称加密算法：DES、3DES、AES、TDEA、Blowfish、RC2等。
• 特点：算法公开、计算量⼩、加密速度快、加密效率⾼。

非对称加密

    需要两个密钥来进行加密和解密，这两个密钥是公开密钥（public key，简称公钥）和私有密钥（private key，简称私钥）。非对称加密要用到两个密钥，⼀个叫做"公钥"，⼀个叫做"私钥"。公钥和私钥是配对的，最大的缺点就是运算速度非常慢，比对称加密要慢很。通过私钥对明文加密变成密文，通过私钥对密文解密，变成明文，当然也可以反着用。举例：A要给B⼀些重要的文件，B说:我桌子上有个盒子，然后我给你⼀把锁，你把文件放盒子里用锁锁上，然后我回头拿着钥匙来开锁取文件。在这个场景中，这把锁就相当于公钥，钥匙就是私钥，公钥给谁都行(不怕泄露)，但是私钥只有B自己持有，持有私钥的⼈才能解密。

• 常见非对称加密算法：RSA，DSA，ECDSA等。
• 特点：算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥但是由于其算法复杂，而使得加密解密速度没有对称加密解密的速度快。

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数据摘要与数据指纹

    数字指纹/数据摘要,其基本原理是利用单向散列函数(Hash函数)对信息进行运算，生成一串固定长度的数字摘要。它并不是⼀种加密机制，但可以用来判断数据有没有被窜改。摘要常见算法：有MD5、SHA1、SHA256、SHA512等，算法把无限的映射成有限，因此可能会有碰撞（概率非常低），任意的文本经管HASH形成的摘要基本上都是不一样的。摘要特征：和加密算法的区别是，摘要严格意义不是加密，因为没有解密，只不过从摘要很难反推原信息，通常用来进行数据对比。

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数字签名

    摘要经过加密，就得到数字签名。

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HTTPS的工作过程探究

    既然要保证数据安全，就需要进行"加密"，网络传输中不再直接传输明文，而是加密之后的"密文"。

方案1—只使对称加密

    如果通信双方都各自持有同⼀个密钥X，且没有别⼈知道，这两方的通信安全当然是可以被保证的，除非密钥被破解。

    引⼊对称加密之后，即使数据被截获，由于黑客不知道密钥是啥，因此就无法进行解密，也就不知道请求的真实内容。但是事情没那么简单，服务器同一时刻是可以给多个客户端提供服务的，那么这么多的客户端，每个人用的密钥都是不同的，因此服务器就需要维护每个客户端和密钥之间的关系，这实在是太麻烦了。比较理想的做法，就是能在客户端和服务器建建立连接的时候，双反协商确定这次的密钥。但是如果直接把密钥明文传输，那么黑客也就能获得密钥，此时后续的加密操作就形同虚设了。因此密钥的传输也必须加密传输，但是要想对密钥进行对称加密，就仍然需要先协商确定⼀个"密钥的密钥"，这就成了"先有鸡还是先有
蛋"的问题了，此时密钥的传输再用对称加密就行不通。

方案2—只使非对称加密

    鉴于非对称加密的机制，如果服务器先把公钥以明文方式传输给浏览器，之后浏览器向服务器传数据前都先用这个公钥加密好再传，从客户端到服务器信道似乎是安全的，因为只有服务器有相应的私钥能解开公钥加密的数据。但是服务器到浏览器的这条路怎么保障安全？如果服务器用它的私钥加密数据传给浏览器，那么浏览器用公钥可以解密它，而这个公钥是一开始通过明文传输给浏览器的，若这个公钥被中间人劫持到了，那他也能用该公钥解密服务器传来的信息了。所以这种方案也行不通。

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方案3—双方都是用非对称加密

    服务端拥有公钥S与对应的私钥S’，客户端拥有公钥C与对应的私钥C’，客户端和服务端交换公钥。客户端给服务端发信息时，先用S对数据加密，再发送，只能由服务器解密，因为只有服务器有私钥S’；服务端给客户端发信息：先用C对数据加密，在发送，只能由客户端解密，因为只有客户端有私钥C’。但是这样的做法效率太低并且依然具有安全问题。

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方案4—非对称加密+对称加密

    服务端具有非对称公钥S和私钥S’，客户端发起https请求，获取服务端公钥S，客户端在本地生成对称密钥C，通过公钥S加密发送给服务器。由于中间的网络设备没有私钥，即使截获了数据，也无法还原出内部的原文，也就无法获取到对称密钥，服务器通过私钥S’解密，还原出客户端发送的对称密钥C，并且使用这个对称密钥加密给客户端返回的响应数据。后续客户端和服务器的通信都只用对称加密即可，由于该密钥只有客户端和服务器两个主机知道，其他主机/设备不知道密钥即使截获数据也没有意义。由于对称加密的效率比非对称加密高很多，因此只是在开始阶段协商密钥的时候使用非对称加密，后续的传输仍然使用对称加密。

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中间人攻击

    方案2、3、4都存在一个问题，如果最开始的时候，中间人就开始攻击了呢？中间人攻击（Man-in-the-MiddleAttack），简称“MITM攻击”。在方案2/3/4中，客户端获取到公钥S之后，对客户端形成的对称秘钥X用服务端给客户端的公钥
S进行加密，中间人即使窃取到了数据，此时中间⼈确实无法解出客户端形成的密钥X，因为只有服务器有私钥S’。但是中间⼈的攻击，如果在最开始握手协商的时候就精选了，那就不⼀定了。
   服务器具有非对称加密算法的公钥S，私钥S’，中间人具有非对称加密算法的公钥M，私钥M’，客户端向服务器发起请求，服务器明文传送公钥S给客户端。中间人劫持数据报文，提取公钥S并保存好，然后将被劫持报文中的公钥S替换成为自己的公钥M，并将伪造报文发给客户端，客户端收到报文，提取公钥M(不知道公钥被更换过了)，形成对称秘钥X，用公钥M加密X，形成报文发送给服务器。中间⼈劫持后，直接用自己的私钥M’进⾏解密，得到通信秘钥X，再用曾经保存的服务端公钥S加密后，将报文推送给服务器，服务器拿到报文，用自己的私钥S’解密，得到通信秘钥X。双方开始采以用X进行对称加密通信。但是⼀切都在中间人的掌握中，劫持数据，进行窃听甚至修改，都是可以的。问题本质出在哪里了呢？客户端无法确定收到的含有公钥的数据报文，就是目标服务器发送过来的！

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证书

   为了解决上面的问题，客户端需要对服务器的合法性进行认证。服务端在使用HTTPS前，需要向CA机构申领⼀份数字证书，数字证书里含有证书申请者信息、公钥信息等。服务器把证书传输给浏览器，浏览器从证书里获取公钥即可了，证书就如身份证，证明服务端公钥的权威性。这个证书可以理解成是⼀个结构化的字符串，里面包含了以下信息：证书发布机构、证书有效期、公钥、证书所有者、签名等。需要注意的是，申请证书的时候，需要在特定平台检查，会同时生成⼀对密钥对，即公钥和私钥。这对密钥对就是用来在网络通信中进行明文加密以及数字签名的，其中公钥会发给CA进行权威认证，私钥服务端自己保留，用来后续进行通信。

   当服务端申请CA证书的时候，CA机构会对该服务端进行审核，并专门为该网站形成数字签名。CA机构拥有非对称加密的私钥A和公钥A’，CA机构对服务端申请的证书明文数据进行hash，形成数据摘要，然后对数据摘要用CA私钥A’加密，得到数字签名S，服务端申请的证书明文和数字签名S共同组成了数字证书，这样一份数字证书就可以颁发给服务端了。

方案5—非对称加密+对称加密+证书认证

   当客户端获取到这个证书之后，会对证书进行校验，以防止证书是伪造的。判定证书的有效期是否过期，判定证书的发布机构是否受信任(操作系统中已内置的受信任的证书发布机构)，验证证书是否被篡改:从系统中拿到该证书发布机构的公钥，对签名解密，得到⼀个hash值(称为数据摘要)设为hash1，然后计算整个证书的hash值，设为hash2，对比hash1和hash2是否相等。如果相等，则说明证书是没有被篡改过的。

中间人有没有可能篡改该证书？

   中间人篡改了证书的明文，由于他没有CA机构的私钥，所以无法hash之后用私钥加密形成签名，那么也就没法办法对篡改后的证书形成匹配的签名，如果强行篡改，客户端收到该证书后会发现明文和签名解密后的值不⼀致，则说明证书已被篡改，证书不可信，从而终止向服务器传输信息，防止信息泄露给中间人。

中间人整个掉包证书？

   中间人没有CA私钥，所以无法制作假的证书，中间⼈只能向CA申请真证书，然后用自己申请的证书进行掉包，这个确实能做到证书的整体掉包，但是别忘记，证书明文中包含了域名等服务端认证信息，如果整体掉包，客⼾端依旧能够识别出来。所以，中间人没有CA私钥，所以对任何证书都无法法进合法修改，包括自己的证书。

为什么签名不直接加密，⽽是要先hash形成摘要?
   缩小签名密文的长度，并且加快数字签名的验证签名的运算速度。