【网络】HTTPS协议
目录
一、概念
1、HTTPS
2、加密解密
3、加密的必要性
4、常见的加密方式
4.1、对称加密
4.2、非对称加密
5、数据摘要 && 数据指纹
6、数字签名
二、HTTPS的工作过程
1、只使用对称加密
2、只使用非对称加密
3、双方都使用非对称加密
4、非对称加密 + 对称加密
5、中间人攻击
6、证书
6.1、CA认证
6.2、理解数据签名
7、非对称加密 + 对称加密 + 证书认证
三、证书可靠性解释
1、中间人有没有可能篡改证书
2、中间人掉包整个证书
四、补充内容
1、为什么摘要内容在网络传输的时候一定要加密形成签名
2、为什么签名不直接加密，⽽是要先hash形成摘要
3、常见的摘要算法
4、完整流程
五、总结
一、概念
1、HTTPS
HTTPS也是⼀个应⽤层协议，是在HTTP协议的基础上引⼊了⼀个加密层。直接使用HTTP协议进行传输，可能会被第三方抓取数据，并直接读取正文中的明文信息。
而使用HTTPS协议发送数据，会在应用层先把数据传递给SSL/TLS，进行加密操作，完成后才继续向下传递给传输层。接收数据时也同样，传输层要先把数据传递给SSL/TLS，解密完成后再传递到应用层。
HTTPS的端口号是443。
2、加密解密
加密：把 明⽂（要传输的信息）进⾏⼀系列变换，⽣成 密⽂。
解密：把 密⽂ 再进⾏⼀系列变换，还原成 明⽂。
在这个加密和解密的过程中，往往需要⼀个或者多个中间的数据，辅助进⾏这个过程，这样的数据称为 密钥 。
3、加密的必要性
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。
4、常见的加密方式
4.1、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。
- 常⻅对称加密算法：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。
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。
4.2、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）。
- 常见非对称加密算法：RSA，DSA，ECDSA
- 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。
5、数据摘要 && 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，⽣成⼀串固定⻓度的数字摘要。数字指纹并不是⼀种加密机制，但可以⽤来判断数据有没有被窜改。
- 摘要常⻅算法：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（两个不同的信息，算出的摘要相同，但是概率⾮常低）
- 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。
6、数字签名
摘要经过加密，就得到数字签名。
二、HTTPS的工作过程
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了，⽽是加密之后的"密文"。加密的⽅式有很多，但是整体可以分成两⼤类：对称加密 和 非对称加密。
1、只使用对称加密
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什么，因此就⽆法进⾏解密，也就不知道请求的真实内容是什么了。
但事情没这么简单，服务器同⼀时刻其实是给很多客⼾端提供服务的。这么多客⼾端，每个⼈⽤的秘钥都必须是不同的(如果是相同那密钥就太容易扩散了，⿊客就也能拿到了)。因此服务器就需要维护每个客⼾端和每个密钥之间的关联关系，这也是个很⿇烦的事情。
⽐较理想的做法，就是能在客⼾端和服务器建⽴连接的时候，双⽅协商确定这次的密钥是什么。
但是如果直接把密钥明⽂传输，那么⿊客也就能获得密钥了。此时后续的加密操作就形同虚设了。
所以只使用对称加密的方式是不可以的。
2、只使用非对称加密
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，从客⼾端到服务器信道似乎是安全的(有安全问题)，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。
所以只使用非对称加密的方式是不可以的。
3、双方都使用非对称加密
- 服务端拥有公钥S与对应的私钥S'，客⼾端拥有公钥C与对应的私钥C'。
- 客⼾和服务端交换公钥
- 客⼾端给服务端发信息：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'。
- 服务端给客⼾端发信息：先⽤C对数据加密，在发送，只能由客⼾端解密，因为只有客⼾端有私钥C'。
这种方式看似可行，但是效率太低了，而且这种方式仍然有安全问题。
4、非对称加密 + 对称加密
先解决效率问题：
- 服务端具有⾮对称公钥S和私钥S'。
- 客⼾端发起https请求，获取服务端公钥S。
- 客⼾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(真的吗？)。
- 服务器通过私钥S'解密，还原出客⼾端发送的对称密钥C。并且使⽤这个对称密钥加密给客⼾端返回的响应数据。
- 后续客⼾端和服务器的通信都只⽤对称加密即可。由于该密钥只有客⼾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。
看似方案4已经很完善了，但是仍然有安全问题。
5、中间人攻击
Man-in-the-MiddleAttack，简称 “MITM攻击” 。
确实，在⽅案4中，客⼾端获取到公钥S之后，对客⼾端形成的对称秘钥X⽤服务端给客⼾端的公钥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⼾端形成的密钥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进⾏了，那就不⼀定了，假设hacker已经成功成为中间⼈。
- 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'。
- 客⼾端向服务器发起请求，服务器明⽂传送公钥S给客⼾端。
- 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⼾端。
- 客⼾端收到报⽂，提取公钥M(⾃⼰当然不知道公钥被更换过了)，⾃⼰形成对称秘钥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。
- 双⽅开始采⽤X进⾏对称加密，进⾏通信。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。
问题本质在于客⼾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。
6、证书
6.1、CA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就⾏了，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
- ......
需要注意的是：申请证书的时候，需要在特定平台⽣成查，会同时⽣成⼀对⼉密钥对⼉，即公钥和私钥。这对密钥对⼉就是⽤来在⽹络通信中进⾏明⽂加密以及数字签名的。
其中公钥会随着CSR⽂件，⼀起发给CA进⾏权威认证，私钥服务端⾃⼰保留，⽤来后续进⾏通信（其实主要就是⽤来交换对称秘钥）。
可以使⽤在线⽣成CSR和私钥：https://myssl.com/csr_create.html。
形成CSR之后，后续就是向CA进⾏申请认证，不过⼀般认证过程很繁琐，⽹络各种提供证书申请的服务商，⼀般真的需要，直接找平台解决就⾏。
6.2、理解数据签名
签名的形成是基于非对称加密算法的，注意，目前暂时和https没有关系，不要和https中的公钥私钥搞混了。
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，并专⻔为该⽹站形成数字签名，过程如下：
- 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。
细节说明：
- 只能用CA的私钥形成签名，CA私钥只有CA自己知道。所以只有CA能够完成签名的过程。
- 因为CA是权威机构，为了保证合法性，一般OS和浏览器内部，在出厂下载的时候，就已经内置了CA的公钥。
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。
7、非对称加密 + 对称加密 + 证书认证
在客⼾端和服务器刚⼀建⽴连接的时候，服务器给客⼾端返回⼀个证书，证书包含了之前服务端的公钥，也包含了⽹站的⾝份信息。
客⼾端进⾏认证：
当客⼾端获取到这个证书之后，会对证书进⾏校验(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。
三、证书可靠性解释
1、中间人有没有可能篡改证书
- 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，客⼾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。
2、中间人掉包整个证书
- 因为中间⼈没有CA私钥，所以⽆法制作假的证书。
- 所以中间⼈只能向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。
- 永远记住：中间⼈没有CA私钥，所以对任何证书都⽆法进⾏合法修改，包括⾃⼰的
四、补充内容
1、为什么摘要内容在网络传输的时候一定要加密形成签名
因为如果不加密，就意味着CA放弃使用私钥，那么证书就可以被中间人修改了。
2、为什么签名不直接加密，⽽是要先hash形成摘要
为了缩⼩签名密⽂的⻓度，加快数字签名的验证签名的运算速度。
3、常见的摘要算法
常⻅的摘要算法有：MD5 和 SHA 系列。
以 MD5 为例，我们不需要研究具体的计算签名的过程，只需要了解 MD5 的特点：
- 定⻓：⽆论多⻓的字符串，计算出来的 MD5 值都是固定⻓度 (16字节版本或者32字节版本)。
- 分散：源字符串只要改变⼀点点，最终得到的 MD5 值都会差别很⼤。
- 不可逆：通过源字符串⽣成 MD5 很容易，但是通过 MD5 还原成原串理论上是不可能的。
4、完整流程
左侧都是客⼾端做的事情，右侧都是服务器做的事情：
五、总结
HTTPS ⼯作过程中涉及到的密钥有三组：
- 第⼀组(⾮对称加密)：⽤于校验证书是否被篡改。服务器持有私钥(私钥在形成CSR⽂件与申请证书时获得)，客⼾端持有公钥(操作系统包含了可信任的 CA 认证机构有哪些，同时持有对应的公钥)。服务器在客⼾端请求是，返回携带签名的证书。客⼾端通过这个公钥进⾏证书验证，保证证书的合法性，进⼀步保证证书中携带的服务端公钥权威性。
- 第⼆组(⾮对称加密)：⽤于协商⽣成对称加密的密钥。客⼾端⽤收到的CA证书中的公钥(是可被信任的)给随机⽣成的对称加密的密钥加密，传输给服务器，服务器通过私钥解密获取到对称加密密钥。
- 第三组(对称加密)：客⼾端和服务器后续传输的数据都通过这个对称密钥加密解密。