HTTPS协议的介绍与数据加密和用户认证

简单介绍了HTTPS协议的概念，以及HTTPS如何保证安全，以及它和HTTP协议的区别！

此前我们学习了HTTP协议，在 HTTP 协议中有可能存在信息窃听或身份伪装等安全问题。使用HTTPS 通信机制可以有效地防止这些问题！下面我们来简单的学习HTTPS协议！

1 HTTP 的缺点

HTTP 主要有这些不足，例举如下：

1. 通信使用明文（不加密），内容可能会被窃听；
2. 不验证通信方的身份，因此有可能遭遇伪装；
3. 无法证明报文的完整性，所以有可能已遭篡改；

1.1 通信使用明文可能会被窃听

由于 HTTP 本身不具备加密的功能，所以也无法做到对通信整体（使用 HTTP 协议通信的请求和响应的内容）进行加密。即，HTTP 报文使用明文（指未经过加密的报文）方式发送。

1. TCP/IP 是可能被窃听的网络
   1. 按TCP/IP 协议族的工作机制，通信内容在所有的通信线路上都有可能遭到窥视。
   2. 所谓互联网，是由能连通到全世界的网络组成的。无论世界哪个角落的服务器在和客户端通信时，在此通信线路上的某些网络设备、光缆、计算机等都不可能是个人的私有物，所以不排除某个环节中会遭到恶意窥视行为。
   3. 即使已经过加密处理的通信，也会被窥视到通信内容，这点和未加密的通信是相同的。只是说如果通信经过加密，就有可能让人无法破解报文信息的含义，但加密处理后的报文信息本身还是会被看到的。
   4. 窃听相同段上的通信并非难事。只需要收集在互联网上流动的数据包（帧）就行了。对于收集来的数据包的解析工作，可交给那些抓包（Packet Capture）或嗅探器（Sniffer）工具。
2. 加密处理防止被窃听
   1. 一种方式就是将通信加密。HTTP协议中没有加密机制，但可以通过SSL（安全套接层）或TLS（安全层传输协议）的组合使用加密HTTP的通信内容。用 SSL 建立安全通信线路之后，就可以在这条线路上进行 HTTP 通信了。与 SSL 组合使用的 HTTP 被称为 HTTPS（HTTP Secure，超文本传输安全协议）或 HTTP over SSL。
   2. 还有一种将参与通信的内容本身加密的方式。由于 HTTP 协议中 没有加密机制，那么就对 HTTP 协议传输的内容本身加密。即把 HTTP 报文里所含的内容进行加密处理。 在这种情况下，客户端需要对 HTTP 报文进行加密处理后再发送请求，不过内容仍然有被篡改的风险。

1.2 不验证通信方的身份就可能遭遇伪装

HTTP 协议中的请求和响应不会对通信方进行确认。也就是说存在“服务器是否就是发送请求中 URI 真正指定的主机，返回的响应是否真的返回到实际提出请求的客户端”等类似问题。

1. 任何人都可发起请求
   1. 在 HTTP 协议通信时，由于不存在确认通信方的处理步骤，任何人都可以发起请求。另外，服务器只要接收到请求，不管对方是谁都会返回一个响应（但也仅限于发送端的 IP 地址和端口号没有被 Web 服务器设定限制访问的前提下）！
   2. HTTP 协议的实现本身非常简单，不论是谁发送过来的请求都会返回响应，因此不确认通信方，会存在以下各种隐患：
      1. 无法确定请求发送至目标的 Web 服务器是否是按真实意图返回响应的那台服务器。有可能是已伪装的 Web 服务器。
      2. 无法确定响应返回到的客户端是否是按真实意图接收响应的那个客户端。有可能是已伪装的客户端。
      3. 无法确定正在通信的对方是否具备访问权限。因为某些Web 服务器上保存着重要的信息，只想发给特定用户通信的权限。
      4. 无法判定请求是来自何方、出自谁手。即使是无意义的请求也会照单全收。无法阻止海量请求下的 DoS 攻击（Denial of Service，拒绝服务攻击）。

1. 查明对手的证书
   1. 虽然使用 HTTP 协议无法确定通信方，但如果使用 SSL 则可以。SSL 不仅提供加密处理，而且还使用了一种被称为证书的手段，可用于确定方。
   2. 证书由值得信任的第三方机构颁发，用以证明服务器和客户端是实际存在的。另外，伪造证书从技术角度来说是异常困难的一件事。所以只要能够确认通信方（服务器或客户端）持有的证书，即可判断通信方的真实意图。

通过使用证书，以证明通信方就是意料中的服务器。这对使用者个人来讲，也减少了个人信息泄露的危险性。

另外，客户端持有证书即可完成个人身份的确认，也可用于对Web 网站的认证环节。

1.3 无法证明报文完整性，可能已遭篡改

所谓完整性是指信息的准确度。若无法证明其完整性，通常也就意味着无法判断信息是否准确。

接收到的内容可能有误

由于 HTTP 协议无法证明通信的报文完整性，因此，在请求或响应送出之后直到对方接收之前的这段时间内，即使请求或响应的内容遭到篡改，也没有办法获悉。换句话说，没有任何办法确认，发出的请求 / 响应和接收到的请求 / 响应是前后相同的。

比如，从某个 Web 网站上下载内容，是无法确定客户端下载的文件和服务器上存放的文件是否前后一致的。文件内容在传输途中可能已经被篡改为其他的内容。即使内容真的已改变，作为接收方的客户端也是觉察不到的。像这样，请求或响应在传输途中，遭攻击者拦截并篡改内容的攻击称为中间人攻击（Man-in-the-Middle attack，MITM）。

如何防止篡改

虽然有使用 HTTP 协议确定报文完整性的方法，但事实上并不便捷、可靠。其中常用的是 MD5 和 SHA-1 等散列值校验的方法，以及用来确认文件的数字签名方法。

可惜的是，用这些方法也依然无法百分百保证确认结果正确。因为 PGP 和 MD5 本身被改写的话，用户是没有办法意识到的。为了有效防止这些弊端，有必要使用 HTTPS。SSL 提供认证和加密处理及摘要功能。仅靠 HTTP 确保完整性是非常困难的。

2 HTTPS

2.1 HTTPS的概述

如果在 HTTP 协议通信过程中使用未经加密的明文，比如在 Web 页面中输入信用卡号，如果这条通信线路遭到窃听，那么信用卡号就暴露了。

另外，对于 HTTP 来说，服务器也好，客户端也好，都是没有办法确认通信方的。因为很有可能并不是和原本预想的通信方在实际通信。并且还需要考虑到接收到的报文在通信途中已经遭到篡改这一可能性。

为了统一解决上述这些问题，需要在 HTTP 上再加入加密处理和认证等机制。我们把添加了加密及认证机制的 HTTP 称为 HTTPS（HTTPSecure）。或者说，HTTP 加上加密处理和认证以及完整性保护后即是HTTPS。

2.2 HTTPS 是身披 SSL 外壳的 HTTP

HTTPS 并非是应用层的一种新协议。只是 HTTP 通信接口部分用SSL（Secure Socket Layer）和 TLS（Transport Layer Security）加密协议代替而已。

通常，HTTP 直接和 TCP 通信。当使用 SSL 时，则演变成先和 SSL 通信，再由 SSL 和 TCP 通信了。简言之，所谓 HTTPS，其实就是身披SSL 协议这层外壳的 HTTP。

在采用 SSL 后，HTTP 就拥有了 HTTPS 的加密、证书和完整性保护这些功能。

SSL 是独立于 HTTP 的协议，所以不光是 HTTP 协议，其他运行在应用层的 SMTP 和 Telnet 等协议均可配合 SSL 协议使用。可以说 SSL 是当今世界上应用最为广泛的网络安全技术。

TLS的前身是SSL，TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。在很多场合还是用SSL指代SSL和TLS。

2.3 相互交换密钥的公开密钥加密技术

SSL 采用一种叫做公开密钥加密（Public-key cryptography）的加密处理方式，也称为非对称密钥加密（asymmetric cryptography）。

近代的加密方法中加密算法是公开的，而密钥却是保密的。通过这种方式得以保持加密方法的安全性。加密和解密都会用到密钥。没有密钥就无法对密码解密，反过来说，任何人只要持有密钥就能解密了。如果密钥被攻击者获得，那加密也就失去了意义。

2.3.1 共享密钥加密的困境

加密和解密同用一个密钥的方式称为共享密钥加密（Common key crypto system），也被叫做对称密钥加密（symmetrical encryption）。

以共享密钥方式加密时必须将密钥也发给对方。可究竟怎样才能安全地转交？在互联网上转发密钥时，如果通信被监听那么密钥就可会落入攻击者之手，同时也就失去了加密的意义。另外还得设法安全地保管接收到的密钥。

2.3.2 公开密钥加密

公开密钥加密方式很好地解决了共享密钥加密的困难。

公开密钥加密使用一对非对称的密钥。一把叫做私有密钥（private key），另一把叫做公开密钥（public key）。顾名思义，私有密钥不能让其他任何人知道，而公开密钥则可以随意发布，任何人都可以获得。

使用公开密钥加密方式，发送密文的一方使用对方的公开密钥进行加密处理，对方收到被加密的信息后，再使用自己的私有密钥进行解密。利用这种方式，不需要发送用来解密的私有密钥，也不必担心密钥被攻击者窃听而盗走。

另外，要想根据密文和公开密钥，恢复到信息原文是异常困难的，因为解密过程就是在对离散对数进行求值，这并非轻而易举就能办到。退一步讲，如果能对一个非常大的整数做到快速地因式分解，那么密码破解还是存在希望的。但就目前的技术来看是不太现实的。

2.4 HTTPS 采用混合加密机制

HTTPS 采用共享密钥加密和公开密钥加密两者并用的混合加密机制。若密钥能够实现安全交换，那么有可能会考虑仅使用公开密钥加密来通信。但是公开密钥加密与共享密钥加密相比，其处理速度要慢。

所以应充分利用两者各自的优势，将多种方法组合起来用于通信。在交换密钥环节使用公开密钥加密方式，之后的建立通信交换报文阶段则使用共享密钥加密方式。

2.5 证明数据正常的数字签名

虽然别人不知道私钥是什么，拿不到你原始传输的数据，但是可以拿到加密后的数据，他们可以改掉某部分的数据再发送给服务器，这样服务器拿到的数据就不是完整的了。拿到的数据可能被篡改了，我们可以使用数字签名来解决被数据篡改的问题。

数字签名（digital signature，又称公钥数字签名）是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。它其实也可以看做是非对称加密方法的一种逆用（发送端用私钥加密，接收端用公钥解密，也确保了来源）。具体是这样的：

1. 发送端A对原信息进行hash计算得到hash值h1，称为摘要（digest）
2. 随后用私钥对这个摘要加密，生成的信息就是“数字签名”（signature），只有拥有私钥的用户可以生成签名。
3. 签名和信息一起发给接收端B。
4. B收到消息之后，对这个数字签名使用A的公开的公钥解密，解密成功则代表消息确实来自A，并且会得到发送端的hash值h1，解密失败说明有人冒充。
5. 随后B再对消息正文执行哈希运算得到hash值h2，对比h2和h1，如果两个hash值一致则说明信息主题未被更改，如果不一致就说明被篡改了。

用公钥解密签名这一步称为验证签名，所有用户都可以验证签名（因为公钥是公开的）。一旦签名验证成功，根据公私钥数学上的对应关系，就可以知道该消息是唯一拥有私钥的用户发送的，而不是随便一个用户发送的。

由于私钥是唯一的，因此数字签名可以保证发送者事后不能抵赖对报文的签名。由此，消息的接收者可以通过数字签名，使第三方确信签名人的身份及发出消息的事实。当双方就消息发出与否及其内容出现争论时，数字签名就可成为一个有力的证据。

另外，接收端通过对比解密数字签名得到的hash值和对于消息进行hash计算得到的hash值是否一致，还可以确定消息没有被篡改过！

2.6 证明公钥正确性的数字证书

在公开密钥加密方式中还存在一些问题，那就是无法证明公开密钥本身就是货真价实的公开密钥。比如，正准备和某台服务器建立公开密钥加密方式下的通信时，如何证明收到的公开密钥就是原本预想的那台服务器发行的公开密钥。或许在公开密钥传输途中，真正的公开密钥已经被攻击者替换了。

为了解决上述问题，可以使用由CA数字证书认证机构（CA，Certificate Authority）和其他相关颁发的公开密钥证书（digital certificate）。

数字证书认证机构处于客户端和服务器双方都可信赖的第三方机构的立场上。数字证书认证机构的流程是：

1. 服务器的运营人员向数字证书认证机构提供公开密钥的申请。
2. 数字证书认证机构在判明提出申请者的身份之后，会对已申请的公开密钥做数字签名，然后分配这个已签名的公开密钥，并将该公开密钥放入公钥证书后绑定在一起。
3. 服务器会将这份由数字证书认证机构颁发的公钥证书发送给客户端，以进行公开密钥加密方式通信。公钥证书也可叫做数字证书或直接称为证书。
4. 接到证书的客户端可使用数字证书认证机构的公开密钥，对那张证书上的数字签名进行验证，一旦验证通过，客户端便可明确两件事：一，认证服务器的公开密钥的是真实有效的数字证书认证机构。二，服务器的公开密钥是值得信赖的。
5. 此处认证机关的公开密钥必须安全地转交给客户端。使用通信方式时，如何安全转交是一件很困难的事。因此，多数浏览器开发商发布版本时，会事先在内部植入常用认证机关的公开密钥。

2.7 HTTPS 存在的问题

HTTPS 也存在一些问题，那就是当使用 SSL 时，它的处理速度会变慢。

SSL 的慢是分两种。一种是指通信慢。另一种是指由于大量消耗 CPU 及内存等资源，导致处理速度变慢。

和使用 HTTP 相比，网络负载可能会变慢 2 到 100 倍。除去和 TCP 连接、发送 HTTP 请求/响应外，还必须进行 SSL 通信，因此整体上处理通信量不可避免会增加。

另一点是 SSL 必须进行加密处理。在服务器和客户端都需要进行加密和解密的运算处理。因此从结果上讲，比起 HTTP 会更多地消耗服务器和客户端的硬件资源，导致负载增强。

针对速度变慢这一问题，并没有根本性的解决方案，我们会使用 SSL 加速器这种（专用服务器)硬件来改善该问题。该硬件为 SSL 通信专用硬件，相对软件来讲，能够提高数倍 SSL 的计算速度。仅在 SSL 处理时发挥 SSL 加速器的功效，以分担负载。

2.8 HTTP与HTTPS的区别

1. HTTP 的URL 以http:// 开头，而HTTPS 的URL 以https:// 开头。
2. HTTP 是不安全的，而HTTPS 是安全的。
3. HTTP 标准端口是80 ，而HTTPS 的标准端口是443。
4. 在OSI网络模型中，HTTP工作于应用层，而HTTPS 的SSL安全传输机制工作在应用层和传输层之间。
5. HTTP 无法加密，而 HTTPS 对传输的数据进行加密。
6. HTTP 无需证书，而 HTTPS 需要CA机构颁发的SSL证书。

3 确认访问用户身份的认证

HTTP/1.1使用的用户认证方式如下：

1. BASIC认证（基本认证）
2. DIGEST认证（摘要认证）
3. SSL客户端认证
4. FromeBase（基于表单）

3.1 BASIC 认证

BASIC 认证（基本认证）是从 HTTP/1.0 就定义的认证方式。即便是现在仍有一部分的网站会使用这种认证方式。是 Web 服务器与通信客户端之间进行的认证方式。

BASIC 认证虽然采用 Base64 编码方式，但这不是加密处理。不需要任何附加信息即可对其解码。换言之，由于明文解码后就是用户 ID和密码，在 HTTP 等非加密通信的线路上进行 BASIC 认证的过程中，如果被人窃听，被盗的可能性极高。

另外，除此之外想再进行一次 BASIC 认证时，一般的浏览器却无法实现认证注销操作，这也是问题之一。

BASIC 认证使用上不够便捷灵活，且达不到多数 Web 网站期望的安全性等级，因此它并不常用。

3.2 DIGEST 认证

DIGEST 认证同样使用质询/响应的方式 （challenge/response），但不会像 BASIC 认证那样直接发送明文密 码。所谓质询响应方式是指，一开始一方会先发送认证要求给另一方，接 着使用从另一方那接收到的质询码计算生成响应码。最后将响应码返 回给对方进行认证的方式。

DIGEST 认证的认证步骤如下：

3.3 SSL 客户端认证

从使用用户 ID 和密码的认证方式方面来讲，只要二者的内容正确，即可认证是本人的行为。但如果用户 ID 和密码被盗，就很有可能被第三者冒充。利用 SSL 客户端认证则可以避免该情况的发生。

SSL 客户端认证是借由 HTTPS 的客户端证书完成认证的方式。凭借客户端证书认证，服务器可确认访问是否来自已登录的客户端。

在多数情况下，SSL 客户端认证不会仅依靠证书完成认证，一般会和 基于表单认证（稍后讲解）组合形成一种双因素认证（Two-factor authentication）来使用。所谓双因素认证就是指，认证过程中不仅需 要密码这一个因素，还需要申请认证者提供其他持有信息，从而作为 另一个因素，与其组合使用的认证方式。

换言之，第一个认证因素的 SSL 客户端证书用来认证客户端计算机， 另一个认证因素的密码则用来确定这是用户本人的行为。

通过双因素认证后，就可以确认是用户本人正在使用匹配正确的计算机访问服务器。而客户端证书需要支付一定费用才能使用。

4.4 基于表单认证

基于表单的认证方法并不是在 HTTP 协议中定义的。客户端会向服务器上的 Web 应用程序发送登录信息（Credential），按登录信息的验证结果认证。

根据 Web 应用程序的实际安装，提供的用户界面及认证方式也各不相同。

多数情况下，输入已事先登录的用户 ID（通常是任意字符串或邮件地址）和密码等登录信息后，发送给 Web 应用程序，基于认证结果来决定认证是否成功。

由于使用上的便利性及安全性问题，HTTP 协议标准提供的 BASIC 认证和 DIGEST 认证几乎不怎么使用。另外，SSL 客户端认证虽然具有高度的安全等级，但因为导入及维持费用等问题，还尚未普及。认证多半为基于表单认证。

基于表单认证一般会使用Cookie来管理Session（会话），是通过服务器端的Web应用，将客户端发送过来的用户ID和密码与之前登录过的信息做匹配来进行认证的。使用Cookie来管理Session，以弥补HTTP协议中不存在的状态管理功能。

参考：

《图解HTTP》

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