[计算机网络]---Https协议

前言

作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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目录

 一、https协议

1、什么是加密

2、为什么要加密

3、几种加密方式 

二、https加密过程探究 

 1、数据摘要 && 数据指纹 

2、数据签名

3、⽅案 1 - 只使⽤对称加密

4、 ⽅案 2 - 只使⽤⾮对称加密

5、⽅案 3 - 双⽅都使⽤⾮对称加密

6、⽅案 4 - ⾮对称加密 + 对称加密

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7、中间⼈攻击 - 针对上⾯的场景 

 8、CA认证和理解数据签名

9、⽅案 5 - ⾮对称加密 + 对称加密 + 证书认证 

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本期学习：什么是https协议，https协议是怎么进行加密的 

 一、https协议

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. 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

1、什么是加密

• 加密就是把 明⽂ (要传输的信息)进⾏⼀系列变换, ⽣成 密⽂ .
• 解密就是把 密⽂ 再进⾏⼀系列变换, 还原成 明⽂ .

 这里我们要对a进行加密，那么我们就以200为key为密钥，a^key就会得到一个b这里面的内容给被人看就是乱码的，这就进行了加密，在发送到网络中可以保证起安全性，接收方在对密文进行解密就可以得到想要的内容。

2、为什么要加密

我们在网站上下载一个天天动听，当我们下载完成后发现变成了qq浏览器。

这是为什么?

•  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⼾的响应 给篡改成 "QQ浏览器" 的下载地址了.

所以：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

3、几种加密方式 

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 。
• 常⻅对称加密算法(了解)：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.

上面我们进行逆或加密就是对称加密

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）。
• 常⻅⾮对称加密算法(了解)：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。

公钥和私钥是配对的. 最⼤的缺点就是运算速度⾮常慢，⽐对称加密要慢很多. 

.这⾥举⼀个简单的⽣活上的例⼦：

A 要给 B ⼀些重要的⽂件, 但是 B 可能不在. 于是 A 和 B 提前做出约定: 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.

二、https加密过程探究 

在进行网络通信的过程中，我们要解决二个问题，数据被监听，数据被篡改。

上面我们通过加密方式一定程度上可以解决监听问题，但是如果知道我们的数据没有被更改呢？

 1、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。

为什么要数据摘要？

不知道大家在百度网盘上传输过资料吗？百度的服务器是如何做到不重复存放上传的文件呢？

对应一个非常大的文件，我们进行hash算法，就生成一个固定的字符串，我们可以对比百度网盘中是否存放了自己上传的文件，如果有就不在存放，这就节省了不必要的资源损耗。、

2、数据签名

摘要经过加密，就得到数字签名

数字签名是一种用于验证数字信息完整性、真实性和不可否认性的技术手段。它通常用于确保数据在传输或存储过程中不被篡改，并且可以追溯到发送者。

数字签名的过程涉及使用某种加密算法对原始数据进行哈希运算，并使用发送者的私钥对哈希值进行加密，生成数字签名。接收者可以使用发送者的公钥对数字签名进行解密，并对原始数据进行哈希运算，然后将解密后的签名与计算出的哈希值进行比对，以验证数据的完整性和真实性。

数字签名具有以下特性：

1. 完整性： 数字签名可以确保数据在传输或存储过程中没有被篡改。
2. 真实性： 数字签名可以证明数据确实来自于签名者。
3. 不可否认性： 签名者不能否认已签名的数据，因为签名是由其私钥生成的，只有拥有相应私钥的签名者才能生成有效签名。

上面我们知道数据摘要和数据签名。为了探究https协议，下面我们进行不同加密方探索

3、⽅案 1 - 只使⽤对称加密

从理论上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，但是我们很容易理解服务器会有密钥，但是我们怎么把这个密钥给客户端呢？

直接发送就会容易让中间人(黑客)劫持，从而让加密形同虚设。

那我们加密密钥x发送不可以？那客户端如何进行解密呢？不是还需要密钥，这是陷入了是先有鸡还是先有蛋的问题。

所以单纯的用对称加密是不可靠的。

4、 ⽅案 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。

5、⽅案 3 - 双⽅都使⽤⾮对称加密

• 1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'。
• 2. 客⼾和服务端交换公钥。
• 3. 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'。
• 4. 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'。

存在问题：

• 非常慢
• 然后存在安全问题

这里非常慢我可以理解，要进行推送公钥导致效率低下，但是怎么会存在安全问题。

大家可以想如果在C客户端和S服务器间存在一个中间人 ，在C明文推送的时候，进行拦截后将自己的公钥A发送给服务器，这时候服务器是不能判断公钥是否为客户端发送，然后他用公钥A进行加密，中间人不就可以用自己的密钥解密了。所以说是不安全的。

6、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。

 这里先通过对称加密交换公钥，后面通过对称加密进行通信，这样效率就会比方案3高，但是仍会存在中间人攻击的情况

7、中间⼈攻击 - 针对上⾯的场景 

确实，在⽅案2/3/4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

• 1. 服务器具有⾮对称加密算法的公钥S，私钥S'。
• 2. 中间⼈具有⾮对称加密算法的公钥M，私钥M' 。
• 3. 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。
• 4. 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 。
• 5. 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 。6. 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
• 7. 服务器拿到报⽂，⽤⾃⼰的私钥S'解密，得到通信秘钥X 。
• 8. 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 。

上⾯的攻击⽅案，同样适⽤于⽅案2，⽅案3 问题本质出在哪⾥了呢？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！

为了解决中间人攻击的问题，我们引入了证书。

 8、CA认证和理解数据签名

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

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认证流程

 证书书格式

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，会同时⽣成⼀对密钥，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） 。

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：

• 1. CA机构拥有⾮对称加密的私钥A和公钥A'
• 2. 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
• 3. 然后对数据摘要⽤CA私钥A'加密，得到数字签名S

9、⽅案 5 - 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 

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 。

中间⼈整个掉包证书？ 

• 因为中间⼈没有CA私钥，所以⽆法制作假的证书(为什么？)。
• 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。
• 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。