【Linux网络编程】HTTPS协议原理-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【Linux网络编程】HTTPS协议原理。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

一、HTTPS是什么

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。

二、基本概念

2.1、什么是加密

加密就是把明文（要传输的信息）经过一系列的变换，变成密文进行传输。
解密就是把密文在通过一系列的变换，还原成明文。
在加密解密的过程中，往往需要密钥（我习惯叫yao，实际是yue）的辅助，用算法将原文和密钥进行结合生成密文，在通过算法和密钥对密文解码

2.2、为什么要加密

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。
【Linux网络编程】HTTPS协议原理

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

思考下，为啥运营商要进⾏劫持？

【Linux网络编程】HTTPS协议原理
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，来窃取⽤⼾隐私信息，或者篡改内容！！！

试想⼀下，如果⿊客在⽤⼾登陆⽀付宝的时候获取到⽤⼾账⼾余额，甚⾄获取到⽤⼾的⽀付密码，那太可怕了。

在互联⽹上，明⽂传输是⽐较危险的事情！！！

HTTPS就是在HTTP的基础上进⾏了加密，进⼀步的来保证⽤⼾的信息安全~

三、常见的加密方式

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(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。
一个简单的对称加密，按位异或

假设明⽂a=1234,密钥key=8888则加密a^key得到的密⽂b为9834
然后针对密⽂9834再次进⾏运算b^key，得到的就是原来的明⽂1234，(对于字符串的对称加密也是同理，每⼀个字符都可以表⽰成⼀个数字)
当然,按位异或只是最简单的对称加密，HTTPS中并不是使⽤按位异或。

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。

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，⽐对称加密要慢很多。

• 通过公钥对明⽂加密,变成密⽂
• 通过私钥对密⽂解密,变成明⽂
也可以反着⽤
• 通过私钥对明⽂加密，变成密⽂
• 通过公钥对密⽂解密，变成明⽂

⾮对称加密的数学原理⽐较复杂，涉及到⼀些数论相关的知识，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.

四、数据摘要(指纹)&&数字签名

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

数字签名

摘要经过加密，就得到数字签名（后⾯细说）

五、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

方案（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）

【Linux网络编程】HTTPS协议原理

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是啥了

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~

【Linux网络编程】HTTPS协议原理

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啥~ 【Linux网络编程】HTTPS协议原理

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，
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了.

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？

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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。

方案（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’

这样貌似也⾏啊，但是

效率太低
依旧有安全问题

方案（4）：非对称加密+对称加密

先解决效率问题

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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.

虽然上⾯已经⽐较接近答案了，但是依旧有安全问题
⽅案2，⽅案3，⽅案4都存在⼀个问题，如果最开始，中间⼈就已经开始攻击了呢？

中间人攻击 —针对上面的场景

• Man-in-the-MiddleAttack，简称“MITM攻击”
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

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

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！

这个时候就需要新的解决方案了，下面来引入证书。

六、什么是证书

引入证书

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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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）

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

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

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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

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

七、最终方案

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.

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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.

查看浏览器的受信任证书发布机构

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选择"设置",搜索"证书管理",即可看到以下界⾯.(如果没有，在隐私设置和安全性->安全⾥⾯找找)

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八、问题解答

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

为什么摘要内容在⽹络传输的时候⼀定要加密形成签名?

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.

正因为MD5有这样的特性,我们可以认为如果两个字符串的MD5值相同,则认为这两个字符串相同.
理解判定证书篡改的过程:(这个过程就好⽐判定这个⾝份证是不是伪造的⾝份证)

假设我们的证书只是⼀个简单的字符串hello,对这个字符串计算hash值(⽐如md5),结果是BC4B2A76B9719D91

如果hello中有任意的字符被篡改了,⽐如变成了hella,那么计算的md5值就会变化很⼤.
BDBD6F9CF51F2FD8

然后我们可以把这个字符串hello和哈希值BC4B2A76B9719D91从服务器返回给客⼾端,此时客⼾端如何验证hello是否是被篡改过?

那么就只要计算hello的哈希值,看看是不是BC4B2A76B9719D91即可.

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但是还有个问题,如果⿊客把hello篡改了,同时也把哈希值重新计算下,客⼾端就分辨不出来了呀.

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所以被传输的哈希值不能传输明⽂,需要传输密⽂.

所以，对证书明⽂(这⾥就是“hello”)hash形成散列摘要，然后CA使⽤⾃⼰的私钥加密形成签名，将hello和加密的签名合起来形成CA证书，颁发给服务端，当客⼾端请求的时候，就发送给客⼾端，中间⼈截获了，因为没有CA私钥，就⽆法更改或者整体掉包，就能安全的证明，证书的合法性。

最后，客⼾端通过操作系统⾥已经存的了的证书发布机构的公钥进⾏解密,还原出原始的哈希值,再进⾏校验.

为什么签名不直接加密，⽽是要先hash形成摘要?

缩⼩签名密⽂的⻓度,加快数字签名的验证签名的运算速度

完整流程

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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.

其实⼀切的关键都是围绕这个对称加密的密钥.其他的机制都是辅助这个密钥⼯作的.文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-470589.html