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HTTP 与 HTTPS 的三次握手与四次挥手详解

在互联网的世界中，HTTP（HyperText Transfer Protocol）和 HTTPS（HTTP Secure）是我们常见的两种网络协议。HTTP 是一种用于传输网页数据的协议，而 HTTPS 是在 HTTP 基础上加入了 SSL/TLS 加密层以确保数据安全的协议。两者都基于 TCP/IP 协议，因此在建立和断开连接时，都会经历“三次握手”与“四次挥手”的过程。本文将详细讲解这两种协议的三次握手与四次挥手的过程，并对 HTTPS 中有证书与无证书的情况进行区分。

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我们先看看基本的计算机网络中的TCP连接建立和断开的过程。

一、HTTP 的三次握手与四次挥手

HTTP 基于 TCP 协议，使用 TCP 的三次握手建立连接，使用四次挥手断开连接。由于 HTTP 不涉及加密或证书，因此整个连接流程相对简单，直接使用 TCP 进行通信。

1. HTTP 三次握手

HTTP 的三次握手过程如下：

1. 第一次握手（SYN）：

   • 客户端发送一个 SYN（同步序列编号）包，请求建立连接。
   • 此时，客户端进入 “SYN_SENT” 状态。

2. 第二次握手（SYN + ACK）：

   • 服务器收到 SYN 包后，回复一个 SYN + ACK 包，表示确认收到客户端的请求，并发送了自己的 SYN 请求。
   • 服务器进入 “SYN_RECV” 状态。

3. 第三次握手（ACK）：

   • 客户端收到服务器的 SYN + ACK 包后，再次发送一个 ACK（确认）包给服务器，表示连接建立成功。
   • 此时，客户端和服务器都进入 “ESTABLISHED” 状态，可以进行数据传输。

2. HTTP 四次挥手

HTTP 的四次挥手用于安全地断开 TCP 连接，确保双方的数据传输完毕，并安全释放资源。

1. 第一次挥手（FIN）：

   • 客户端发送一个 FIN（结束）包给服务器，表示自己已经没有数据要发送了，要求断开连接。
   • 发送完 FIN 后，客户端进入 “FIN_WAIT_1” 状态。

2. 第二次挥手（ACK）：

   • 服务器收到 FIN 包后，回复一个 ACK 包给客户端，表示确认收到断开请求，但服务器可能还有数据要传输。
   • 服务器进入 “CLOSE_WAIT” 状态，客户端进入 “FIN_WAIT_2” 状态。

3. 第三次挥手（FIN）：

   • 服务器确认数据传输完毕后，向客户端发送 FIN 包，表示同意断开连接。
   • 服务器进入 “LAST_ACK” 状态。

4. 第四次挥手（ACK）：

   • 客户端收到服务器的 FIN 包后，回复一个 ACK 包给服务器，表示确认断开连接。
   • 客户端进入 “TIME_WAIT” 状态，等待一段时间（通常是 2 倍的最大报文段生存时间），确保服务器收到了 ACK 包后再彻底关闭连接。
   • 服务器收到 ACK 包后进入 “CLOSED” 状态，连接正式关闭。

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二、HTTPS 的三次握手与四次挥手

HTTPS 在 HTTP 的基础上增加了 SSL/TLS 层进行加密通信。HTTPS 不仅仅是 TCP 的三次握手，还涉及 SSL/TLS 握手，用于确定双方使用的加密协议和密钥。因此，我们需要区分有证书和无证书的情况。

1. HTTPS（无证书）的三次握手与 SSL/TLS 握手

在一些特殊情况下（例如本地测试环境中），可能不会使用正式的 SSL/TLS 证书。此时的流程主要依赖于 TCP 三次握手和简单的加密协议协商，证书验证的部分被简化或跳过。

TCP 三次握手：

• 无证书情况下，HTTPS 的 TCP 三次握手步骤与 HTTP 相同，先通过 TCP 连接建立通信。

TLS 握手过程：

• SSL/TLS 握手开始在 TCP 三次握手之后，负责协商加密算法和生成加密密钥。无证书情况下，流程相对简化，跳过证书验证部分。

  1. ClientHello：客户端发送一个 ClientHello 消息，其中包含支持的加密算法和随机数。
  2. ServerHello：服务器响应 ServerHello，确认加密算法，并提供另一随机数。
  3. 密钥生成：双方基于这两个随机数，结合协商的加密算法生成共享密钥，用于后续通信的数据加密。

2. HTTPS（有证书）的三次握手与 SSL/TLS 握手

在正式应用中，HTTPS 通常需要服务器端证书，客户端也可能需要证书。在这种情况下，SSL/TLS 握手会更加复杂，涉及证书的验证过程。

TCP 三次握手：

• HTTPS 有证书情况下，TCP 三次握手的步骤与 HTTP 相同，先建立 TCP 连接。

SSL/TLS 握手过程：

• 连接建立后，SSL/TLS 握手开始，其主要目的是在双方之间建立安全的加密通道，以下是详细步骤：

  1. ClientHello：

     • 客户端发送 ClientHello 消息，包含支持的 TLS 版本、加密算法、一个客户端随机数等。

  2. ServerHello：

     • 服务器收到 ClientHello 后，回复 ServerHello 消息，确认 TLS 版本、加密算法，并提供一个服务器随机数。

  3. 服务器发送证书：

     • 服务器发送其数字证书（通常是 CA 签发的），用于验证其身份。

  4. 客户端验证证书：

     • 客户端验证服务器证书的合法性，确保其是由可信的证书颁发机构（CA）签发的，并且证书没有过期或被篡改。
     • 如果证书验证成功，继续握手流程；如果验证失败，握手失败，连接中断。

  5. 生成预主密钥：

     • 客户端生成一个称为预主密钥的随机数，并使用服务器的公钥加密该随机数，发送给服务器。只有服务器可以使用其私钥解密该密钥。

  6. 双方生成主密钥：

     • 服务器和客户端使用之前生成的随机数和预主密钥，基于协商的加密算法，生成主密钥。该密钥用于对接下来的通信进行加密。

  7. ClientFinished & ServerFinished：

     • 客户端和服务器分别发送 Finished 消息，通知对方握手过程已完成，此时双方可以使用对称加密进行通信。

3. HTTPS 的四次挥手

HTTPS 的四次挥手与 HTTP 的四次挥手基本相同，因为它们都依赖于 TCP 的连接断开机制。唯一的区别在于 HTTPS 在断开连接前，确保所有加密数据都已成功传输且解密完成，之后才进行四次挥手的过程。

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总结

HTTP 的三次握手和四次挥手：

• 直接基于 TCP 进行通信，无加密层。
• TCP 三次握手建立连接，四次挥手断开连接。

HTTPS 的三次握手和四次挥手：

• 增加了 SSL/TLS 握手过程，确保数据的加密传输。
• 有证书情况下，SSL/TLS 握手涉及证书验证和密钥交换过程。
• 无证书情况下，SSL/TLS 握手流程简化，可能跳过证书验证，但仍然需要协商加密协议和密钥。

通过三次握手和四次挥手，HTTP 和 HTTPS 确保了可靠的连接建立与关闭，而 HTTPS 进一步通过 SSL/TLS 协议实现了数据加密和安全性提升。在实际应用中，HTTPS 应用广泛，因为它能够有效保护数据隐私，确保数据的安全传输。理解三次握手和四次挥手的机制，有助于我们更好地把握网络协议的工作原理，为开发和维护网络应用打下坚实的基础。