HTTPS介绍 --- 超详细保姆级知识讲解

一. 认识HTTPS

二. 使用HTTPS加密的重要性

三. HTTPS的工作流程

四. 常见的加密方式

4.1 对称加密

4.2 非对称加密

五. 数据摘要 && 数据指纹

5.1 数据摘要

5.2 数据签名

六. HTTPS加密过程探究

6.1 方案一：只使用对称加密

6.2 方案二：只使用非对称加密

6.3 方案三：双方都使用非对称加密

6.4 方案四：非对称加密 + 对称加密

七. 引入证书

7.1 CA证书

7.2 理解数据签名

7.3 方案五：非对称加密 + 对称加密 + 证书认证

八. 四连问

8.1 那中间人有没有可能暗自篡改这个证书呢？

8.2 那中间人整个掉包证书呢？

8.3 为什么摘要内容在网络传输的时候一定要加密形成签名?

8.4 为什么签名不直接加密，而是要先 hash 形成摘要?

九. 总结

随着互联网的快速发展，网络安全问题日益凸显。在互联网上传输敏感信息、进行在线交易和共享个人数据时，确保数据的安全性和隐私保护成为了至关重要的任务。为了解决这些问题，HTTPS（超文本传输安全协议）应运而生，成为了保护网络通信的重要一环。

一. 认识HTTPS

点击了解HTTP协议

HTTPS全称为 Hyper Text Tranfer Protocol over SecureSocket Layer，HTTPS协议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。

传统的HTTP协议，数据是以明文的形式在网络上传输，意味着一些重要信息（如账户信息、支付信息）可能会被有心人攻击造成泄露。而为了解决这个问题，HTTPS通过使用安全套接字层（SSL，Secure Sockets Layer）或传输层安全（TSL，Transport Layer Security）协议对HTTP进行加密，从而在数据传输过程中提供加密和认证保护。

HTTP与HTTPS虽然名字上相差不大，但事实上是两种不同的协议。一般来说，HTTP协议使用的端口号是88，HTTPS协议使用的端口号是443。

概念准备：

明文：要传输的原始的消息
密文：通过加密将明文变换之后的内容
加密：把明文进行一些列变换，生成密文
解密：把密文进行一系列变换，还原成明文
密钥：在加密和解密的过程中，需要一个或者多个中间数据，辅助进行这些过程，这样的数据称为密钥

举个栗子：

83 版《⽕烧圆明园>> , 有人要谋反干掉慈禧太后. 恭亲王奕䜣给慈禧递的折子. 折子内容只是扯一扯家常, 套上一张挖了洞的纸就能看到真实要表达的意思.

明文: "当心肃顺, 端华, 戴恒" (这几个人都是当时的权臣, 后来被慈禧一锅端).

密文: 奏折全文密钥: 挖了洞的纸.

现如今，解密加密已经发展的越来越多样化，广泛用于军事、通信安全等等领域。

二. 使用HTTPS加密的重要性

就好比两个人传纸条，纸条需要经过中间人。如果不对数据进行加密，那么中间人也可以打开纸条看到数据了，甚至对数据进行篡改。我们对数据进行加密，本质上就是防止有个中间人看到或者修改我们的数据内容。

以臭名昭著的运营商劫持事件为例：

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。

我想去下载千千动听软件，结果响应数据通过运营商之后，它将这个响应换成了下载QQ浏览器。这种行为就叫做运营商劫持。

那为什么运营商要劫持信息呢？

首先就是被金钱蒙蔽了双眼。

其实不只是运营商，有的黑客也可以劫持你的信息。试想一下，你的安全信息、支付信息等等，在网络请求中被黑客掌握，就有资金流失的风险。

如何保证数据不被窃取? 我们无法阻止黑客入侵路由器，但是可以想办法对数据进行加密，即使被窃取，他也不知道是什么意思。

三. HTTPS的工作流程

客户端发起连接请求：客户端（通常是浏览器）向服务器发送一个安全连接请求，使用HTTPS的URL或点击HTTPS链接触发。
服务器证书发送：服务器收到请求后，将自己的数字证书发送给客户端。证书中包含了服务器的公钥、数字签名和其他相关信息。
客户端验证证书：浏览器接收到服务器证书后，会进行一系列的验证步骤，包括验证证书是否由受信任的证书颁发机构签发，以及证书中的域名是否与目标服务器的域名相匹配。如果验证通过，客户端可以确定所连接的服务器是可信的。
密钥协商：一旦服务器证书被验证通过，客户端会生成一个随机的对称密钥，用于后续的数据加密和解密。该对称密钥通过服务器证书中的公钥进行加密，并发送给服务器。
通信加密：服务器使用其私钥解密客户端发送的对称密钥，并与客户端之间建立起一个加密的安全通道。从此之后，客户端和服务器之间的数据传输都会在此加密通道中进行，保证数据的机密性。
安全数据传输：在建立了安全通道后，客户端和服务器可以安全地传输数据了。数据在发送前，会使用对称密钥对数据进行加密，然后在接收端使用相同的对称密钥解密。
完整性检查：为了确保数据在传输过程中没有被篡改，HTTPS使用消息摘要函数进行完整性检查。接收方会对接收到的数据进行校验，并比对校验结果与发送方计算的结果是否相同。

通过上述流程，HTTPS保证了在传输过程中的数据加密、身份认证和完整性保护，提供了更安全可靠的网络通信。这使得敏感信息的传输、交易和共享在更加安全的环境下进行。

也就是说：我们介绍HTTPS，更多是在介绍后面这个S，也就是对HTTP的加密方式。

再介绍HTTPS的加密方式之前，我们先来学习两个最基础的加密方式：对称加密和非对称加密。

四. 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。
常见对称加密算法(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。

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(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。

非对称加密过程可以描述为：

• 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

或

• 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。

所以要注意的是：公钥不怕泄露，私钥不能泄露。

五. 数据摘要 && 数据指纹

5.1 数据摘要

数据摘要（又被称为数据指纹），其基本原理是利用单向散列函数（Hash函数）对数据进行运算，生成一串固定长度的数字摘要（散列值）。

摘要的特征：数字摘要并不是一种加密机制，数据摘要具有不可逆性，即无法从摘要推导出原始数据。
摘要的应用：数据摘要用于验证数据的完整性，确保数据在传输或存储过程中没有被修改。
摘要的常见算法：有MD5、SHA1、SHA256、SHA512等。

Hash算法详情见：深度剖析哈希

5.2 数据签名

数据签名是在数据摘要的基础上添加了非对称的加密操作，用于验证数据的完整性和真实性。
数据签名包含了数据摘要、公钥密码学算法和数字证书等技术。发送者使用私钥对摘要进行加密，形成签名，接收者使用发送者的公钥对签名进行解密和验证。
数据签名不仅验证数据的完整性，还验证发送者的身份，确保数据的真实性和不可否认性。

后续会细讲。

六. HTTPS加密过程探究

6.1 方案一：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户端提供服务的。这么多客户端, 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户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, 就是能在客户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。

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。

6.2 方案二：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，从客户端到服务器信道似乎是安全的。

但其实是有安全问题的，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。

6.3 方案三：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'，客户端拥有公钥 C 与对应的私钥 C'。然后客户和服务端交换公钥。

客户端给服务端发信息：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'
服务端给客户端发信息：先用 C 对数据加密，在发送，只能由客户端解密，因为只有客户端有私钥 C'

这样貌似可以满足，但是：

• 效率太低

• 依旧有安全问题

6.4 方案四：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'。

• 客户端发起 https 请求，获取服务端公钥 S。

• 客户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。

• 服务器通过私钥 S'解密, 还原出客户端发送的对称密钥 C。并且使用这个对称密钥加密给客户端返回的响应数据。

• 后续客户端和服务器的通信都只用对称加密即可。由于该密钥只有客户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？

如果在最开始客户端在传输公钥 S 的时候，中间人将公钥换成了其他的公钥呢？

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. 客户端向服务器发起请求，服务器明文传送公钥 S 给客户端。

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户端。

5. 客户端收到报文，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？其实就是客户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！

七. 引入证书

7.1 CA证书

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。

申请基本流程：

基本理解：

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，会同时生成一对密钥对，即公钥和私钥。这对密钥对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）

7.2 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。

前面讲过，数据摘要是通过哈希算法形成的散列值，而数据签名就是将数据摘要通过私钥加密，这样就形成了数据签名。

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

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

客户端拿到服务端的CA整数之后，会将数据和数据签名分开。将数据进行哈希散列形成一个哈希值。再将数据签名使用CA机构的公钥进行解密，也得到一个哈希值。将这两个哈希值进行比较，如果相同，则说明证书是正确的。

7.3 方案五：非对称加密 + 对称加密 + 证书认证

在客户端和服务器刚一建⽴连接的时候, 服务器给客户端返回一个证书，证书包含了之前服务端的公钥, 也包含了网站的身份信息。

这样客户端进行认证的时候，会获取这个证书，对证书进行校验：

• 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。

在浏览器右上方三个点处点击设置，搜索证书管理，即可看到以下界面：

八. 四连问

8.1 那中间人有没有可能暗自篡改这个证书呢？

• 中间人如果篡改了证书的明文，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，那么也就没法对篡改后的证书形成匹配的签名。

• 如果强行篡改，客户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

8.2 那中间人整个掉包证书呢？

• 因为中间人没有 CA 私钥，因此无法生成与CA签名相同的加密哈希值。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，客户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。

8.3 为什么摘要内容在网络传输的时候一定要加密形成签名?

首先我们需要理解判定证书被篡改的过程：

这就好比判断身份证是不是真的。

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),

结果为 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。结果为：BDBD6F9CF51F2FD8

然后我们可以把这个字符串 hello 和哈希值 BC4B2A76B9719D91 从服务器返回给客户端, 此时客户端如何验证 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。

但是还有个问题，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, 客户端就分辨不出来了呀。

所以这就是为什么被传输的哈希值不能传输明文, 需要传输密文的原因，即摘要内容在传输的时候要加密形成签名的原因。

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，当客户端请求的时候，就发送给客户端，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，客户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。

8.4 为什么签名不直接加密，而是要先 hash 形成摘要?

这是因为，可能有的签名是很长的，直接加密会造成不必要的损失。而先 hash 可以缩小签名密文的长度,加快数字签名的验证签名的运算速度。

九. 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), 客户端持有公钥(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)。服务器在客户端请求时，返回携带签名的证书。客户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。客户端用收到的 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): 客户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。