HTTPS协议的作用和原理

HTTPS协议的作用和原理

简单无加密的传输

网络时代，我们的所有通信都会经过网络进行传输，一个最简单的传输过程为：

A --> B （A对B说，B你好）

A <-- B （B回复A，A你也好啊）

这个简单的传输会途径互联网中的各种硬件设备，传输的过程是难以控制的，传输的内容也很容易在某个环节被窃听和篡改。

假设C是一个怀有恶意的中间人，在现实中，C可能是运行于某个路由器的恶意程序，那么，A发送给B的信息在途径C的路由器时，会被C窃听，也可能被C篡改：

A --> C --> B （A对B说，B你好，在B收到消息前，C先收到消息，将内容篡改为“B你真是个傻瓜”后，再发给B，这样A发送的原文就被篡改了，篡改后的内容，其实并不是A想发送给B的）

为了防止被C窃听和篡改我们的通信，需要引入加密层，也就是我们马上要开始讨论的HTTPS！

HTTPS基础——对称加密和非对称加密

在讨论HTTPS前，必须要了解两种加密算法，AES和RSA。

对称加密AES

对称加密就像是把信息装进一个盒子，然后加上一把锁，这把锁就是密钥，只有知道这把密钥，才能将加密后的内容解密得到原文。对称加密具体算法有很多种，比较常用的是AES，我们用AES来举例。

你好 -- AES加密 --> C4HU/E5dCxuF/hc7sflZWg （我们使用密钥k4ybj对原文“你好”进行了加密）

C4HU/E5dCxuF/hc7sflZWg -- AES解密 --> 你好 （我们使用密钥k4ybj对加密内容进行了解密）

如果没有k4ybj这把密钥的话，C4HU/E5dCxuF/hc7sflZWg这堆加密内容表达的信息我们是不知道的。

非对称加密RSA

非对称加密算法是许多计算机应用的基石，其数学支撑是欧拉定理，具体算法比较复杂，这里只简单介绍这种算法的用法。非对称加密的基本用法为：

1. 基于RSA算法，可生成一个钥匙对，公钥Public和私钥Private，只得到Public或Private中的任意一把，无法算出另外一把
2. 用Private加密的内容，Public可解密
3. 用Public加密的内容，Private可解密

你好 -- Private加密 --> lF9iopuOoG09PgLBl

lF9iopuOoG09PgLBl -- Public解密 --> 你好

你也好啊 -- Public加密 --> 8PixXpUwpPf9XTJ5nhF9tQ

8PixXpUwpPf9XTJ5nhF9tQ -- Private解密 --> 你也好啊

让我们加密传输吧

在了解了AES和RSA后，我们可以将通信的内容进行加密了。

AES加密传输

我们使用AES来通信，一个最简单的请求为：

发送方A： 你好 -- AES加密 --> C4HU/E5dCxuF/hc7sflZWg （使用密钥k4ybj对原文“你好”进行了加密）

接收方B： C4HU/E5dCxuF/hc7sflZWg -- AES解密 --> 你好 （使用密钥k4ybj对加密内容进行了解密）

这下在网络中传输的内容，不再是明文，而是“C4HU/E5dCxuF/hc7sflZWg”这一串加密后的内容，如果C不知道密钥k4ybj的话，我们的传输就安全了（C无法窃听到内容，如果篡改内容，B用密钥k4ybj解密也不对）

这种方式通信的问题就在于，密钥k4ybj如果被C知道了，那么整个传输过程也就不再安全了。在AES加密传输过程建立前，常常先需要告知对方AES密钥，此时的传输是明文的，C在这一步就可能先窃听到了密钥，如果C已得到密钥，那么后续的加密也就不再安全。

HTTPS安全连接一旦建立，其具体的传输过程其实就是如上所说对称加密的，关键点变成了如何将密钥k4ybj保密的发给对方。也就是安全连接的建立。这下轮到RSA登场了。

RSA加密

为了让C无法窃听到AES密钥k4ybj，我们使用RSA算法来加密传输这把很关键的密钥。

首先，A和B都使用RSA算法生成自己的密钥对，共有4把：

• A-Private
• A-Public
• B-Private
• B-Public

Public钥匙都公开，Private自己保管好不对外公布。

加密传输密钥的完整过程如下：

1. A先通知B，希望和B进行安全通信
2. B将B-Public返回给A
3. A用B-Public加密传输A-Public给B
4. B用B-Private解密后得到A-Public
5. B用A-Public加密传输密钥k4ybj给A
6. A用A-Private解密后得到k4ybj
7. 后续双方使用k4ybj将内容对称加密通信

仔细观察整个过程，即使C一直在窃听整个通信过程，由于不知道A-Private，所以C是无法得到密钥k4ybj的。那么，我们的传输就肯定安全了吗？

并不是！下面我们来聊聊中间人的篡改攻击。

中间人的再度攻击

中间人一旦有篡改消息内容的能力，那么在前面所讲加密传输密钥过程的第2步，可恶的中间人就可以将B-Public替换成它自己的C-Public，将C-Public返回给A，而A以为这是B-Public，用其加密后的内容，C可以用C-Private解密获得，此时C再把C-Public给B，此后A和B拿到的都是C-Public，而双方都以为拿到的是对方的Public。与此同时，C由于拿到了A和B的Public，自己能够用C-Private解密A和B用C-Public加密的内容，所以C达成了通信过程的窃听和篡改。（绕晕了吗？）

中间人之所以能够攻击，是因为我们无法得知B返回的B-Public是否确实是B的没有被篡改或替换。在使用许多应用了不对称加密的应用时，例如ssh，第一次建立连接时，会显示一个密钥的指纹，即B-Public的指纹，问我们是否信任该公钥确实是B的B-Public。如果我们回答yes，就表示信任这个就是B的B-Public了。

如何才能保证B-Public正确且没被篡改呢？下一步，我们引入第三方来解决这个中间人的问题。

权威的证书颁发机构CA

CA要达到的目标，是对B的公钥B-Public进行验证，保证B-Public确实是B的公钥。CA通过颁发证书来达成这个目标。

如何证明B-Public确实是B的公钥呢？有点像证明你妈是你妈，然而我们确实是有办法的。

CA自己有一对钥匙，CA-Private和CA-Public。

要证明B自己的B-Public确实是自己的，B首先去CA申请一种叫做证书的东西。这个证书是一段由CA根据特定算法生成的信息，其包含很多东西，其中有：

• CA信息
• B的网址
• CA-Private加密的B-Public
• CA-Private加密的证书Hash（证书的Hash又称作签名）

B拿到CA颁发的证书后，当A希望和B通信时，B不是返回给A自己的B-Public，而是把证书给A。

CA的信息是公开的，由各大浏览器和操作系统维护。A拿到B的证书后，根据证书的CA信息取出对应CA的CA-Public，用CA-Public解密出B-Public和证书Hash（签名），A自己用相同逻辑对证书进行Hash，如果和解密出的证书Hash（签名）一致，代表证书有效，此时用CA-Public解密得到的B-Public得证确实是B的。

中间人如果替换证书呢？假设中间人偷偷替换了B的证书发给A，A用CA-Public解密的时候，是无法通过的，除非C能知道CA-Private。

至此，整个安全传输过程结束了，HTTPS具体的实现和本例并不一样，但基本原理大致如上所述。