文章目录

• 前言
• 一、概念
• • 1.什么是"加密"?
  • 2.为什么要"加密"呢?
• 二、常见的加密方式
• • 对称加密
  • 非对称加密
• 三、数据摘要 && 数据指针
• 四、数据签名
• 五、HTTPS的工作探究
• • 方案1 - 只使用对称加密
  • 方案2 - 只使用非对称加密
  • 方案3 - 双方都是用非对称加密
  • 方案4 - 非对称加密 + 对称加密
  • 中间人攻击 - 针对上面的场景
• 六、引入证书
• • • CA认证
  • 理解数字签名
  • 方案5 - 非对称加密 + 对称加密 + 证书认证
  • • 客户端进行认证
    • 查看浏览器的受信任证书发布机构
    • 中间人有没有可能篡改证书?
    • 中间人整个调包证书?
• 七、常见问题
• • 为什么摘要内容在网络传输的时候一定要加密形成签名?
• 完成流程
• 总结

前言

上一篇文章我们了解了http协议的内容,这一篇文章我来讲解HTTPS协议.

那么HTTPS是什么呢?

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当时明文传输的,这就导致在传输过程中出现了一些被篡改的情况.

正文开始!

一、概念

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 在进行一系列变换,还原成 明文.

在这个加密和解密的过程中,往往需要一个或者多个中间的数据,辅助进行这个过程,这样的数据称为 密钥 (正确发音 yue 四声,不过大家平时都读做 yao 四声).

所有的加密,都是为了防止中间有人进行窃取和篡改!

2.为什么要"加密"呢?

有序我们通过网络传输的任何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.

其他的 黑客 也可以去窃取用户的隐私信息或者 篡改内容.

试想一下,如果黑客在用户登陆支付宝的时候获取到用户账户余额,甚至获取到用户的支付密码…

所以在互联网上,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,进一步的来保证用户的信息安全~

二、常见的加密方式

对称加密

• 采用单钥密码系统的加密方式,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,也成为了单密钥加密,特征:加密和解密所用的密钥是相同的.
• 常见的对称加密算法(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=2002,密钥key = 100
则加密 a^key得到的密文 b 为 1974.
然后针对密文 1974 再次进行运算 b^key,得到的就是原来的明文2002.
(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的.

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)和私有秘钥(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,而是的加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

• 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只是.这里我简单举一个例子说明:
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,你把文件放房子里面用锁锁上,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.

三、数据摘要 && 数据指针

• 数据指纹(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,生成一串固定成都的数字摘要.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篡改.
• 摘要的常见算法: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.

四、数据签名

• 摘要经过加密，就得到数字签名（后⾯细说）

五、HTTPS的工作探究

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,但是整体可以分为两大类: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一个密钥X,且没有人知道,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什么,因此就无法进行解密,也就不知道请求的真实内容是什么了.

但事情并没有这么简单.服务器同一时刻其实是给很多客户端提供服务的.这么多的哭护短,每个人用的密钥都必须是不同的(如果是相同的话,那么秘钥就太容易扩散了,黑客也就能拿到了).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联系,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什么~

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也就形同虚设了.

因此密钥的传输也必须进行加密传输!

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".此时密钥的传输再使用对称加密就行不通了!

方案2 - 只使用非对称加密

由于非对称加密的机制,如果服务器先把公钥以明文的方式传输给浏览器,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**(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这条路怎么保证安全呢?

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 - 双方都是用非对称加密

1. 服务端拥有公钥S与对应的私钥S’,客户端拥有公钥C和对应的私钥C’.
2. 客户端和服务端交换公钥
3. 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’
4. 服务端给客户端发信息:先用C对数据加密,再发送,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

• 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**(真的吗?)**
• 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的数据.
• 后续客户端和服务端的通讯只需要对称加密即可.由于该密钥只有客户端和服务端两个主机知道,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.

虽然上面的方案已经接近答案了,但仍然还有安全问题.

方案2,3,4都存在一个问题,如果最开始,中间人就已经开始攻击了呢?

如下图所示:

中间人攻击 - 针对上面的场景

• Man-in-the-MiddleAttack,简称"MIT攻击"

在方案2,3,4中,客户端获取到获取到公钥S之后,对客户端形成的对称密钥X用服务端给客户端的公钥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户端形成的密钥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.

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替换称为自己的公钥M,并将伪造报文发送给客户端
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),自己形成对称密钥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,得到通信密钥X,再用曾经保存的服务器公钥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,得到通信密钥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之中,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?

客户端无法确定收到的含有公钥的数据报文,是目标服务器发送过来的!

六、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,数字证书里面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可以了,证书就如同身份证,证明服务端的公钥的权威性

这个证书可以理解成是一个结构化的字符串,里面包含了一下信息:

• 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,需要在特定的平台生成,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,一起发送给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密钥)

形成CSR之后，后续就是向CA进⾏申请认证，不过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

理解数字签名

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中的公钥和私钥搞混了!

给数据文档进行数据签名的意义:防止内容被篡改

当服务端申请CA证书的时候,CA机构会对该服务器进行审核,并专门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公钥A和私钥A’
2. CA机构对服务端申请的整数明文数据进行hash,形成数据摘要
3. 然后对数据摘要用CA私钥A’进行加密,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.

方案5 - 非对称加密 + 对称加密 + 证书认证

在客户端和服务器刚已建立连接的时候,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.

客户端进行认证

当客户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**(操作系统已经内置受信任的证书发布机构)**
• 验证证书是否被篡改:从系统中拿到改正数发布机构的公钥,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,则证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

我这里是星愿浏览器

中间人有没有可能篡改证书?

• 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,那么也就没办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,这说明证书已被篡改,证书不可信,从而向服务器传输信息,防止信息泄露给中间人

中间人整个调包证书?

• 因为中间人没有CA私钥,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.

七、常见问题

为什么摘要内容在网络传输的时候一定要加密形成签名?

常见的摘要算法有: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:

• 定长:无论多长的字符串,计算出来的MD5值都是固定长度(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的值都会差别很大
• 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)

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.

所以被传输的哈希值不能传输明⽂, 需要传输密⽂.

完成流程

左侧都是客户端做的事情,右侧都是服务器做的事情.

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的权威性.
• 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(是可以被信任的)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):客户端和服务端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.

第二组非对称加密的密钥是为了让客户端把这个对称密钥传给服务端.
第一组非对称加密的密钥是为了让客户端拿到第二组非对称加密的公钥.

总结

(本章完!)