HTTPS浅析

HTTPS和TLS/SSL的关系

HTTP和TLS/SSL的协议组合在一起就是HTTPS，HTTPS=HTTP+TLS/SSL，就是说HTTPS拥有HTTP的所有特征，并且使用TLS/SSL协议进行安全保护。

密码学的四个目标

机密性：传输的数据必须是加密的，通过密钥才能解密
完整性：传输的数据必须是完整的，没有被篡改的
身份验证：发送方和接收方互相确认身份
不可抵赖：例：A向B借钱写了欠条，然后不承认此欠条是自己写的

TLS/SSL协议在网络层协议中的定位

TLS/SSL协议位于应用层协议和TCP之间，构建在TCP之上，由TCP协议保证数据传输的可靠性，任何数据到达TCP之前，都经过TLS/SSL协议的加密

TLS/SSL协议在网络层协议中的定位

TLS/SSL协议背后保证密码学目标的算法

加密算法和HMAC算法：

公开密钥加密算法的缺点就是运算慢，HTTP传输的数据非常大，大部分web中很少使用公开密钥算法加解密。一般采用对称加密算法如：AES、DES。MAC算法使用较多的是HMAC，如HMAC-SHA-1、HMAC-SHA-256

密钥协商算法

在HTTPS中，一般采用RSA或者DH算法协商预备主密钥
1）RSA算法流程如下：
客户端发起请求，服务端发送RSA密钥对公钥给客户端，
客户端随机生成预备主密钥，通过RAS公钥加密发送给服务端，
服务端正确解密预备主密钥
2）DH算法：
客户端发起请求
服务端生成RSA密钥对，发送公钥给客户端
服务端生成DH参数和服务端DH密钥对，用RAS私钥签名DH参数和服务端DH公钥，最后将签名值、DH参数、服务端DH公钥发送给客户端
客户端通过服务端的RSA公钥验证签名，获取到服务端DH参数和服务端DH公钥
客户端通过DH参数生成客户端的DH密钥对，将客户端的DH公钥发送给服务端
客户端通过DH私钥和服务端DH公钥计算出预备主密钥
服务端通过接收到的客户端DH公钥，结合服务端DH私钥计算出预备主密钥

例：
发送方Alice，接收方Bob，双方共享DH参数（p,g），DH参数（p,g）公开
Alice的私钥a（其实a不是数字证书的私钥，叫secret，就是为本次协商密钥产生的）
Bob的私钥b（同理，b也不是数字证书的私钥，也是secret）
Alice和Bob约定使用一个模 p = 23和g = 5（g是23的原根）
Alice选择一个保密的整数 a = 4作为私钥，计算出公钥 A = g^a mod p，将公钥A发送给Bob；
A = 54 mod 23 = 4
Bob选在一个保密的整数 b = 3，计算出公钥 B = g^b mod p，将公钥B发送给Alice；
B = 53 mod 23 = 10
Alice 计算出共享密钥 s = B^a mod p
s = 104 mod 23 = 18
Bob 计算共享密钥 s = A^b mod p
s = 43 mod 23 = 18
Alice和Bob现在就共享一个密钥（s = 18）
A^b mod p = (g^a)b mod p = (g^b)a mod p = B^a mod p
(ga mod p)b mod p = (gb mod p)a mod p（算法证明略）

前向安全性

RSA密钥协商，协商完成后一段时间内密钥是不变的，攻击者可以先保存这些加密信息，以后如果密钥泄密，这段通信密文就会被解密。
DH静态密钥协商类似，只有动态DH密钥协商能够保证前向安全性，因为密钥是每次重新生成的。

中间人攻击

通过RSA或者DH密钥协商算法，服务器需要提供一对密钥，可以使RSA密钥对或者是ECDSA密钥对，看似无懈可击，却存在着致命的问题，那就是中间人攻击。
中间人攻击就是服务端存底给客户端的公钥可能被攻击者替换。

中间人攻击流程图示

PKI

首先明确一点，PKI不是TLS/SSL协议的一部分，但是在HTTPS中，必须有PKI技术才能保证安全，简单来说，PKI技术能够保证客户端接收到的服务端公钥，确实是服务端的公钥，而不是中间人。
PKI技术的核心是证书，证书签发流程如下：

证书签发流程

证书校验

需要先明白的两点：
1、浏览器内置了根证书
2、根证书是绝对信任证书

国家发放身份证，学校发放毕业证，类似根证书直接签发某网站的CA证书，学校委托第三方发放毕业证，类似根证书签发CA机构证书，由CA机构签发某网站的CA证书，根证书只有一个，负责所有CA证书的签发显然不切实际，故CA证书一般都是CA机构签发的，两者场景不同。

根证书直接签发的CA证书，浏览器通过内置的根证书公钥，校验由根证书私钥签发的CA证书即可完成校验。
不是根证书签发的CA证书，证书中附带有证书签发机构链，如上图某网站的CA证书，证书中包含签发CA机构，CA机构再签发二级CA机构，二级CA机构签发某网站的CA证书，校验时，先使用二级CA机构的证书校验此CA证书是由对应的CA机构颁发，再使用上一级CA机构的证书校验二级CA机构证书，以此校验，直到根证书。

证书链信任原理

浏览器内置根证书和中间CA机构证书，若无CA机构证书，或此CA机构不再被信任，则校验失败。

HTTPS总结

HTTPS主要由两层构成，分别是握手层和加密层，握手层位于加密层的上层，握手层提供加密层需要的信息（密钥块），对于一个HTTPS请求来说，HTTP消息没有完成握手之前，是不会传递到加密层的，一旦握手成功，最终应用层的所有HTTP消息交由加密层进行加密。

握手：

1）认证

客户端和服务端进行密钥交换之前，必须通过证书校验各自的身份，否则就存在中间人攻击。认证的核心是PKI技术，PKI技术的核心是证书，证书校验的核心是公开密钥加密算法，此算法的核心是离散对数问题目前无法被破解。

2）密码套件协商

客户端和服务端需要协商出双方都认可的密码套件，密码套件决定了本次连接使用的加密算法、HMAC算法、密钥协商算法等各类算法。

为什么要进行密钥协商

客户端的运营环境是无法预知的，有各种各样的操作系统，操作系统版本，浏览器，浏览器版本，比如某些客户端不支持HMAC-SHA256算法，在这种情况下，客户端和服务端需要协商双方都支持的HMAC算法。

什么是密码套件

一个完整的密码套件举例：
TLS_DH_RSA_WITH_AES_CBC_128_SHA
RSA：身份验证算法，表示证书中包含的服务器公钥是RSA公钥。
DH：表示密钥协商算法。
AES_CBC_128：表示加密算法，用于保证机密性，本例中使用的是AES对称加密算法，加密模式是CBC模式，密钥长度是128位（bit）。
SHA：表示HMAC算法，用于保证消息完整性，本例中是HMAC_SHA1算法。

3）密钥协商

理解密码套件后，密钥协商相对就简单了，密码套件决定客户端和服务端使用何种算法进行密钥协商。
为了保证消息的前向安全性，目前使用最多的密钥协商算法就是DHE算法和ECDHE算法，这两个算法和服务器的密钥对关系不大，，服务器私钥即使泄漏，也不会造成太大的损失。

4）消息完整性校验

为了避免消息篡改，握手过程中需要一种机制避免消息篡改，客户端和服务端协商出密钥块后，代表可以对消息进行机密性和完整性保护了，但首先保护的消息不是应用层消息，而是握手消息。

• 客户端将发送和接收到的所有握手消息组合在一起啊，然后计算出摘要握手层使用密钥块对消息进行机密性和完整性保护，然后发送给服务端
• 服务端接收到验证消息后。使用加密块解密出消息摘要
• 服务端自行计算发送和接收的所有消息的消息摘要，比对客户端的摘要值，比对一致说明握手消息没有被篡改。

加密：

相比于握手层，加密层处理相对就简单了，握手层协商出加密层需要的算法和算法对应的密钥，加密层接下来进行加密运算和完整性保护。

参数资料：

• 《深入浅出HTTPS》
• HTTPS详解：https://segmentfault.com/a/1190000011675421