第7章 确保 Web 安全的 HTTPS

7.1 HTTP 的缺点

HTTP 主要有这些不足，例举如下。

• 通信使用明文(不加密)，内容可能会被窃听
• 不验证通信方的身份，因此有可能遭遇伪装
• 无法证明报文的完整性，所以有可能已遭篡改

7.1.1 通信使用明文可能会被窃听

HTTP 报文使用明文(指未经过加密的报文)方式发送。
■ TCP/IP 是可能被窃听的网络
按 TCP/IP 协议族的工作机制，通信内容在所有的通信线路上都有可能遭到窥视。
即使已经过加密处理的通信，也会被窥视到通信内容，这点和未加密的通信是相同的。只是说如果通信经过加密，就有可能让人无法破解报文信息的含义，但加密处理后的报文信息本身还是会被看到的。

窃听相同段上的通信并非难事。只需要收集在互联网上流动的数据 包(帧)就行了。对于收集来的数据包的解析工作，可交给那些抓包
(Packet Capture)或嗅探器(Sniffer)工具。如被广泛使用的抓包工具 Wireshark。


■加密处理防止被窃听

• 通信的加密
  一种方式就是将通信加密。HTTP 协议中没有加密机制，但可以通 过和 SSL(Secure Socket Layer，安全套接层)或 TLS(Transport Layer Security，安全层传输协议)的组合使用，加密 HTTP 的通信内容。
  用 SSL 建立安全通信线路之后，就可以在这条线路上进行 HTTP 通信了。与 SSL 组合使用的 HTTP 被称为 HTTPS(HTTP Secure，超文 本传输安全协议)或 HTTP over SSL。
  
• 内容的加密
  把 HTTP 报 文里所含的内容进行加密处理。
  在这种情况下，客户端需要对 HTTP 报文进行加密处理后再发送请求。
  
  诚然，为了做到有效的内容加密，前提是要求客户端和服务器同时 具备加密和解密机制。主要应用在 Web 服务中。有一点必须引起注意， 由于该方式不同于 SSL 或 TLS 将整个通信线路加密处理，所以内容仍有被篡改的风险。
  
  

7.1.2 不验证通信方的身份就可能遭遇伪装

HTTP 协议中的请求和响应不会对通信方进行确认。也就是说存在 “服务器是否就是发送请求中 URI 真正指定的主机，返回的响应是否真的返回到实际提出请求的客户端”等类似问题。
■任何人都可发起请求
HTTP 协议的实现本身非常简单，不论是谁发送过来的请求都会返 回响应，因此不确认通信方，会存在以下各种隐患。

• 无法确定请求发送至目标的 Web 服务器是否是按真实意图返回响应的那台服务器。有可能是已伪装的 Web 服务器。
• 无法确定响应返回到的客户端是否是按真实意图接收响应的那个客户端。有可能是已伪装的客户端。
• 无法确定正在通信的对方是否具备访问权限。因为某些 Web 服务器上保存着重要的信息，只想发给特定用户通信的权限。
• 无法判定请求是来自何方、出自谁手。
• 即使是无意义的请求也会照单全收。无法阻止海量请求下的 DoS
  攻击(Denial of Service，拒绝服务攻击)。
  
  
  ■查明对手的证书
  虽然使用 HTTP 协议无法确定通信方，但如果使用 SSL 则可以。 SSL 不仅提供加密处理，而且还使用了一种被称为证书的手段，可用于确定方。
  证书由值得信任的第三方机构颁发，用以证明服务器和客户端是实际存在的。另外，伪造证书从技术角度来说是异常困难的一件事。所以只要能够确认通信方(服务器或客户端)持有的证书，即可判断通信方的真实意图。
  
  通过使用证书，以证明通信方就是意料中的服务器。这对使用者个人来讲，也减少了个人信息泄露的危险性。
  另外，客户端持有证书即可完成个人身份的确认，也可用于对 Web 网站的认证环节。
  
  

7.1.3 无法证明报文完整性，可能已遭篡改

所谓完整性是指信息的准确度。若无法证明其完整性，通常也就意 味着无法判断信息是否准确。
■接收到的内容可能有误
由于 HTTP 协议无法证明通信的报文完整性，因此，在请求或响应 送出之后直到对方接收之前的这段时间内，即使请求或响应的内容遭到 篡改，也没有办法获悉。
换句话说，没有任何办法确认，发出的请求 / 响应和接收到的请 求 / 响应是前后相同的。

比如，从某个 Web 网站上下载内容，是无法确定客户端下载的文 件和服务器上存放的文件是否前后一致的。文件内容在传输途中可能已 经被篡改为其他的内容。即使内容真的已改变，作为接收方的客户端也 是觉察不到的。
像这样，请求或响应在传输途中，遭攻击者拦截并篡改内容的攻击 称为中间人攻击(Man-in-the-Middle attack，MITM)。

■如何防止篡改
虽然有使用 HTTP 协议确定报文完整性的方法，但事实上并不便捷、可靠。其中常用的是 MD5 和 SHA-1 等散列值校验的方法，以及用来确认文件的数字签名方法。
提供文件下载服务的 Web 网站也会提供相应的以 PGP(Pretty Good Privacy，完美隐私)创建的数字签名及 MD5 算法生成的散列值。PGP 是用来证明创建文件的数字签名，MD5 是由单向函数生成的散列值。不论使用哪一种方法，都需要操纵客户端的用户本人亲自检查验证下载的文件是否就是原来服务器上的文件。浏览器无法自动帮用户检查。
可惜的是，用这些方法也依然无法百分百保证确认结果正确。因为 PGP 和 MD5 本身被改写的话，用户是没有办法意识到的。
为了有效防止这些弊端，有必要使用 HTTPS。SSL 提供认证和加密处理及摘要功能。仅靠 HTTP 确保完整性是非常困难的，因此通过和其他协议组合使用来实现这个目标。

7.2 HTTP+ 加密 + 认证 + 完整性保护 =HTTPS

7.2.1 HTTP 加上加密处理和认证以及完整性保护后即是 HTTPS

如果在 HTTP 协议通信过程中使用未经加密的明文，比如在 Web 页面 中输入信用卡号，如果这条通信线路遭到窃听，那么信用卡号就暴露了。
另外，对于 HTTP 来说，服务器也好，客户端也好，都是没有办法确认通信方的。因为很有可能并不是和原本预想的通信方在实际通信。 并且还需要考虑到接收到的报文在通信途中已经遭到篡改这一可能性。
为了统一解决上述这些问题，需要在 HTTP 上再加入加密处理和认证等机制。我们把添加了加密及认证机制的 HTTP 称为 HTTPS(HTTP Secure)。

7.2.2 HTTPS 是身披 SSL 外壳的 HTTP

HTTPS 并非是应用层的一种新协议。只是 HTTP 通信接口部分用 SSL(Secure Socket Layer)和 TLS(Transport Layer Security)协议代替 而已。
通常，HTTP 直接和 TCP 通信。当使用 SSL 时，则演变成先和 SSL 通信，再由 SSL 和 TCP 通信了。简言之，所谓 HTTPS，其实就是身披 SSL 协议这层外壳的 HTTP。

在采用 SSL 后，HTTP 就拥有了 HTTPS 的加密、证书和完整性保护这些功能。
SSL 是独立于 HTTP 的协议，所以不光是 HTTP 协议，其他运行在 应用层的 SMTP 和 Telnet 等协议均可配合 SSL 协议使用。可以说 SSL 是当今世界上应用最为广泛的网络安全技术。

7.2.3 相互交换密钥的公开密钥加密技术

在对 SSL 进行讲解之前，我们先来了解一下加密方法。SSL 采用一种叫做公开密钥加密(Public-key cryptography)的加密处理方式。
■共享密钥加密（对称密钥加密）

缺点：以共享密钥方式加密时必须将密钥也发给对方。可究竟怎样才能安全地转交?在互联网上转发密钥时，如果通信被监听那么密钥就可会落入攻击者之手，同时也就失去了加密的意义。另外还得设法安全地保管接收到的密钥。
■使用两把密钥的公开密钥加密（非对称密钥加密）
使用公开密钥加密方式，发送密文的一方使用对方的公开密钥进行加密处理，对方收到被加密的信息后，再使用自己的私有密钥进行解密。利用这种方式，不需要发送用来解密的私有密钥，也不必担心密钥被攻击者窃听而盗走。

缺点：公开密钥加密与共享密钥加密相比，其处理速度要慢。
■HTTPS 采用混合加密机制
HTTPS 采用共享密钥加密和公开密钥加密两者并用的混合加密机制。在交换密钥环节使用公开密钥加密方式，之后的建立通信交换报文阶段 则使用共享密钥加密方式。

7.2.4 证明公开密钥正确性的证书

遗憾的是，公开密钥加密方式还是存在一些问题的。那就是无法证 明公开密钥本身就是货真价实的公开密钥。比如，正准备和某台服务器建立公开密钥加密方式下的通信时，如何证明收到的公开密钥就是原本 预想的那台服务器发行的公开密钥。或许在公开密钥传输途中，真正的公开密钥已经被攻击者替换掉了。
为了解决上述问题，可以使用由数字证书认证机构(CA，Certificate Authority)和其相关机关颁发的公开密钥证书。
数字证书认证机构处于客户端与服务器双方都可信赖的第三方机构的立场上。威瑞信(VeriSign)就是其中一家非常有名的数字证书认证机构。
我们来介绍一下数字证书认证机构的业务流程。首先，服务器的运营人员向数字证书认证机构提出公开密钥的申请。数字证书认证机构在判明提出申请者的身份之后，会对已申请的公开密钥做数字签名，然后分配这个已签名的公开密钥，并将该公开密钥放入公钥证书后绑定在一起。
服务器会将这份由数字证书认证机构颁发的公钥证书发送给客户端，以进行公开密钥加密方式通信。公钥证书也可叫做数字证书或直接称为证书。
接到证书的客户端可使用数字证书认证机构的公开密钥，对那张证书上的数字签名进行验证，一旦验证通过，客户端便可明确两件事: 一，认证服务器的公开密钥的是真实有效的数字证书认证机构。二，服务器的公开密钥是值得信赖的。
此处认证机关的公开密钥必须安全地转交给客户端。使用通信方式时，如何安全转交是一件很困难的事，因此，多数浏览器开发商发布版本时，会事先在内部植入常用认证机关的公开密钥。

7.2.5 HTTPS 的安全通信机制

步骤12：最后由客户端断开连接。断开连接时，发送 close_notify报文。上图做了一些省略，这步之后再发送 TCP FIN 报文来关闭与 TCP 的通信。
在以上流程中，应用层发送数据时会附加一种叫做 MAC(Message Authentication Code)的报文摘要。MAC 能够查知报文是否遭到篡改， 从而保护报文的完整性。
下面是对整个流程的图解。图中说明了从仅使用服务器端的公开密 钥证书(服务器证书)建立 HTTPS 通信的整个过程。

注：CBC 模式(Cipher Block Chaining)又名密码分组链接模式。在此模式下，将 前一个明文块加密处理后和下一个明文块做 XOR 运算，使之重叠，然后再对 运算结果做加密处理。对第一个明文块做加密时，要么使用前一段密文的最 后一块，要么利用外部生成的初始向量(initial vector，IV)。
■ SSL和TLS
HTTPS 使用 SSL(Secure Socket Layer) 和 TLS(Transport Layer Security)这两个协议。
■ SSL 速度慢吗
HTTPS 也存在一些问题，那就是当使用 SSL 时，它的处理速度会变慢。
SSL 的慢分两种。一种是指通信慢。另一种是指由于大量消耗 CPU 及内存等资源，导致处理速度变慢。

和使用 HTTP 相比，网络负载可能会变慢 2 到 100 倍。除去和 TCP 连接、发送 HTTP 请求 / 响应以外，还必须进行 SSL 通信，因此整体上 处理通信量不可避免会增加。
另一点是 SSL 必须进行加密处理。在服务器和客户端都需要进行 加密和解密的运算处理。因此从结果上讲，比起 HTTP 会更多地消耗服 务器和客户端的硬件资源，导致负载增强。
针对速度变慢这一问题，并没有根本性的解决方案，我们会使用 SSL 加速器这种(专用服务器)硬件来改善该问题。该硬件为 SSL 通信 专用硬件，相对软件来讲，能够提高数倍 SSL 的计算速度。仅在 SSL 处理时发挥 SSL 加速器的功效，以分担负载。