文章摘要
最近大家在使用百度、谷歌或淘宝的时候，是不是注意浏览器左上角已经全部出现了一把绿色锁，这把锁表明该网站已经使用了 HTTPS 进行保护。
最近大家在使用百度、谷歌或淘宝的时候，是不是注意浏览器左上角已经全部出现了一把绿色锁，这把锁表明该网站已经使用了 HTTPS 进行保护。仔细观察，会发现这些网站已经全站使用 HTTPS。同时，iOS 9 系统默认把所有的 http 请求都改为 HTTPS 请求。随着互联网的发展，现代互联网正在逐渐进入全站 HTTPS 时代。
全站 HTTPS 能够带来怎样的优势？HTTPS 的原理又是什么？同时，阻碍 HTTPS 普及的困难是什么？
为了解答大家的困惑，腾讯TEG架构平台部静态加速组高级工程师刘强，为大家综合参考多种资料并经过实践验证，探究 HTTPS 的基础原理，分析基本的 HTTPS 通信过程，迎接全站 HTTPS 的来临。
1.HTTPS 基础
HTTPS(Secure Hypertext Transfer Protocol)安全超文本传输协议 它是一个安全通信通道，它基于HTTP开发，用于在客户计算机和服务器之间交换信息。它使用安全套接字层(SSL)进行信息交换，简单来说它是HTTP的安全版,是使用 TLS/SSL 加密的 HTTP 协议。
HTTP 协议采用明文传输信息，存在信息窃听、信息篡改和信息劫持的风险，而协议 TLS/SSL 具有身份验证、信息加密和完整性校验的功能，可以避免此类问题。
TLS/SSL 全称安全传输层协议 Transport Layer Security, 是介于 TCP 和 HTTP 之间的一层安全协议，不影响原有的 TCP 协议和 HTTP 协议，所以使用 HTTPS 基本上不需要对 HTTP 页面进行太多的改造。
2.TLS/SSL 原理
HTTPS 协议的主要功能基本都依赖于 TLS/SSL 协议，本节分析安全协议的实现原理。
TLS/SSL 的功能实现主要依赖于三类基本算法：散列函数 Hash、对称加密和非对称加密，其利用非对称加密实现身份认证和密钥协商，对称加密算法采用协商的密钥对数据加密，基于散列函数验证信息的完整性。
散列函数 Hash，常见的有 MD5、SHA1、SHA256，该类函数特点是函数单向不可逆、对输入非常敏感、输出长度固定，针对数据的任何修改都会改变散列函数的结果，用于防止信息篡改并验证数据的完整性；对称加密，常见的有 AES-CBC、DES、3DES、AES-GCM等，相同的密钥可以用于信息的加密和解密，掌握密钥才能获取信息，能够防止信息窃听，通信方式是1对1；非对称加密，即常见的 RSA 算法，还包括 ECC、DH 等算法，算法特点是，密钥成对出现，一般称为公钥(公开)和私钥(保密)，公钥加密的信息只能私钥解开，私钥加密的信息只能公钥解开。因此掌握公钥的不同客户端之间不能互相解密信息，只能和掌握私钥的服务器进行加密通信，服务器可以实现1对多的通信，客户端也可以用来验证掌握私钥的服务器身份。
在信息传输过程中，散列函数不能单独实现信息防篡改，因为明文传输，中间人可以修改信息之后重新计算信息摘要，因此需要对传输的信息以及信息摘要进行加密；对称加密的优势是信息传输1对1，需要共享相同的密码，密码的安全是保证信息安全的基础，服务器和 N 个客户端通信，需要维持 N 个密码记录，且缺少修改密码的机制；非对称加密的特点是信息传输1对多，服务器只需要维持一个私钥就能够和多个客户端进行加密通信，但服务器发出的信息能够被所有的客户端解密，且该算法的计算复杂，加密速度慢。
结合三类算法的特点，TLS 的基本工作方式是，客户端使用非对称加密与服务器进行通信，实现身份验证并协商对称加密使用的密钥，然后对称加密算法采用协商密钥对信息以及信息摘要进行加密通信，不同的节点之间采用的对称密钥不同，从而可以保证信息只能通信双方获取。
3.PKI 体系 3.1 RSA 身份验证的隐患
身份验证和密钥协商是 TLS 的基础功能，要求的前提是合法的服务器掌握着对应的私钥。但 RSA 算法无法确保服务器身份的合法性，因为公钥并不包含服务器的信息，存在安全隐患:
客户端 C 和服务器 S 进行通信，中间节点 M 截获了二者的通信；
节点 M 自己计算产生一对公钥 pub_M 和私钥 pri_M;
C 向 S 请求公钥时，M 把自己的公钥 pub_M 发给了 C;
C 使用公钥 pub_M 加密的数据能够被 M 解密，因为 M 掌握对应的私钥 pri_M，而 C 无法根据公钥信息判断服务器的身份，从而 C 和 M 之间建立了”可信”加密连接;
中间节点 M 和服务器S之间再建立合法的连接，因此 C 和 S 之间通信被M完全掌握，M 可以进行信息的窃听、篡改等操作。
另外，服务器也可以对自己的发出的信息进行否认，不承认相关信息是自己发出。
因此该方案下至少存在两类问题：中间人攻击和信息抵赖。
3.2 身份验证-CA 和证书
解决上述身份验证问题的关键是确保获取的公钥途径是合法的，能够验证服务器的身份信息，为此需要引入权威的第三方机构 CA。CA 负责核实公钥的拥有者的信息，并颁发认证”证书”，同时能够为使用者提供证书验证服务，即 PKI 体系。
基本的原理为，CA 负责审核信息，然后对关键信息利用私钥进行”签名”，公开对应的公钥，客户端可以利用公钥验证签名。CA 也可以吊销已经签发的证书，基本的方式包括两类 CRL 文件和 OCSP。CA 使用具体的流程如下：
a.服务方 S 向第三方机构CA提交公钥、组织信息、个人信息(域名)等信息并申请认证；
b.CA 通过线上、线下等多种手段验证申请者提供信息的真实性，如组织是否存在、企业是否合法，是否拥有域名的所有权等；
c.如信息审核通过，CA 会向申请者签发认证文件-证书。
证书包含以下信息：申请者公钥、申请者的组织信息和个人信息、签发机构 CA 的信息、有效时间、证书序列号等信息的明文，同时包含一个签名；
签名的产生算法：首先，使用散列函数计算公开的明文信息的信息摘要，然后，采用 CA 的私钥对信息摘要进行加密，密文即签名；
d.客户端 C 向服务器 S 发出请求时，S 返回证书文件；
e.客户端 C 读取证书中的相关的明文信息，采用相同的散列函数计算得到信息摘要，然后，利用对应 CA 的公钥解密签名数据，对比证书的信息摘要，如果一致，则可以确认证书的合法性，即公钥合法；
f.客户端然后验证证书相关的域名信息、有效时间等信息；
g.客户端会内置信任 CA 的证书信息(包含公钥)，如果CA不被信任，则找不到对应 CA 的证书，证书也会被判定非法。
在这个过程注意几点：
a.申请证书不需要提供私钥，确保私钥永远只能服务器掌握；
b.证书的合法性仍然依赖于非对称加密算法，证书主要是增加了服务器信息以及签名；
c.内置 CA 对应的证书称为根证书，颁发者和使用者相同，自己为自己签名，即自签名证书；
d.证书=公钥+申请者与颁发者信息+签名；
公安备案：皖公网安备34019102000119号