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文章目录
- HTTPS协议
- 1、HTTPS协议概念
- 2、什么是加密
- 3、为什么要加密
- 4、常见的加密方式
- 5、数据摘要/数据指纹
- 6、数字签名
- 7、HTTPS 的工作过程
- 7.1、只使用对称加密
- 7.2、只使用非对称加密
- 7.3、双方都使用非对称加密
- 7.4、非对称加密+对称加密
- 7.5、中间人攻击
- 8、证书
- 8.1、CA认证
- 8.2、理解数据签名
- 9、HTTPS的工作过程最终方案
- 10、中间人有没有可能篡改该证书
- 11、中间人整个有没有可能掉包证书
- 12、总结
HTTPS协议
1、HTTPS协议概念
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。
在HTTP协议中我们知道,HTTP是采用文本的方式明文传输的,这会导致传输过程中出现内容被窃取或篡改的情况。
HTTPS是采用密文传输的,这会使得窃取信息的难度加大。
2、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 再进行一系列变换,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 yuè,不过大家平时都读作 yào )。
加密解密到如今已经发展成一个独⽴的学科:密码学。
而密码学的奠基人,也正是计算机科学的祖师爷之一,艾伦·⻨席森·图灵
3、为什么要加密
“运营商劫持”:比如下载一个天天动听
未被劫持的效果,点击下载按钮,下载就是天天动听的下载链接:
被劫持的效果,点击下载按钮,下载就是其他软件的下载链接:
由于我们通过网络传输的任何的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。
点击 “下载按钮”,其实就是在给服务器发送了一个 HTTP 请求,获取到的 HTTP 响应其实就包含了该 APP 的下载链接。运营商劫持之后,就发现这个请求是要下载天天动听,那么就自动的把交给用户的响应给篡改成 “QQ 浏览器” 的下载地址了。
图解:
所以:因为 http 的内容是明文传输的,明文数据会经过路由器、wifi 热点、通信服务运营商、代理服务器等多个物理节点,如果信息在传输过程中被劫持,传输的内容就完全暴露了。劫持者还可以篡改传输的信息且不被双方察觉,这就是中间人攻击 ,所以我们才需要对信息进行加密。
思考下, 为啥运营商要进行劫持?
不止运营商可以劫持,其他的 黑客 也可以用类似的手段进行劫持,来窃取用户隐私信息,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…
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。
4、常见的加密方式
- 对称加密
采用单钥密码系统的加密方法,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,也称为单密钥加密。
特征:加密和解密所用的密钥是相同的
常见对称加密算法(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。
简单案例:一个简单的对称加密,按位异或
假设 明文 a = 1234, 密钥 key = 8888
则加密 a ^ key 得到的密文 b 为 9834
然后针对密文 9834 再次进行运算 b ^ key, 得到的就是原来的明文 1234
(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
- 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)和私有密钥(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,而使得加密解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
也可以反着用
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 相关的知识,这里举一个简单的生活上的例子:
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,你把文件放盒子里用锁锁上,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。
5、数据摘要/数据指纹
数字指纹(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,生成一串固定⻓度的数字摘要。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
6、数字签名
摘要经过加密,就得到数字签名(后面细说)
7、HTTPS 的工作过程
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,但是整体可以分成两大类:对称加密 和 非对称加密
7.1、只使用对称加密
如果通信双方都各自持有同一个密钥 X,且没有别人知道,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啥,因此就无法进行解密,也就不知道请求的真实内容是啥了。
但事情没这么简单。服务器同一时刻其实是给很多客户端提供服务的,这么多客户端,每人用的秘钥都必须是不同的(如果是相同那密钥就太容易扩散了, 黑客就也能拿到了)。
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关系,按这个方式来说,客户端和服务器的密钥及其对应关系是一开始就商量好了的,那比如新增了客户端访问,这时候的密钥怎么增加?或者说服务器增加了密钥,客户端怎么知道这个密钥是和我用的?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啥。
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就形同虚设了。
因此密钥的传输也必须加密传输!
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” 的问题了。此时密钥的传输再用对称加密就行不通了。
7.2、只使用非对称加密
鉴于非对称加密的机制,如果服务器先把公钥以明文方式传输给浏览器(客户端),之后浏览器(客户端)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(客户端)的这条路怎么保障安全?
如果服务器用它的私钥加密数据传给浏览器(客户端),那么浏览器(客户端)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(客户端)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。
7.3、双方都使用非对称加密
服务端拥有公钥 S 与对应的私钥 S’,客户端拥有公钥 C 与对应的私钥 C’
客户和服务端交换公钥
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’
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:如果中间人在收到公钥后,不直接转发,而是发送自己的公钥M,自己也有M’私钥,那么还是可以窃取或篡改传输信息。
7.4、非对称加密+对称加密
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,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数据。
后续客户端和服务器的通信都只用对称加密即可。由于该密钥只有客户端和服务器两个主机知道,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。
虽然上面已经比较接近答案了,但是依旧有安全问题
上述方案都存在一个问题,如果最开始,中间人就已经开始攻击了呢?
7.5、中间人攻击
Man-in-the-MiddleAttack,简称“MITM 攻击”
确实,在后面三个方案 中,客户端获取到公钥 S 之后,对客户端形成的对称秘钥 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,假设hacker 已经成功成为中间人
服务器具有非对称加密算法的公钥 S,私钥 S’
中间人具有非对称加密算法的公钥 M,私钥 M’
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
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 替换成为自己的公钥 M,并将伪造报文发给客户端
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),自己形成对称秘钥 X,用公钥 M 加密 X,形成报文发送给服务器
中间人劫持后,直接用自己的私钥 M’进行解密,得到通信秘钥 X,再用曾经保存的服务端公钥 S 加密后,将报文推送给服务器,服务器拿到报文,用自己的私钥 S’解密,得到通信秘钥 X
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中,劫持数据,进行窃听甚至修改,都是可以的
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,就是⽬标服务器发送过来的!
8、证书
8.1、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行了,证书就如身份证,证明服务端公钥的权威性
这个 证书 可以理解成是一个结构化的字符串, 里面包含了以下信息:
- 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,需要在特定平台审查,会同时生成一对密钥对,即公钥和私钥。这对密钥对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秘钥)。
可以使用在线生成 CSR 和私钥
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。
8.2、理解数据签名
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 中的公钥私钥搞混了
当服务端申请 CA 证书的时候,CA 机构会对该服务端进行审核,并专⻔为该网站形成数字签名,过程如下:
CA 机构拥有非对称加密的私钥 A 和公钥 A’
CA 机构对服务端申请的证书明文数据进行 hash,形成数据摘要,然后对数据摘要用 CA 私钥 A’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
9、HTTPS的工作过程最终方案
在客户端和服务器刚一建⽴连接的时候,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。
当客户端获取到这个证书之后,会对证书进行校验(使用浏览器内置的CA证书公钥),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(操作系统中已内置的受信任的证书发布机构)。
验证证书是否被篡改:从系统中拿到该证书发布机构的公钥,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,则说明证书是没有被篡改过的。
10、中间人有没有可能篡改该证书
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,那么也就没法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,则说明证书已被篡改,证书不可信,从而终止向服务器传输信息,防止信息泄露给中间人。
11、中间人整个有没有可能掉包证书
因为中间人没有 CA 私钥,所以无法制作假的证书(只有CA有私钥) ,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。
12、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(CA机构的公钥A和私钥A’)。服务器持有私钥S’(私钥在形成 CSR 文件与申请证书时获得),客户端持有公钥A(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):客户端和服务器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。
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器。
OKOK,HTTPS协议就到这里,如果你对Linux和C++也感兴趣的话,可以看看我的主页哦。下面是我的github主页,里面记录了我的学习代码和leetcode的一些题的题解,有兴趣的可以看看。
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