HTTPS协议的加密过程

怼烎@ 2022-09-04 03:49 300阅读 0赞

# HTTPS协议的加密过程 #

### 文章目录 ###

*  HTTPS协议的加密过程
 *   *  一、概述
     *   *  1. HTTP协议的缺点
         *  2. 什么是HTTPS协议
         *  3. HTTPS协议的四个特性
     *  二、加密技术
     *   *  1. 对称加密技术
         *  2. 非对称加密技术
         *  3. 对称 + 非对称加密技术
         *  4. 混合加密 + CA + Hash算法 + 数字签名
         *   *  4.1 CA证书颁发机构
             *  4.2 对证书的加密
             *   *  4.2.1 Hash算法
                 *  4.2.2 数字签名
     *  三、HTTPS对网络性能的影响
     *   *  1. HTTPS使用成本
         *  2. HTTPS对性能的影响

## 一、概述 ##

### 1. HTTP协议的缺点 ###

*  HTTP协议传输数据以明文形式显示，不安全，若有黑客拦截请求会获取到请求的信息，造成信息泄露
 *  请求和响应不会对通信方进行确认、无法保证数据的完整性

### 2. 什么是HTTPS协议 ###

*  《图解HTTP》这本书中曾提过HTTPS是身披SSL外壳的HTTP。HTTPS是一种通过计算机网络进行安全通信的传输协议，经由HTTP进行通信，利用SSL/TLS建立安全信道，加密数据包。HTTPS使用的主要目的是提供对网站服务器的身份认证，同时保护交换数据的隐私与完整性。
 *  TLS是传输层加密协议，前身是SSL协议，由网景公司1995年发布，有时候两者不区分
 *  TLS介于传输层和应用层之间，实际上是在tcp之上建立了一个加密通道

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### 3. HTTPS协议的四个特性 ###

这四个特性是机密性、完整性、身份认证和不可否认

*  机密性：采用混合加密技术，中间者无法直接查看明文内容
 *  完整性：防止传输的内容被中间人冒充或者篡改（如果仅保证了完整性黑客还是可以看到具体的内容）
 *  身份认证：通过证书认证客户端访问的是安全的服务器
 *  不可否认：不能否认已经发生过的行为

## 二、加密技术 ##

### 1. 对称加密技术 ###

**1). 概述**

*  对称加密指的就是加密和解密使用同一个秘钥，所以叫做对称加密
 *  设密钥为k，发送的明文数据为data，加密后的数据为x，加密算法为函数 f (x, y)，则具有如下关系：
    
     *  f (k, data) = x 加密过程
     *  f (k, x) = data 解密过程
 *  k是保存在服务端的，只有唯一的一个k，因为不可能给每个客户端指定一个k，这样服务器压力太大

**2). 请求 - 响应过程分析**

*  客户端向服务器发送请求，得到密钥k
 *  之后客户端向服务器发送的请求不再是明文，而是经过加密后的x
 *  服务器通过加密算法进行解密，得到数据data
 *  服务器向客户端响应的内容也是经过加密处理的x
 *  客户端通过加密算法进行解密，得到数据data

**3). 缺陷**

由于k是唯一的，黑客可以伪装成客户端，也从服务器获得密钥k，如果其拦截到浏览器 / 服务器的请求 / 响应，同样也可以通过加密算法解密得到所有的数据

### 2. 非对称加密技术 ###

**1). 概述**

*  非对称加密有两个密钥，一个公钥，一个私钥；公钥加密则需要私钥解密；私钥加密则需要公钥解密
 *  设公钥为pk，私钥为sk，发送的明文数据为data，加密后的数据为x，加密算法为函数 f (x, y)，则具有如下关系：
    
     *  f (pk, data) = x；f (sk, x) = data 公钥加密私钥解密
     *  f (sk, data) = x；f (pk, x) = data 私钥加密公钥解密
 *  公钥和私钥都是保存在服务端的；公钥pk所有的客户端都可以通过请求获得；私钥sk只保留在服务器

**2). 请求 - 响应过程分析**

*  客户端向服务器发送请求，得到公钥pk
 *  之后客户端向服务器发送的请求是经过公钥加密后的x
 *  服务器通过私钥进行解密，得到数据data
 *  服务器通过私钥对响应进行加密
 *  客户端通过公钥解密得到data

注意：服务器给客户端回传响应时不能使用公钥加密，因为客户端没有私钥，无法解密

**3). 缺陷**

黑客只可以拿到公钥无法拿到私钥；请求拦截到之后无法进行解密，安全；但是拦截到响应之后，依然可以使用公钥对其进行解密得到数据，不安全

### 3. 对称 + 非对称加密技术 ###

对称 + 非对称加密技术也称为**混合加密技术**。

**1). 概述**

核心在于客户端会生成一个随机的字符串s，并使用s作为交流的密钥

**2). 请求 - 响应过程分析**

**I. 非对称加密过程**

*  客户端向服务器发送请求，得到公钥pk
 *  客户端生成随机字符串s，将s通过公钥加密后发送
 *  服务器通过私钥解密后得到s
 *  服务器向客户端回传状态信息ok

此时双方约定好使用s作为之后交流的密钥

**II. 对称加密过程**

*  客户端向服务器发送请求时data通过s加密
 *  服务器通过s解密得到data
 *  服务器回传的响应通过s加密
 *  客户端通过s解密得到data

注意：每个s是由客户端自己随机生成的，故每个客户端的s都不同

**3). 缺陷 - 中间人问题**

黑客既可以充当客户端，也可以充当服务器，并且拥有自己的 (假) 公钥fpk 和 (假) 私钥fsk

*  客户端发送请求想要得到服务器的公钥，第一次请求就被黑客拦截
 *  黑客伪装成服务器，回传给客户端fpk，客户端误以为fpk就是pk
 *  黑客伪装成客户端，向服务器发送请求得到pk
 *  客户端生成随机字符串s，通过fpk加密后发送给黑客伪装的服务器，黑客通过fsk解密得到s，并回传ok给客户端，让客户端误以为达成"将s作为之后对称加密过程的密钥"的协议
 *  黑客伪装成客户端将s通过pk加密发送给服务器，服务器通过sk解密得到s，向假客户端回传ok，假客户端与服务器达成"将s作为之后对称加密过程的密钥"的协议
 *  之后客户端发送的data通过s加密发送给假服务器，假服务器通过s解密得到data，数据泄露
 *  黑客伪装成客户端将得到的data发送给服务器，服务器得到数据后通过s解密得到data，向假客户端回传经过s加密后的响应，假客户端通过s解密，得到服务器回传的data，造成数据泄漏

### 4. 混合加密 + CA + Hash算法 + 数字签名 ###

#### 4.1 CA证书颁发机构 ####

**1). 概述**

*  CA是数字证书颁发机构
 *  SSL证书由CA颁发，在资料的加密传输开始之前，服务器透过“有效”的SSL证书告诉客户端自己是值得信赖的服务器
 *  证书的内容有证书的颁发机构，过期时间、服务端的公钥，第三方证书认证机构(CA)的签名，服务端的域名信息、服务端使用的Hash算法等内容
 *  CA机构有自己的公钥cpk，私钥csk
 *  csk用来和证书（包含服务器的公钥pk）进行加密计算得到服务端要发送的加密后的SSL证书lic (此过程会收费)
 *  各大浏览器和操作系统已经提前维护了所有证书机构对应的公钥cpk，客户端只需要知道是哪个机构颁布的证书就可以从本地找到公钥解密证书得到服务器的公钥pk
 *  故客户端向服务器的首次获取的不是pk，而是lic（SSL证书）

**2). 安全性的体现**

*  客户端向服务器发送请求，获取到lic
 *  客户端通过本地的cpk对lic进行解密
    
     *  解密成功，得到pk，完成后续请求
     *  若由于黑客介入导致证书认证失败，会提示用户证书不安全
 *  客户端生成随机的s，经过从证书中获得的服务器的pk加密后发送给服务器，与服务器达成"以s作为后续对称加密过程的密钥"的协商（对称加密）
 *  若此请求被黑客拦截，由于黑客无服务器的sk，故无法得知s，也就无法得知之后传输过程中的密钥，保证了数据的安全

注意：黑客几乎没有可能将假的CA证书传递到客户端，因为证书中包含了服务器等各种身份认证的信息，且证书经过csk加密，黑客没有CA机构的公钥cpk，无法修改

#### 4.2 对证书的加密 ####

##### 4.2.1 Hash算法 #####

Hash算法能够把任意长度的数据“压缩”成固定长度、而且独一无二的“摘要”字符串，理解成特殊的“单向”加密算法，加密后的数据无法解密，不能从摘要逆推出原文。

服务端发送证书时只要在证书后附上它的**摘要**（哈希算法计算证书后的结果），客户端拿到 证书+摘要 后，对证书内容做同样的哈希算法得到摘要，将两个摘要对比就可以判断证书是否被篡改，从而保证完整性。

但是如果黑客获得证书使用的哈希算法，把证书修改，并重新计算摘要，结合在一起然后发送给客户端，那么客户端仍然认为是安全的证书，实则已经被修改过。

因此，必须要对 证书+摘要 进行加密，这样黑客无法得知内容，也就没有办法动手脚了，如下图（由于计算量较大，实际上只对摘要加密）：

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通过上述两个过程就保证了机密性和完整性。

##### 4.2.2 数字签名 #####

黑客可以伪装成服务器，向客户端发送 证书 + 摘要，客户端只经过Hash算法无法识别出这是安全的证书，所以需要使用数字签名保证这是安全的证书。

数字签名是CA的私钥对证书的摘要进行的加密，服务端发送的内容是 证书原文 + 数字签名，客户端利用已保存的CA公钥解密后验证，实现身份认证和不可否认。

**整体流程：**

发送报文时，服务端用一个哈希函数从证书中生成摘要，然后用CA的私钥对这个摘要进行加密，这个加密后的摘要将作为证书的数字签名和证书一起发送给客户端，客户端首先用CA公钥对附加的数字签名进行解密得到摘要（利用CA的私钥和公钥非对称加密过程），然后用与证书中携带的与服务端一样的哈希函数对接收到的证书计算摘要，如果这两个摘要相同，那么客户端就能确认该证书是CA颁发的，从而确认服务器的身份。然后客户端就可以生成随机的字符串，完成之后的对称加密过程。

## 三、HTTPS对网络性能的影响 ##

### 1. HTTPS使用成本 ###

*  证书费用及更新维护
 *  HTTPS降低用户访问速度
 *  消耗CPU资源，需要增加大量机器

### 2. HTTPS对性能的影响 ###

*  协议交互所增加的网络RTT
 *  非对称加解密相关的计算非常耗时 (不完全使用非对称加密的原因)

**完全使用非对称加密**，则需要客户端也有自己的公钥和私钥，客户端和服务器互相保存对方的公钥，并保留自己的私钥，发送的数据都使用对方的公钥加密，只有对方使用自己的私钥才能解密，即使中间人获取请求和响应，由于没有私钥，也无法解密，故安全。

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