最詳細的 HTTPS 科普掃盲帖

　　本文爲轉載文章，按照自己的理解對原文進行了整理和補充

爲什麼需要HTTPS？

　　HTTP是明文傳輸的，也就意味着，介於發送端、接收端中間的任意節點都可以知道你們傳輸的內容是什麼。這些節點可能是路由器、代理等。
　　舉個最常見的例子，用戶登陸。
　　用戶輸入賬號，密碼，採用HTTP的話，只要在代理服務器上做點手腳就可以拿到你的密碼了。
　　用戶登陸 –> 代理服務器（做手腳）–> 實際授權服務器
　　在發送端對密碼進行加密？沒用的，雖然別人不知道你原始密碼是多少，但能夠拿到加密後的賬號密碼，照樣能登陸。
　　最好的辦法是對整個請求進行加密，這樣，別人就不能知道加密後的密文中哪一段代表的是密碼。
　　

HTTPS是如何保障安全的

　　HTTPS其實就是secure http的意思啦，也就是HTTP的安全升級版。稍微瞭解網絡基礎的同學都知道，HTTP是應用層協議，位於HTTP協議之下是傳輸層協議TCP。TCP負責傳輸，HTTP則定義了數據如何進行包裝。
　　HTTP –> TCP （明文傳輸）
　　HTTPS相對於HTTP有哪些不同呢？其實就是在HTTP跟TCP中間加多了一層加密層TLS/SSL。

▶神馬是TLS/SSL？

　　通俗的講，TLS、SSL其實是類似的東西，SSL是個加密套件，負責對HTTP的數據進行加密。TLS是SSL的升級版。現在提到HTTPS，加密套件基本指的是TLS。

▶傳輸加密的流程

　　原先是應用層將數據直接給到TCP進行傳輸，現在改成應用層將數據給到TLS/SSL，將數據加密後，再給到TCP進行傳輸。
　　就是這麼回事。將數據加密後再傳輸，而不是任由數據在複雜而又充滿危險的網絡上明文裸奔，在很大程度上確保了數據的安全。這樣的話，即使數據被中間節點截獲，壞人也看不懂。

HTTPS是如何加密數據的

　　對安全或密碼學基礎有了解的同學，應該知道常見的加密手段。一般來說，加密分爲對稱加密、非對稱加密（也叫公開密鑰加密）。

▶對稱加密

　　對稱加密的意思就是，加密數據用的密鑰，跟解密數據用的密鑰是一樣的。
　　對稱加密的優點在於加密、解密效率通常比較高。缺點在於，數據發送方、數據接收方需要協商、共享同一把密鑰，並確保密鑰不泄露給其他人。此外，對於多個有數據交換需求的個體，兩兩之間需要分配並維護一把密鑰，這個帶來的成本基本是不可接受的。

▶非對稱加密

　　非對稱加密的意思就是，加密數據用的密鑰（公鑰），跟解密數據用的密鑰（私鑰）是不一樣的。
　　什麼叫做公鑰呢？其實就是字面上的意思——公開的密鑰，誰都可以查到。因此非對稱加密也叫做公開密鑰加密。
　　相對應的，私鑰就是非公開的密鑰，一般是由網站的管理員持有。
　　公鑰、私鑰兩個有什麼聯繫呢？
　　簡單的說就是，通過公鑰加密的數據，只能通過私鑰解開。通過私鑰加密的數據，只能通過公鑰解開。
　　很多同學都知道用私鑰能解開公鑰加密的數據，但忽略了一點，私鑰加密的數據，同樣可以用公鑰解密出來。而這點對於理解HTTPS的整套加密、授權體系非常關鍵。

▶舉個非對稱加密的例子

　　登陸用戶：小明
　　授權網站：某知名社交網站（以下簡稱XX）
　　小明是某知名社交網站XX的用戶，XX出於安全考慮在登陸的地方用了非對稱加密。小明在登陸界面敲入賬號、密碼，點擊“登陸”。於是，瀏覽器利用公鑰對小明的賬號密碼進行了加密，並向XX發送登陸請求。XX的登陸授權程序通過私鑰，將賬號、密碼解密，並驗證通過。之後，將小明的個人信息（含隱私），通過私鑰加密後，傳輸回瀏覽器。瀏覽器通過公鑰解密數據，並展示給小明。
　　步驟一： 小明輸入賬號密碼 –> 瀏覽器用公鑰加密 –> 請求發送給XX
　　步驟二： XX用私鑰解密，驗證通過 –> 獲取小明社交數據，用私鑰加密 –> 瀏覽器用公鑰解密數據，並展示。
　　用非對稱加密，就能解決數據傳輸安全的問題了嗎？前面特意強調了一下，私鑰加密的數據，公鑰是可以解開的，而公鑰又是加密的。也就是說，非對稱加密只能保證單向數據傳輸的安全性。
　　此外，還有公鑰如何分發/獲取的問題。下面會對這兩個問題進行進一步的探討。
　　

公開密鑰加密：兩個明顯的問題

　　前面舉了小明登陸社交網站XX的例子，並提到，單純使用公開密鑰加密存在兩個比較明顯的問題。

▶問題一：公鑰如何獲取

　　瀏覽器是怎麼獲得XX的公鑰的？當然，小明可以自己去網上查，XX也可以將公鑰貼在自己的主頁。然而，對於一個動不動就成敗上千萬的社交網站來說，會給用戶造成極大的不便利，畢竟大部分用戶都不知道“公鑰”是什麼東西。

▶問題二：數據傳輸僅單向安全

　　前面提到，公鑰加密的數據，只有私鑰能解開，於是小明的賬號、密碼是安全了，半路不怕被攔截。
　　然後有個很大的問題：私鑰加密的數據，公鑰也能解開。加上公鑰是公開的，小明的隱私數據相當於在網上換了種方式裸奔。（中間代理服務器拿到了公鑰後，毫不猶豫的就可以解密小明的數據）
　　下面就分別針對這兩個問題進行解答。

▶解答一：公鑰如何獲取

　　這裏要涉及兩個非常重要的概念：證書、CA（證書頒發機構）。
　　▶證書
　　可以暫時把它理解爲網站的身份證。這個身份證裏包含了很多信息，其中就包含了上面提到的公鑰。
　　也就是說，當小明、小王、小光等用戶訪問XX的時候，再也不用滿世界的找XX的公鑰了。當他們訪問XX的時候，XX就會把證書發給瀏覽器，告訴他們說，乖，用這個裏面的公鑰加密數據。
　　這裏有個問題，所謂的“證書”是哪來的？這就是下面要提到的CA負責的活了。
　　▶CA（證書頒發機構）
　　強調兩點：
　　可以頒發證書的CA有很多（國內外都有）。
　　只有少數CA被認爲是權威、公正的，這些CA頒發的證書，瀏覽器才認爲是信得過的。比如VeriSign。（CA自己僞造證書的事情也不是沒發生過。。。）
　　證書頒發的細節這裏先不展開，可以先簡單理解爲，網站向CA提交了申請，CA審覈通過後，將證書頒發給網站，用戶訪問網站的時候，網站將證書給到用戶。
　　至於證書的細節，同樣在後面講到。

▶解答二：數據傳輸僅單向安全

　　上面提到，通過私鑰加密的數據，可以用公鑰解密還原。那麼，這是不是就意味着，網站傳給用戶的數據是不安全的？
　　答案是：是！！！（三個歎號表示強調的三次方）
　　看到這裏，可能你心裏會有這樣想：用了HTTPS，數據還是裸奔，這麼不靠譜，還不如直接用HTTP來的省事。
　　但是，爲什麼業界對網站HTTPS化的呼聲越來越高呢？這明顯跟我們的感性認識相違背啊。
　　因爲：HTTPS雖然用到了公開密鑰加密，但同時也結合了其他手段，如對稱加密，來確保授權、加密傳輸的效率、安全性。（這個在下面也會講到）
　　概括來說，整個簡化的加密通信的流程就是：
　　1)小明訪問XX，XX將自己的證書給到小明（其實是給到瀏覽器，小明不會有感知）
　　2)瀏覽器從證書中拿到XX的公鑰A
　　3)瀏覽器生成一個只有自己知道的對稱密鑰B，用公鑰A加密，並傳給XX（其實是有協商的過程，這裏爲了便於理解先簡化）
　　4)XX通過私鑰解密，拿到對稱密鑰B
　　5)瀏覽器、XX 之後的數據通信，都用密鑰B進行加密
　　注意：對於每個訪問XX的用戶，生成的對稱密鑰B理論上來說都是不一樣的。比如小明、小王、小光，可能生成的就是B1、B2、B3.
　　參考下圖：

　　這裏講一下，爲什麼需要使用到對稱祕鑰：
　　1)保證雙向安全傳輸
　　在前面我們講到了公鑰機制只能實現單向的安全性，原因在於公鑰是公開的，網站用私鑰加密的信息，只要別人擁有公鑰，都可以進行解密。那麼如果客戶端和網站同時擁有一個只有彼此知道的對稱祕鑰，就可以實現雙向的安全傳遞了。關鍵問題是，客戶端生成了一個對稱祕鑰，要怎麼樣才能安全地給網站呢？這個就藉助上面的公鑰機制了，只需要一次單向安全傳遞就可以了。所以，通常情況下，客戶端的公鑰只參與對稱祕鑰的加密過程，後續的信息加密傳輸採用的都是對稱祕鑰。
　　2)提高傳輸效率
　　這裏有這樣一個事實，採用公鑰機制的加解密過程要比對稱祕鑰來的費時，爲了提高信息的傳輸速度，因此，採用對稱祕鑰。
　　

證書可能存在哪些問題

　　瞭解了HTTPS加密通信的流程後，對於數據裸奔的疑慮應該基本打消了。然而，細心的觀衆可能又有疑問了：怎麼樣確保證書有合法有效的？
　　證書非法可能有兩種情況：
　　1)證書是僞造的：壓根不是CA頒發的
　　2)證書被篡改過：比如將XX網站的公鑰給替換了

▶舉個例子：

　　我們知道，這個世界上存在一種東西叫做代理，於是，上面小明登陸XX網站有可能是這樣的，小明的登陸請求先到了代理服務器，代理服務器再將請求轉發到的授權服務器。
　　小明 –> 代理服務器 –> 登陸授權服務器
　　小明 <– 代理服務器 <– 登陸授權服務器
　　然後，這個世界壞人太多了，某一天，代理服務器動了壞心思（也有可能是被入侵），將小明的請求攔截了。同時，返回了一個非法的證書。
　　小明 –> 邪惡的代理服務器 –x–> 登陸授權服務器
　　小明 <– 邪惡的代理服務器 –x–> 登陸授權服務器
　　如果善良的小明相信了這個證書，那他就再次裸奔了。當然不能這樣，那麼，是通過什麼機制來防止這種事情的放生的呢。
　　下面，我們先來看看”證書”有哪些內容，然後就可以大致猜到是如何進行預防的了。
　　在正式介紹證書的格式前，先插播個小廣告，科普下數字簽名和摘要，然後再對證書進行非深入的介紹。
　　爲什麼呢？因爲數字簽名、摘要是證書防僞非常關鍵的武器。

▶數字簽名與摘要

　　簡單的來說，“摘要”就是對傳輸的內容，通過hash算法計算出一段固定長度的串（是不是聯想到了文章摘要）。然後，在通過CA的私鑰對這段摘要進行加密，加密後得到的結果就是“數字簽名”。（這裏提到CA的私鑰，後面再進行介紹）
　　明文 –> hash運算 –> 摘要 –> 私鑰加密 –> 數字簽名
　　結合上面內容，我們知道，這段數字簽名只有CA的公鑰才能夠解密。
　　接下來，我們再來看看神祕的“證書”究竟包含了什麼內容，然後就大致猜到是如何對非法證書進行預防的了。

▶證書包含內容

　　先無恥的貼上一大段內容，證書格式來自這篇不錯的文章《OpenSSL 與 SSL 數字證書概念貼》
　　內容非常多，這裏我們需要關注的有幾個點：
　　1)證書包含了頒發證書的機構的名字 — CA
　　2)證書內容本身的數字簽名（用CA私鑰加密）
　　3)證書持有者的公鑰
　　4)證書籤名用到的hash算法
　　此外，有一點需要補充下，就是：
　　CA本身有自己的證書，江湖人稱“根證書”。這個“根證書”是用來證明CA的身份的，本質是一份普通的數字證書。
　　瀏覽器通常會內置大多數主流權威CA的根證書。

▶證書格式

1. 證書版本號(Version)
   版本號指明X.509證書的格式版本，現在的值可以爲:
   1) 0: v1
   2) 1: v2
   3) 2: v3
   也爲將來的版本進行了預定義

2. 證書序列號(Serial Number)
   序列號指定由CA分配給證書的唯一的”數字型標識符”。當證書被取消時，實際上是將此證書的序列號放入由CA簽發的CRL中，
   這也是序列號唯一的原因。

3. 簽名算法標識符(Signature Algorithm)
   簽名算法標識用來指定由CA簽發證書時所使用的”簽名算法”。算法標識符用來指定CA簽發證書時所使用的:
   1) 公開密鑰算法
   2) hash算法
   example: sha256WithRSAEncryption
   須向國際知名標準組織(如ISO)註冊

4. 簽發機構名(Issuer)
   此域用來標識簽發證書的CA的X.500 DN(DN-Distinguished Name)名字。包括:
   1) 國家(C)
   2) 省市(ST)
   3) 地區(L)
   4) 組織機構(O)
   5) 單位部門(OU)
   6) 通用名(CN)
   7) 郵箱地址

5. 有效期(Validity)
   指定證書的有效期，包括:
   1) 證書開始生效的日期時間
   2) 證書失效的日期和時間
   每次使用證書時，需要檢查證書是否在有效期內。

6. 證書用戶名(Subject)
   指定證書持有者的X.500唯一名字。包括:
   1) 國家(C)
   2) 省市(ST)
   3) 地區(L)
   4) 組織機構(O)
   5) 單位部門(OU)
   6) 通用名(CN)
   7) 郵箱地址

7. 證書持有者公開密鑰信息(Subject Public Key Info)
   證書持有者公開密鑰信息域包含兩個重要信息:
   1) 證書持有者的公開密鑰的值
   2) 公開密鑰使用的算法標識符。此標識符包含公開密鑰算法和hash算法。

8. 擴展項(extension)
   X.509 V3證書是在v2的基礎上一標準形式或普通形式增加了擴展項，以使證書能夠附帶額外信息。標準擴展是指
   由X.509 V3版本定義的對V2版本增加的具有廣泛應用前景的擴展項，任何人都可以向一些權威機構，如ISO，來
   註冊一些其他擴展，如果這些擴展項應用廣泛，也許以後會成爲標準擴展項。

9. 簽發者唯一標識符(Issuer Unique Identifier)
   簽發者唯一標識符在第2版加入證書定義中。此域用在當同一個X.500名字用於多個認證機構時，用一比特字符串
   來唯一標識簽發者的X.500名字。可選。

10. 證書持有者唯一標識符(Subject Unique Identifier)
    持有證書者唯一標識符在第2版的標準中加入X.509證書定義。此域用在當同一個X.500名字用於多個證書持有者時，
    用一比特字符串來唯一標識證書持有者的X.500名字。可選。

11. 簽名算法(Signature Algorithm)
    證書籤發機構對證書上述內容的簽名算法
    example: sha256WithRSAEncryption

12. 簽名值(Issuer’s Signature)
    證書籤發機構對證書上述內容的簽名值

▶如何辨別非法證書

　　上面提到，XX證書包含了如下內容：
　　1)證書包含了頒發證書的機構的名字 — CA
　　2)證書內容本身的數字簽名（用CA私鑰加密）
　　3)證書持有者的公鑰
　　4)證書籤名用到的hash算法
　　瀏覽器內置的CA的根證書包含了如下關鍵內容：
　　CA的公鑰（非常重要！！！）
　　好了，接下來針對之前提到的兩種非法證書的場景，講解下怎麼識別
　　▶完全僞造的證書
　　這種情況比較簡單，對證書進行檢查：
　　證書頒發的機構是僞造的：瀏覽器不認識，直接認爲是危險證書
　　證書頒發的機構是確實存在的，於是根據CA名，找到對應內置的CA根證書、CA的公鑰。
　　用CA的公鑰，對僞造的證書的摘要進行解密，發現解不了。認爲是危險證書。
　　因爲如果是僞造的，僞造者拿不到CA的私鑰，因此使用別的私鑰對證書的加密結果，如果使用CA的公鑰是解不了的。因此確認證書僞造。
　　▶篡改過的證書
　　假設代理通過某種途徑，拿到XX的證書，然後將證書的公鑰偷偷修改成自己的，然後喜滋滋的認爲用戶要上鉤了。然而太單純了：
　　檢查證書，根據CA名，找到對應的CA根證書，以及CA的公鑰。
　　用CA的公鑰，對證書的數字簽名進行解密，得到對應的證書摘要AA
　　根據證書籤名使用的hash算法，計算出當前證書的摘要BB
　　對比AA跟BB，發現不一致–> 判定是危險證書
　　這一過程是考慮到，萬一有人採用別的解密手段成功地解密了CA證書中的公鑰。那麼，爲了獲取用戶的賬號密碼，勢必會在證書中將原來的公鑰篡改爲自己的公鑰。此時，客戶端瀏覽器使用本地根證書的公鑰對證書的數字簽名進行解密，獲取摘要AA。然後使用證書籤名使用的hash算法對當前證書重新計算摘要BB。如果經過篡改，只要一點點不一樣，摘要AA和BB就會不同，因此可以判別出證書經過了篡改。
　　除非，有人同時篡改了證書的摘要，或者拿到了CA的私鑰，不過這個太難了，此處不予討論。

HTTPS握手流程

　　上面囉囉嗦嗦講了一大通，HTTPS如何確保數據加密傳輸的安全的機制基本都覆蓋到了，太過技術細節的就直接跳過了。
　　最後還有最後兩個問題：
　　網站是怎麼把證書給到用戶（瀏覽器）的
　　上面提到的對稱密鑰是怎麼協商出來的
　　上面兩個問題，其實就是HTTPS握手階段要乾的事情。HTTPS的數據傳輸流程整體上跟HTTP是類似的，同樣包含兩個階段：握手、數據傳輸。
　　握手：證書下發，密鑰協商（這個階段都是明文的）
　　數據傳輸：這個階段纔是加密的，用的就是握手階段協商出來的對稱密鑰
　　

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　　最詳細的 HTTPS 科普掃盲帖
　　

推薦閱讀：

　　[1]TCP/IP、Http、Socket的區別
　　[2]每個人都應該瞭解的HTTPS知識
　　[3]寫給後端程序員的HTTP緩存原理介紹
　　[4]瀏覽器 HTTP 緩存原理分析