HTTPS 协议原理

目录

HTTPS VS HTTP

HTTPS是什么

概念准备

常见的加密方式

对称加密

一个简单的对称加密例子

非对称加密 

数据摘要&&数据指纹

数字签名

HTTPS 的工作过程探究

方案1-只使用对称加密

方案2-只使用非对称加密 

方案3-双方都使用非对称加密

方案4-非对称加密+对称加密

中间人攻击-针对上面的场景

引入证书

CA认证

理解数据签名

方案5-非对称加密+对称加密+证书认证

查看浏览器的受信任证书发布机构

常见问题


HTTPS VS HTTP

HTTPS是什么

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。
HTTP协议内容都是按照⽂本的⽅式明⽂传输的。这就导致在传输过程中出现⼀些被篡改的情况。

在早期,许多初创公司选择使用HTTP作为应用层协议。但HTTP协议无论使用GET还是POST方法传递参数,数据都没有经过加密处理。因此,这些信息很容易通过抓包工具被截获。

为了解决这一安全隐患,HTTPS协议应运而生。HTTPS通过在应用层和传输层之间引入了一个加密层(SSL/TLS),这一加密层实际上也属于应用层。这个加密层会对用户的个人信息进行各种级别的加密处理。在使用HTTPS时,数据首先被提交给这个加密层,加密后再由传输层进行传输。

重要的是,通信的双方必须使用相同的应用层协议。因此,如果对方也使用HTTPS,当传输层接收到加密后的数据时,它会先将数据交给加密层进行解密,然后再将数据传递给应用层。

数据只有在用户层(应用层)是没有被加密的,而在应用层往下以及网络当中都是加密的,这就叫做HTTPS。

概念准备

1. 什么是"加密"

  • 加密:把明文(要传输的信息)进行⼀系列变换,⽣成密⽂。
  • 解密: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。

2. 为什么要加密
臭名昭著的"运营商劫持"
下载⼀个天天动听

未被劫持的效果,点击下载按钮,就会弹出天天动听的下载链接。

已被劫持的效果,点击下载按钮,就会弹出QQ浏览器的下载链接

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⼾的响应给篡改成"QQ浏览器"的下载地址了。

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。

那么为啥运营商要进行劫持?—— 赚钱....

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~

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
• 常⻅对称加密算法(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。

一个简单的对称加密例子

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(publickey,简称公钥)和私有密钥(privatekey,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。

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,生成⼀串固定长度的数字摘要。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窜改。

• 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。

数字签名

• 摘要经过加密,就得到数字签名

HTTPS 的工作过程探究

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。

方案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,每个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⼾端和每个密钥之间的关联关系,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.

方案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之后浏览器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,那么浏览器⽤公钥可以解密它,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。

方案3-双方都使用非对称加密

1. 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'?
2. 客户和服务端交换公钥
3. 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'
4. 服务端给客户端发信息:先用C对数据加密,在发送,只能由客户端解密,因为只有客户端有私钥C'?
这样做看似也可以,但是
• 效率太低
• 依旧有安全问题(后面讲)

方案4-非对称加密+对称加密

先解决效率问题

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,也无法还原出内部的原⽂,也就无法获取到对称密钥(真的吗?其实依旧有安全问题)
• 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
方案2,方案3,方案4都存在⼀个问题,如果最开始,中间人就已经开始攻击了呢?

中间人攻击-针对上面的场景

• Man-in-the-MiddleAttack,简称“MITM攻击”

确实,在方案2/3/4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

1. 服务器具有非对称加密算法的公钥S,私钥S'

2. 中间⼈具有非对称加密算法的公钥M,私钥M'

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 服务器拿到报⽂,用自己的私钥S'解密,得到通信秘钥X

8. 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

上面的攻击方案,同样适用于方案2,方案3

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!

引入证书

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。

基本说明:CA认证_百度百科

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,需要在特定平台生成查,会同时生成⼀对密钥对儿,即公钥和私钥。这对密钥对儿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:https://myssl.com/csr_create.html?

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 )

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,并专门为该网站形成数字签名,过程如下:

  1. 1. CA机构拥有非对称加密的私钥A和公钥A'
  2. 2. 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
  3. 3. 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

我们再将数据通过散列函数再生产数据摘要,然后将之前的数据签名用签名者的公钥解开得到的数据摘要,将这两个数据摘要进行比对,如果数据摘要一致说明数字签名有效,数据有效,相反,如果不一致,说明数据被篡改过了。

方案5-非对称加密+对称加密+证书认证

客户端进行认证

当客户端获取到这个证书之后,会对证书进行校验(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。

查看浏览器的受信任证书发布机构

浏览器,点击右上角的

选择"设置",搜索"证书管理",即可看到以下界⾯。(如果没有,在隐私设置和安全性->安全⾥⾯找找)

中间人有没有可能篡改该证书?

• 中间人篡改了证书的明文

• 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

中间人整个掉包证书?

• 因为中间人没有CA私钥,所以无法制作假的证书(为什么?)

• 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

常见问题

#1.为什么摘要内容在网络传输的时候一定要加密形成签名?

常见摘要算法有:MD5和SHA系列

以MD5为例,我们不需要研究具体的计算签名的过程,只需要了解MD5的特点:

• 定长:⽆论多长的字符串,计算出来的MD5值都是固定长度(16字节版本或者32字节版本)

• 分散:源字符串只要改变⼀点点,最终得到的MD5值都会差别很大。

• 不可逆:通过源字符串生成MD5很容易,但是通过MD5还原成原串理论上是不可能的。

正因为MD5有这样的特性,我们可以认为如果两个字符串的MD5值相同,则认为这两个字符串相同。

理解判定证书篡改的过程:(这个过程就好比判定这个⾝份证是不是伪造的⾝份证)

假设我们的证书只是⼀个简单的字符串hello,对这个字符串计算hash值(⽐如md5),结果为

BC4B2A76B9719D91

如果hello中有任意的字符被篡改了,比如变成了hella,那么计算的md5值就会变化很⼤.

BDBD6F9CF51F2FD8

然后我们可以把这个字符串hello和哈希值BC4B2A76B9719D91从服务器返回给客户端,此时客户端如何验证hello是否是被篡改过

那么就只要计算hello的哈希值,看看是不是BC4B2A76B9719D91即可.

#2. 但是这样还有个问题,如果黑客把hello篡改了,同时也把哈希值重新计算下,客户端就分辨不出来了呀。

所以被传输的哈希值不能传输明⽂,需要传输密文

所以,对证书明文(这⾥就是“hello”) hash形成散列摘要,然后CA用自己的私钥加密形成签名,将hello和加密的签名合起来形成CA证书,颁发给服务端,当客户端请求的时候,就发送给客户端,中间人截获了,因为没有CA私钥,就无法更改或者整体掉包,就能安全的证明,证书的合法性。最后,客户端通过操作系统⾥已经存的了的证书发布机构的公钥进行解密,还原出原始的哈希值,再进行校验。

#3. 为什么签名不直接加密,而是要先hash形成摘要?
• 缩小签名密文的长度,加快数字签名的验证签名的运算速度

# 4. 如何成为中间人-了解
• ARP欺骗:在局域网中,hacker经过收到ARPRequest⼴播包,能够偷听到其它节点的(IP,MAC)
地址。例,黑客收到两个主机A,B的地址,告诉B(受害者),⾃⼰是A,使得B在发送给A的数据包
都被⿊客截取
• ICMP攻击:由于ICMP协议中有重定向的报⽂类型,那么我们就可以伪造⼀个ICMP信息然后发送给局域网中的客⼾端,并伪装⾃⼰是⼀个更好的路由通路。从而导致目标所有的上网流量都会发送到我们指定的接⼝上,达到和ARP欺骗同样的效果
• 假wifi&&假网站等

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