HTTPS工作原理

超文本传输协议（HTTP）是一种用于传输超媒体文档（如HTML）的应用层协议。它最初设计用于Web浏览器和Web服务器之间的通信，但随着后续发展，其应用不仅限于此，成熟的软硬件环境使其成为互联网的基础设施。我相信您一定接触过它，它就像软件开发中的水或空气一样普遍。

但作为程序员，我们可能会因其普遍性而忽略许多关键信息，导致在日常工作开发中出现一些问题却不知道如何解决。本文将向您介绍其中一个关键信息——HTTPS。

为什么需要HTTPS？

它为什么出现？它出现是为了解决什么问题？要回答上述问题，我们需要先分析HTTP的特点。 HTTP的特点是简单、灵活、易于扩展，但同时也是无状态的（您可以使用Cookie技术实现"有状态"），并且以明文传输，这意味着其数据完全可见，容易被窃听或伪造。

同时，HTTP被广泛使用，因此在线支付等高安全性要求的场景需要相应的安全措施，于是HTTPS出现了。

什么是HTTPS？

HTTPS的RFC文档内容非常少。它规定了一个新的协议名称"HTTPS"，默认端口号为443，即在TCP和HTTP之间插入一个"安全层"。

这个安全层，顾名思义，对发送的数据进行加密，对接收的数据进行解密，使得中间人无法窃取信息。那么只要理解这个安全层，您也就理解了HTTPS。 SSL是安全套接字层，位于OSI模型中的第6层（表示层）。它由Netscape于1994年发明。有两个版本，v2和v3，v1因其缺陷从未公开。当SSL发展到v3时，它证明了自己是一个非常优秀的安全通信协议，因此互联网工程组IETF于1999年将其重命名为TLS（传输层安全），并正式标准化，版本号从1.0重新计算，因此TLS 1.0实际上是SSL 3.1。目前，TLS已经发展了三个版本，分别是2006年的1.1、2008年的1.2和2018年的1.3，每个新版本都在持续增强安全性和性能。目前最广泛使用的是TLS 1.2，所以让我们揭开TLS 1.2的秘密！

HTTPS（TLS 1.2）的秘密

让我先解释上图：握手阶段：

客户端生成一个客户端随机数（client-random），然后将其支持的对称密码套件和非对称密码套件传递给服务器。
服务器接收后，将从加密套件中选择要使用的加密算法，生成一个服务器随机数（server-random）并将服务的证书传递给客户端。
客户端接收后，首先验证证书。如果证书有效，它将生成一个预主随机数（pre-master random number），使用证书中的公钥和选择的非对称加密算法进行加密，然后传递给服务器。它还会附带一个客户端完成确认消息。
服务器接收加密的预主随机数，可以使用私钥解密。然后将服务器完成确认消息传递给客户端。

传输阶段：握手阶段结束后，两端已经拥有客户端随机数、服务器随机数和预主随机数。混合它们生成最终的主密钥（master secret），并使用先前选择的对称加密算法对需要传输的数据进行加密和解密。天啊，这么麻烦吗？我只是想发送数据而已？当我第一次看到它时也是这么想的。让我们耐心仔细看看，其实并没有那么难。

什么是对称加密和非对称加密？

让我们先解释上面提到的对称加密和非对称加密。对称加密意味着加密和解密使用相同的密钥。非对称加密有两个密钥，A和B。如果您使用A密钥加密，只能使用B密钥解密；反之，如果您想使用B密钥加密，只能使用A密钥解密。在HTTPS的握手阶段，我们使用非对称加密，为什么？假设我们使用对称加密：

从上图可以看出，传递的客户端随机数、服务随机数和对称加密套件都是明文，这导致如果黑客获取数据，他们可以生成相同的密钥，从而破解数据。如果我们使用非对称加密，客户端加密的预主随机数只能由服务器存储的密钥解密。

什么是CA证书？

因为一旦黑客使用DNS劫持，将用户想要访问的IP地址替换为黑客的IP地址，请求将直接发送到黑客的服务。他在自己的服务上实现了公钥和私钥，而客户端完全不知道！所以我们需要CA（证书颁发机构）证书机构帮助我们证明这个服务是我们想要访问的服务！

如何检查CA证书的有效性？

客户端将按照以下流程进行验证：

检查证书是否已过期
检查是否被CA吊销
检查证书是否由CA机构颁发。我们将使用原始证书信息计算消息摘要，使用CA公钥解密证书中的数字签名，然后将消息摘要与数字签名进行比较。
证明CA组织的合法性。CA认证链是树形结构，逐步找到根CA证书。根CA证书（自签名证书）内置在系统中。要求非常严格。如果根CA证书有效，也证明证书有效。但如果恶意软件将不合法的根CA证书注入用户的系统，那就没有办法了。

为什么传输阶段使用对称加密？

这是因为对称加密算法通常使用位运算，而非对称加密主要是RSA中一些大数乘法的计算，因此非对称加密的效率非常低，会严重影响传输速度，使用户体验非常差。而我们在握手阶段生成的主密钥足够安全，因此我们可以在传输阶段使用对称加密。