最近大家在使用百度、谷歌或淘寶的時候，是不是注意瀏覽器左上角已經(jīng)全部出現(xiàn)了一把綠色鎖，這把鎖表明該網(wǎng)站已經(jīng)使用了 HTTPS 進行保護。仔細觀察，會發(fā)現(xiàn)這些網(wǎng)站已經(jīng)全站使用 HTTPS。同時，iOS 9 系統(tǒng)默認把所有的 http 請求都改為 HTTPS 請求。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)正在逐漸進入全站 HTTPS 時代。
因此有開發(fā)同學(xué)會問：
全站 HTTPS 能夠帶來怎樣的優(yōu)勢？HTTPS 的原理又是什么？同時，阻礙 HTTPS 普及的困難是什么？
為了解答大家的困惑，騰訊TEG架構(gòu)平臺部靜態(tài)加速組高級工程師劉強，為大家綜合參考多種資料并經(jīng)過實踐驗證，探究 HTTPS 的基礎(chǔ)原理，分析基本的 HTTPS 通信過程，迎接全站 HTTPS 的來臨。
1.HTTPS 基礎(chǔ)
HTTPS(Secure Hypertext Transfer Protocol)安全超文本傳輸協(xié)議 它是一個安全通信通道，它基于HTTP開發(fā)，用于在客戶計算機和服務(wù)器之間交換信息。它使用安全套接字層(SSL)進行信息交換，簡單來說它是HTTP的安全版,是使用 TLS/SSL 加密的 HTTP 協(xié)議。
HTTP 協(xié)議采用明文傳輸信息，存在信息竊聽、信息篡改和信息劫持的風(fēng)險，而協(xié)議 TLS/SSL 具有身份驗證、信息加密和完整性校驗的功能，可以避免此類問題。
TLS/SSL 全稱安全傳輸層協(xié)議 Transport Layer Security, 是介于 TCP 和 HTTP 之間的一層安全協(xié)議，不影響原有的 TCP 協(xié)議和 HTTP 協(xié)議，所以使用 HTTPS 基本上不需要對 HTTP 頁面進行太多的改造。
2.TLS/SSL 原理
HTTPS 協(xié)議的主要功能基本都依賴于 TLS/SSL 協(xié)議，本節(jié)分析安全協(xié)議的實現(xiàn)原理。
TLS/SSL 的功能實現(xiàn)主要依賴于三類基本算法：散列函數(shù) Hash、對稱加密和非對稱加密，其利用非對稱加密實現(xiàn)身份認證和密鑰協(xié)商，對稱加密算法采用協(xié)商的密鑰對數(shù)據(jù)加密，基于散列函數(shù)驗證信息的完整性。
散列函數(shù) Hash，常見的有 MD5、SHA1、SHA256，該類函數(shù)特點是函數(shù)單向不可逆、對輸入非常敏感、輸出長度固定，針對數(shù)據(jù)的任何修改都會改變散列函數(shù)的結(jié)果，用于防止信息篡改并驗證數(shù)據(jù)的完整性；對稱加密，常見的有 AES-CBC、DES、3DES、AES-GCM等，相同的密鑰可以用于信息的加密和解密，掌握密鑰才能獲取信息，能夠防止信息竊聽，通信方式是1對1；非對稱加密，即常見的 RSA 算法，還包括 ECC、DH 等算法，算法特點是，密鑰成對出現(xiàn)，一般稱為公鑰(公開)和私鑰(保密)，公鑰加密的信息只能私鑰解開，私鑰加密的信息只能公鑰解開。因此掌握公鑰的不同客戶端之間不能互相解密信息，只能和掌握私鑰的服務(wù)器進行加密通信，服務(wù)器可以實現(xiàn)1對多的通信，客戶端也可以用來驗證掌握私鑰的服務(wù)器身份。
在信息傳輸過程中，散列函數(shù)不能單獨實現(xiàn)信息防篡改，因為明文傳輸，中間人可以修改信息之后重新計算信息摘要，因此需要對傳輸?shù)男畔⒁约靶畔⒄M行加密；對稱加密的優(yōu)勢是信息傳輸1對1，需要共享相同的密碼，密碼的安全是保證信息安全的基礎(chǔ)，服務(wù)器和 N 個客戶端通信，需要維持 N 個密碼記錄，且缺少修改密碼的機制；非對稱加密的特點是信息傳輸1對多，服務(wù)器只需要維持一個私鑰就能夠和多個客戶端進行加密通信，但服務(wù)器發(fā)出的信息能夠被所有的客戶端解密，且該算法的計算復(fù)雜，加密速度慢。
結(jié)合三類算法的特點，TLS 的基本工作方式是，客戶端使用非對稱加密與服務(wù)器進行通信，實現(xiàn)身份驗證并協(xié)商對稱加密使用的密鑰，然后對稱加密算法采用協(xié)商密鑰對信息以及信息摘要進行加密通信，不同的節(jié)點之間采用的對稱密鑰不同，從而可以保證信息只能通信雙方獲取。
3.PKI 體系 3.1 RSA 身份驗證的隱患
身份驗證和密鑰協(xié)商是 TLS 的基礎(chǔ)功能，要求的前提是合法的服務(wù)器掌握著對應(yīng)的私鑰。但 RSA 算法無法確保服務(wù)器身份的合法性，因為公鑰并不包含服務(wù)器的信息，存在安全隱患:
客戶端 C 和服務(wù)器 S 進行通信，中間節(jié)點 M 截獲了二者的通信；
節(jié)點 M 自己計算產(chǎn)生一對公鑰 pub_M 和私鑰 pri_M;
C 向 S 請求公鑰時，M 把自己的公鑰 pub_M 發(fā)給了 C;
C 使用公鑰 pub_M 加密的數(shù)據(jù)能夠被 M 解密，因為 M 掌握對應(yīng)的私鑰 pri_M，而 C 無法根據(jù)公鑰信息判斷服務(wù)器的身份，從而 C 和 M 之間建立了”可信”加密連接;
中間節(jié)點 M 和服務(wù)器S之間再建立合法的連接，因此 C 和 S 之間通信被M完全掌握，M 可以進行信息的竊聽、篡改等操作。
另外，服務(wù)器也可以對自己的發(fā)出的信息進行否認，不承認相關(guān)信息是自己發(fā)出。
因此該方案下至少存在兩類問題：中間人攻擊和信息抵賴。
3.2 身份驗證-CA 和證書
解決上述身份驗證問題的關(guān)鍵是確保獲取的公鑰途徑是合法的，能夠驗證服務(wù)器的身份信息，為此需要引入權(quán)威的第三方機構(gòu) CA。CA 負責核實公鑰的擁有者的信息，并頒發(fā)認證”證書”，同時能夠為使用者提供證書驗證服務(wù)，即 PKI 體系。
基本的原理為，CA 負責審核信息，然后對關(guān)鍵信息利用私鑰進行”簽名”，公開對應(yīng)的公鑰，客戶端可以利用公鑰驗證簽名。CA 也可以吊銷已經(jīng)簽發(fā)的證書，基本的方式包括兩類 CRL 文件和 OCSP。CA 使用具體的流程如下：
a.服務(wù)方 S 向第三方機構(gòu)CA提交公鑰、組織信息、個人信息(域名)等信息并申請認證；
b.CA 通過線上、線下等多種手段驗證申請者提供信息的真實性，如組織是否存在、企業(yè)是否合法，是否擁有域名的所有權(quán)等；
c.如信息審核通過，CA 會向申請者簽發(fā)認證文件-證書。
證書包含以下信息：申請者公鑰、申請者的組織信息和個人信息、簽發(fā)機構(gòu) CA 的信息、有效時間、證書序列號等信息的明文，同時包含一個簽名；
簽名的產(chǎn)生算法：首先，使用散列函數(shù)計算公開的明文信息的信息摘要，然后，采用 CA 的私鑰對信息摘要進行加密，密文即簽名；
d.客戶端 C 向服務(wù)器 S 發(fā)出請求時，S 返回證書文件；
e.客戶端 C 讀取證書中的相關(guān)的明文信息，采用相同的散列函數(shù)計算得到信息摘要，然后，利用對應(yīng) CA 的公鑰解密簽名數(shù)據(jù)，對比證書的信息摘要，如果一致，則可以確認證書的合法性，即公鑰合法；
f.客戶端然后驗證證書相關(guān)的域名信息、有效時間等信息；
g.客戶端會內(nèi)置信任 CA 的證書信息(包含公鑰)，如果CA不被信任，則找不到對應(yīng) CA 的證書，證書也會被判定非法。
在這個過程注意幾點：
a.申請證書不需要提供私鑰，確保私鑰永遠只能服務(wù)器掌握；
b.證書的合法性仍然依賴于非對稱加密算法，證書主要是增加了服務(wù)器信息以及簽名；
c.內(nèi)置 CA 對應(yīng)的證書稱為根證書，頒發(fā)者和使用者相同，自己為自己簽名，即自簽名證書；
d.證書=公鑰+申請者與頒發(fā)者信息+簽名；
3.3 證書鏈
如 CA 根證書和服務(wù)器證書中間增加一級證書機構(gòu)，即中間證書，證書的產(chǎn)生和驗證原理不變，只是增加一層驗證，只要最后能夠被任何信任的CA根證書驗證合法即可。
a.服務(wù)器證書 server.pem 的簽發(fā)者為中間證書機構(gòu) inter，inter 根據(jù)證書 inter.pem 驗證 server.pem 確實為自己簽發(fā)的有效證書；
b.中間證書 inter.pem 的簽發(fā) CA 為 root，root 根據(jù)證書 root.pem 驗證 inter.pem 為自己簽發(fā)的合法證書；
c.客戶端內(nèi)置信任 CA 的 root.pem 證書，因此服務(wù)器證書 server.pem 的被信任。
服務(wù)器證書、中間證書與根證書在一起組合成一條合法的證書鏈，證書鏈的驗證是自下而上的信任傳遞的過程。
二級證書結(jié)構(gòu)存在的優(yōu)勢：
a.減少根證書結(jié)構(gòu)的管理工作量，可以更高效的進行證書的審核與簽發(fā)；
b.根證書一般內(nèi)置在客戶端中，私鑰一般離線存儲，一旦私鑰泄露，則吊銷過程非常困難，無法及時補救；
c.中間證書結(jié)構(gòu)的私鑰泄露，則可以快速在線吊銷，并重新為用戶簽發(fā)新的證書；
d.證書鏈四級以內(nèi)一般不會對 HTTPS 的性能造成明顯影響。
證書鏈有以下特點：
a.同一本服務(wù)器證書可能存在多條合法的證書鏈。
因為證書的生成和驗證基礎(chǔ)是公鑰和私鑰對，如果采用相同的公鑰和私鑰生成不同的中間證書，針對被簽發(fā)者而言，該簽發(fā)機構(gòu)都是合法的 CA，不同的是中間證書的簽發(fā)機構(gòu)不同；
b.不同證書鏈的層級不一定相同，可能二級、三級或四級證書鏈。
中間證書的簽發(fā)機構(gòu)可能是根證書機構(gòu)也可能是另一個中間證書機構(gòu)，所以證書鏈層級不一定相同。
3.4 證書吊銷
CA 機構(gòu)能夠簽發(fā)證書，同樣也存在機制宣布以往簽發(fā)的證書無效。證書使用者不合法，CA 需要廢棄該證書；或者私鑰丟失，使用者申請讓證書無效。主要存在兩類機制：CRL 與 OCSP。
(a) CRL
Certificate Revocation List, 證書吊銷列表，一個單獨的文件。該文件包含了 CA 已經(jīng)吊銷的證書序列號(唯一)與吊銷日期，同時該文件包含生效日期并通知下次更新該文件的時間，當然該文件必然包含 CA 私鑰的簽名以驗證文件的合法性。
證書中一般會包含一個 URL 地址 CRL Distribution Point，通知使用者去哪里下載對應(yīng)的 CRL 以校驗證書是否吊銷。該吊銷方式的優(yōu)點是不需要頻繁更新，但是不能及時吊銷證書，因為 CRL 更新時間一般是幾天，這期間可能已經(jīng)造成了極大損失。
(b) OCSP
Online Certificate Status Protocol, 證書狀態(tài)在線查詢協(xié)議，一個實時查詢證書是否吊銷的方式。請求者發(fā)送證書的信息并請求查詢，服務(wù)器返回正常、吊銷或未知中的任何一個狀態(tài)。證書中一般也會包含一個 OCSP 的 URL 地址，要求查詢服務(wù)器具有良好的性能。部分 CA 或大部分的自簽 CA (根證書)都是未提供 CRL 或 OCSP 地址的，對于吊銷證書會是一件非常麻煩的事情。
4.TLS/SSL握手過程
4.1握手與密鑰協(xié)商過程
基于 RSA 握手和密鑰交換的客戶端驗證服務(wù)器為示例詳解握手過程。
1.client_hello
客戶端發(fā)起請求，以明文傳輸請求信息，包含版本信息，加密套件候選列表，壓縮算法候選列表，隨機數(shù)，擴展字段等信息，相關(guān)信息如下：
支持的最高TSL協(xié)議版本version，從低到高依次 SSLv2 SSLv3 TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2，當前基本不再使用低于 TLSv1 的版本；
客戶端支持的加密套件 cipher suites 列表， 每個加密套件對應(yīng)前面 TLS 原理中的四個功能的組合：認證算法 Au (身份驗證)、密鑰交換算法 KeyExchange(密鑰協(xié)商)、對稱加密算法 Enc (信息加密)和信息摘要 Mac(完整性校驗);
支持的壓縮算法 compression methods 列表，用于后續(xù)的信息壓縮傳輸；
隨機數(shù) random_C，用于后續(xù)的密鑰的生成；
擴展字段 extensions，支持協(xié)議與算法的相關(guān)參數(shù)以及其它輔助信息等，常見的 SNI 就屬于擴展字段，后續(xù)單獨討論該字段作用。
2.server_hello+server_certificate+sever_hello_done
(a) server_hello, 服務(wù)端返回協(xié)商的信息結(jié)果，包括選擇使用的協(xié)議版本 version，選擇的加密套件 cipher suite，選擇的壓縮算法 compression method、隨機數(shù) random_S 等，其中隨機數(shù)用于后續(xù)的密鑰協(xié)商;
(b)server_certificates, 服務(wù)器端配置對應(yīng)的證書鏈，用于身份驗證與密鑰交換；
(c) server_hello_done，通知客戶端 server_hello 信息發(fā)送結(jié)束；
3.證書校驗
客戶端驗證證書的合法性，如果驗證通過才會進行后續(xù)通信，否則根據(jù)錯誤情況不同做出提示和操作，合法性驗證包括如下：
證書鏈的可信性 trusted certificate path，方法如前文所述；
證書是否吊銷 revocation，有兩類方式離線 CRL 與在線 OCSP，不同的客戶端行為會不同；
有效期 expiry date，證書是否在有效時間范圍；
域名 domain，核查證書域名是否與當前的訪問域名匹配，匹配規(guī)則后續(xù)分析；
4.client_key_exchange+change_cipher_spec+encrypted_handshake_message
(a) client_key_exchange，合法性驗證通過之后，客戶端計算產(chǎn)生隨機數(shù)字 Pre-master，并用證書公鑰加密，發(fā)送給服務(wù)器；
(b) 此時客戶端已經(jīng)獲取全部的計算協(xié)商密鑰需要的信息：兩個明文隨機數(shù) random_C 和 random_S 與自己計算產(chǎn)生的 Pre-master，計算得到協(xié)商密鑰;
enc_key=Fuc(random_C, random_S, Pre-Master)
(c) change_cipher_spec，客戶端通知服務(wù)器后續(xù)的通信都采用協(xié)商的通信密鑰和加密算法進行加密通信;
(d) encrypted_handshake_message，結(jié)合之前所有通信參數(shù)的 hash 值與其它相關(guān)信息生成一段數(shù)據(jù)，采用協(xié)商密鑰 session secret 與算法進行加密，然后發(fā)送給服務(wù)器用于數(shù)據(jù)與握手驗證;
5.change_cipher_spec+encrypted_handshake_message
(a) 服務(wù)器用私鑰解密加密的 Pre-master 數(shù)據(jù)，基于之前交換的兩個明文隨機數(shù) random_C 和 random_S，計算得到協(xié)商密鑰:enc_key=Fuc(random_C, random_S, Pre-Master)；
(b) 計算之前所有接收信息的 hash 值，然后解密客戶端發(fā)送的 encrypted_handshake_message，驗證數(shù)據(jù)和密鑰正確性；
(c) change_cipher_spec, 驗證通過之后，服務(wù)器同樣發(fā)送 change_cipher_spec 以告知客戶端后續(xù)的通信都采用協(xié)商的密鑰與算法進行加密通信；
(d) encrypted_handshake_message, 服務(wù)器也結(jié)合所有當前的通信參數(shù)信息生成一段數(shù)據(jù)并采用協(xié)商密鑰 session secret 與算法加密并發(fā)送到客戶端；
6.握手結(jié)束
客戶端計算所有接收信息的 hash 值，并采用協(xié)商密鑰解密 encrypted_handshake_message，驗證服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)和密鑰，驗證通過則握手完成；
7.加密通信
開始使用協(xié)商密鑰與算法進行加密通信。
注意：
(a) 服務(wù)器也可以要求驗證客戶端，即雙向認證，可以在過程2要發(fā)送 client_certificate_request 信息，客戶端在過程4中先發(fā)送 client_certificate與certificate_verify_message 信息，證書的驗證方式基本相同，certificate_verify_message 是采用client的私鑰加密的一段基于已經(jīng)協(xié)商的通信信息得到數(shù)據(jù)，服務(wù)器可以采用對應(yīng)的公鑰解密并驗證；
(b) 根據(jù)使用的密鑰交換算法的不同，如 ECC 等，協(xié)商細節(jié)略有不同，總體相似；
(c) sever key exchange 的作用是 server certificate 沒有攜帶足夠的信息時，發(fā)送給客戶端以計算 pre-master，如基于 DH 的證書，公鑰不被證書中包含，需要單獨發(fā)送；
(d) change cipher spec 實際可用于通知對端改版當前使用的加密通信方式，當前沒有深入解析；
(e) alter message 用于指明在握手或通信過程中的狀態(tài)改變或錯誤信息，一般告警信息觸發(fā)條件是連接關(guān)閉，收到不合法的信息，信息解密失敗，用戶取消操作等，收到告警信息之后，通信會被斷開或者由接收方?jīng)Q定是否斷開連接。
4.2會話緩存握手過程
為了加快建立握手的速度，減少協(xié)議帶來的性能降低和資源消耗(具體分析在后文)，TLS 協(xié)議有兩類會話緩存機制：會話標識 session ID 與會話記錄 session ticket。
session ID 由服務(wù)器端支持，協(xié)議中的標準字段，因此基本所有服務(wù)器都支持，服務(wù)器端保存會話ID以及協(xié)商的通信信息，Nginx 中1M 內(nèi)存約可以保存4000個 session ID 機器相關(guān)信息，占用服務(wù)器資源較多；
session ticket 需要服務(wù)器和客戶端都支持，屬于一個擴展字段，支持范圍約60%(無可靠統(tǒng)計與來源)，將協(xié)商的通信信息加密之后發(fā)送給客戶端保存，密鑰只有服務(wù)器知道，占用服務(wù)器資源很少。
二者對比，主要是保存協(xié)商信息的位置與方式不同，類似與 http 中的 session 與 cookie。
二者都存在的情況下，(nginx 實現(xiàn))優(yōu)先使用 session_ticket。
握手過程如下圖：
注意：雖然握手過程有1.5個來回，但是最后客戶端向服務(wù)器發(fā)送的第一條應(yīng)用數(shù)據(jù)不需要等待服務(wù)器返回的信息，因此握手延時是1*RTT。
1.會話標識 session ID
(a) 如果客戶端和服務(wù)器之間曾經(jīng)建立了連接，服務(wù)器會在握手成功后返回 session ID，并保存對應(yīng)的通信參數(shù)在服務(wù)器中；
(b) 如果客戶端再次需要和該服務(wù)器建立連接，則在 client_hello 中 session ID 中攜帶記錄的信息，發(fā)送給服務(wù)器；
(c) 服務(wù)器根據(jù)收到的 session ID 檢索緩存記錄，如果沒有檢索到貨緩存過期，則按照正常的握手過程進行；
(d) 如果檢索到對應(yīng)的緩存記錄，則返回 change_cipher_spec 與 encrypted_handshake_message 信息，兩個信息作用類似，encrypted_handshake_message 是到當前的通信參數(shù)與 master_secret的hash 值；
(f) 如果客戶端能夠驗證通過服務(wù)器加密數(shù)據(jù)，則客戶端同樣發(fā)送 change_cipher_spec 與 encrypted_handshake_message 信息；
(g) 服務(wù)器驗證數(shù)據(jù)通過，則握手建立成功，開始進行正常的加密數(shù)據(jù)通信。
2.會話記錄 session ticket
(a) 如果客戶端和服務(wù)器之間曾經(jīng)建立了連接，服務(wù)器會在 new_session_ticket 數(shù)據(jù)中攜帶加密的 session_ticket 信息，客戶端保存；
(b) 如果客戶端再次需要和該服務(wù)器建立連接，則在 client_hello 中擴展字段 session_ticket 中攜帶加密信息，一起發(fā)送給服務(wù)器；
(c) 服務(wù)器解密 sesssion_ticket 數(shù)據(jù)，如果能夠解密失敗，則按照正常的握手過程進行；
(d) 如果解密成功，則返回 change_cipher_spec 與 encrypted_handshake_message 信息，兩個信息作用與 session ID 中類似；
(f) 如果客戶端能夠驗證通過服務(wù)器加密數(shù)據(jù)，則客戶端同樣發(fā)送 change_cipher_spec與encrypted_handshake_message 信息；
(g) 服務(wù)器驗證數(shù)據(jù)通過，則握手建立成功，開始進行正常的加密數(shù)據(jù)通信。
4.3 重建連接
重建連接 renegotiation 即放棄正在使用的 TLS 連接，從新進行身份認證和密鑰協(xié)商的過程，特點是不需要斷開當前的數(shù)據(jù)傳輸就可以重新身份認證、更新密鑰或算法，因此服務(wù)器端存儲和緩存的信息都可以保持?？蛻舳撕头?wù)器都能夠發(fā)起重建連接的過程，當前 windows 2000 & XP 與 SSL 2.0不支持。
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