HTTPS 簡介

在日常互聯(lián)網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁時，我們接觸到的大多都是 HTTP 協(xié)議，這種協(xié)議是未加密，即明文的。這使得 HTTP 協(xié)議在傳輸隱私數(shù)據(jù)時非常不安全。因此，瀏覽器鼻祖 Netscape 公司設(shè)計了 SSL（Secure Sockets Layer） 協(xié)議，用于對 HTTP 協(xié)議傳輸進行數(shù)據(jù)加密，即 HTTPS 。

HTTPS 和HTTP 協(xié)議相比提供了：

數(shù)據(jù)完整性：內(nèi)容傳輸經(jīng)過完整性校驗
數(shù)據(jù)隱私性：內(nèi)容經(jīng)過對稱加密，每個連接生成一個唯一的加密密鑰
身份認(rèn)證：第三方無法偽造服務(wù)端（客戶端）身份

SSL 目前版本是 3.0，之后升級為了 TLS（Transport Layer Security） 協(xié)議，TLS 目前為 1.2 版本。如未特別說明，SSL 與 TLS 均指同一協(xié)議。

HTTPS 工作原理

網(wǎng)絡(luò)通信（握手過程）

此圖非常詳盡的描述了 HTTPS 在通訊過程中的原理，總共分為 8 步。

Https 原理

STEP 1: 客戶端發(fā)起HTTPS 請求

SSL 連接總是由客戶端啟動，在 SSL 會話開始時，執(zhí)行 SSL 握手。用戶在瀏覽器里輸入一個https 網(wǎng)址，然后連接到server 的443 端口。
客戶端發(fā)送以下：

列出客戶端密支持的加密方式列表（以客戶端首選項順序排序），如 SSL 的版本、客戶端支持的加密算法和客戶端支持的數(shù)據(jù)壓縮方法(Hash 算法)。
包含 28 字節(jié)的隨機數(shù)，client_random

以下是 Wireshark 抓包所得

Transmission Control Protocol, Src Port: 28258 (28258), Dst Port: 443 (443), Seq: 1, Ack: 1, Len: 517
    Source Port: 28258
    Destination Port: 443
    [Stream index: 13]
    [TCP Segment Len: 517]
    ......
Secure Sockets Layer
    TLSv1 Record Layer: Handshake Protocol: Client Hello
        // 握手記錄
        Content Type: Handshake (22)
        // 0x0301 可以看出 TLS 是基于 SSL 3.1 構(gòu)建而來
        Version: TLS 1.0 (0x0301)  
        Length: 512
        Handshake Protocol: Client Hello
            Handshake Type: Client Hello (1)
            Length: 508
            Version: TLS 1.2 (0x0303)
            Random
                GMT Unix Time: Jun 20, 2025 23:30:57.000000000 ?й???????
                // 28 字節(jié)隨機數(shù) client_random
                Random Bytes: 12154d457c935c162fb8c0062572a5f84639b06289c51bf2...
            Session ID Length: 32
            // 可能為空，如果之前登陸過，則可以恢復(fù)之前的會話，避免一個完整的握手過程
            Session ID: c958100d8b678c0b071b54e977b456c06a233c08b9e2dd42...    
            Cipher Suites Length: 34
            // 密文族，列舉瀏覽器所支持的加密算法清單
            Cipher Suites (17 suites)    
                Cipher Suite: Unknown (0xcca9)
                Cipher Suite: Unknown (0xcca8)
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcc14)
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcc13)
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02b)
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 (0xc02c)
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 (0xc030)
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0xc009)
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0xc013)
                // 推薦使用
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0xc00a)    
                Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0xc014)
                Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0x009c)
                Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 (0x009d)
                Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0x002f)
                Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0x0035)
                Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA (0x000a)
            Compression Methods Length: 1
            Compression Methods (1 method)
                Compression Method: null (0)
            Extensions Length: 401
            Extension: renegotiation_info
                Type: renegotiation_info (0xff01)
                Length: 1
                Renegotiation Info extension
                    Renegotiation info extension length: 0
            Extension: server_name
                Type: server_name (0x0000)
                Length: 36
                Server Name Indication extension
                    Server Name list length: 34
                    Server Name Type: host_name (0)
                    Server Name length: 31
                    // 允許服務(wù)器對瀏覽器的請求授予相應(yīng)的證書。
                    Server Name: images-cn.ssl-images-amazon.com    
            Extension: Extended Master Secret
                Type: Extended Master Secret (0x0017)
                Length: 0
            Extension: SessionTicket TLS
                Type: SessionTicket TLS (0x0023)
                Length: 192
                Data (192 bytes)
            Extension: signature_algorithms
                Type: signature_algorithms (0x000d)
                Length: 18
                Signature Hash Algorithms Length: 16
                // Hash 算法，用于簽名
                Signature Hash Algorithms (8 algorithms)    
                    Signature Hash Algorithm: 0x0601
                        Signature Hash Algorithm Hash: SHA512 (6)
                        Signature Hash Algorithm Signature: RSA (1)
                    Signature Hash Algorithm: 0x0603
                        Signature Hash Algorithm Hash: SHA512 (6)
                        Signature Hash Algorithm Signature: ECDSA (3)
                    Signature Hash Algorithm: 0x0501
                        Signature Hash Algorithm Hash: SHA384 (5)
                        Signature Hash Algorithm Signature: RSA (1)
                    Signature Hash Algorithm: 0x0503
                        Signature Hash Algorithm Hash: SHA384 (5)
                        Signature Hash Algorithm Signature: ECDSA (3)
                    Signature Hash Algorithm: 0x0401
                        Signature Hash Algorithm Hash: SHA256 (4)
                        Signature Hash Algorithm Signature: RSA (1)
                    Signature Hash Algorithm: 0x0403
                        Signature Hash Algorithm Hash: SHA256 (4)
                        Signature Hash Algorithm Signature: ECDSA (3)
                    Signature Hash Algorithm: 0x0201
                        Signature Hash Algorithm Hash: SHA1 (2)
                        Signature Hash Algorithm Signature: RSA (1)
                    Signature Hash Algorithm: 0x0203
                        Signature Hash Algorithm Hash: SHA1 (2)
                        Signature Hash Algorithm Signature: ECDSA (3)
            Extension: status_request
                Type: status_request (0x0005)
                Length: 5
                Certificate Status Type: OCSP (1)
                Responder ID list Length: 0
                Request Extensions Length: 0
            Extension: signed_certificate_timestamp
                Type: signed_certificate_timestamp (0x0012)
                Length: 0
                Data (0 bytes)
            Extension: Application Layer Protocol Negotiation
                Type: Application Layer Protocol Negotiation (0x0010)
                Length: 14
                ALPN Extension Length: 12
                ALPN Protocol
                    ALPN string length: 2
                    ALPN Next Protocol: h2
                    ALPN string length: 8
                    ALPN Next Protocol: http/1.1
            Extension: channel_id
                Type: channel_id (0x7550)
                Length: 0
                Data (0 bytes)
            Extension: ec_point_formats
                Type: ec_point_formats (0x000b)
                Length: 2
                EC point formats Length: 1
                Elliptic curves point formats (1)
                    EC point format: uncompressed (0)
            Extension: elliptic_curves
                Type: elliptic_curves (0x000a)
                Length: 8
                Elliptic Curves Length: 6
                Elliptic curves (3 curves)
                    Elliptic curve: Unknown (0x001d)
                    Elliptic curve: secp256r1 (0x0017)
                    Elliptic curve: secp384r1 (0x0018)
            Extension: Padding
                Type: Padding (0x0015)
                Length: 77
                Padding Data: 000000000000000000000000000000000000000000000000...
                    Padding length: 0
                    Padding Data: <MISSING>

STEP 2: 服務(wù)端的配置

采用HTTPS 協(xié)議的服務(wù)器必須要有一套數(shù)字證書，可以自己制作，也可以向組織申請。區(qū)別就是自己頒發(fā)的證書需要客戶端驗證通過，才可以繼續(xù)訪問，而使用受信任的公司申請的證書則不會彈出提示頁面。這套證書其實就是一對公鑰和私鑰。
** 如果對公鑰和私鑰不太理解，可以想象成一把鑰匙和一個鎖頭，只是全世界只有你一個人有這把鑰匙，你可以把鎖頭給別人，別人可以用這個鎖把重要的東西鎖起來，然后發(fā)給你，因為只有你一個人有這把鑰匙，所以只有你才能看到被這把鎖鎖起來的東西。** 客戶端和服務(wù)器至少必須支持一個公共密碼對，否則握手失敗。服務(wù)器一般選擇最大的公共密碼對。

STEP 3: 傳送證書

服務(wù)器端返回以下：

服務(wù)器端選出的一套加密算法和 Hash 算法
服務(wù)器生成的隨機數(shù) server_random
SSL 數(shù)字證書（服務(wù)器使用帶有 SSL 的 X.509 V3 數(shù)字證書），這個證書包含網(wǎng)站地址，公鑰 public_key ，證書的頒發(fā)機構(gòu)，過期時間等等。

Transmission Control Protocol, Src Port: 443 (443), Dst Port: 28258 (28258), Seq: 1, Ack: 518, Len: 137
    Source Port: 443
    Destination Port: 28258
    [Stream index: 13]
    [TCP Segment Len: 137]
    Sequence number: 1    (relative sequence number)
    [Next sequence number: 138    (relative sequence number)]
    Acknowledgment number: 518    (relative ack number)
    Header Length: 20 bytes
    Flags: 0x018 (PSH, ACK)
    ......
Secure Sockets Layer
    TLSv1 Record Layer: Handshake Protocol: Server Hello
        Content Type: Handshake (22)
        Version: TLS 1.0 (0x0301)
        Length: 81
        Handshake Protocol: Server Hello
            Handshake Type: Server Hello (2)
            Length: 77
            Version: TLS 1.0 (0x0301)
            Random
                GMT Unix Time: Mar  1, 2090 17:07:25.000000000 ?й???????
                // 28 字節(jié)的隨機數(shù) server_random
                Random Bytes: 903945ed14db8e4151d651814ed7067c0e9c115d94ff6af7...    
            Session ID Length: 32
            Session ID: c958100d8b678c0b071b54e977b456c06a233c08b9e2dd42...
            // 加密族中，服務(wù)器最終選擇了這個。意味著服務(wù)器之后會使用 RSA 公鑰加密算法來區(qū)分證書簽名和交換密鑰，通過 3DES 加密算法來加密數(shù)據(jù)，通過 SHA 算法來校驗信息
            Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA (0x000a)    
            Compression Method: null (0)
            Extensions Length: 5
            Extension: renegotiation_info
                Type: renegotiation_info (0xff01)
                Length: 1
                Renegotiation Info extension
                    Renegotiation info extension length: 0
    TLSv1 Record Layer: Change Cipher Spec Protocol: Change Cipher Spec
        Content Type: Change Cipher Spec (20)
        Version: TLS 1.0 (0x0301)
        Length: 1
        Change Cipher Spec Message
            [Expert Info (Note/Sequence): This session reuses previously negotiated keys (Session resumption)]
                [This session reuses previously negotiated keys (Session resumption)]
                [Severity level: Note]
                [Group: Sequence]
    TLSv1 Record Layer: Handshake Protocol: Encrypted Handshake Message
        Content Type: Handshake (22)
        Version: TLS 1.0 (0x0301)
        Length: 40
        Handshake Protocol: Encrypted Handshake Message

STEP 4: 客戶端解析證書

這部分工作是由客戶端的TLS 來完成的。

首先會驗證證書是否有效，這是對服務(wù)端的一種認(rèn)證，比如頒發(fā)機構(gòu)，過期時間等等，如果發(fā)現(xiàn)異常，則會彈出一個警告框，提示證書存在問題。
如果證書沒有問題，那么瀏覽器根據(jù)步驟 3 的 server_random 生成一個隨機值 premaster_secret （前 2 個字節(jié)是協(xié)議版本號，后 46 字節(jié)是用在對稱加密密鑰的隨機數(shù)字）和 master_secret 。 master_secret 的生成需要 premaster_key ，并需要 client_random 和 server_random 作為種子
```
master_secret = PRF(pre_master_secret, "master secret", client_random + server_random)
```
現(xiàn)在，各方面已經(jīng)有了主密鑰 master_secret ，根據(jù)協(xié)議約定，我們需要利用PRF 生成這個會話中所需要的各種密鑰，稱之為“密鑰塊”（Key Block ）：
```
key_block = PRF(SecurityParameters.master_secret, "key expansion", SecurityParameters.server_random + SecurityParameters.client_random);
密鑰塊用于構(gòu)成以下密鑰：
client_write_MAC_secret[SecurityParameters.hash_size]
server_write_MAC_secret[SecurityParameters.hash_size]
client_write_key[SecurityParameters.key_material_length]
server_write_key[SecurityParameters.key_material_length]
client_write_IV[SecurityParameters.IV_size]
server_write_IV[SecurityParameters.IV_size]
```
這是由系列 Hash 值組成，它將作為數(shù)據(jù)加解密相關(guān)的Key Material ，包含六部分內(nèi)容，分別是用于校驗一致性的密鑰，用于對稱內(nèi)容加解密的密鑰，以及初始化向量，客戶端和服務(wù)器端各一份。其中，write MAC key ，就是session secret 或者說是session key 。Client write MAC key 是客戶端發(fā)數(shù)據(jù)的session secret ，Server write MAC secret 是服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)的session key 。MAC(Message Authentication Code) ，是一個數(shù)字簽名，用來驗證數(shù)據(jù)的完整性，可以檢測到數(shù)據(jù)是否被串改。然后用證書公鑰 public_key 對該隨機值進行加密。就好像上面說的，把隨機值用鎖頭鎖起來，這樣除非有鑰匙，不然看不到被鎖住的內(nèi)容。
Hash 握手信息，用第3步返回約定好的 Hash 算法對握手信息取 Hash 值，然后用隨機數(shù)加密“握手消息+握手消息 Hash 值（簽名）”

STEP 5: 傳送加密信息

客戶端發(fā)送以下：

客戶端發(fā)送公鑰 public_key 加密的 premaster secret 。目的就是讓服務(wù)端得到這個隨機值，以后客戶端和服務(wù)端的通信就可以通過這個隨機值來進行加密解密了。

STEP 6: 服務(wù)端解密信息

服務(wù)端用私鑰 private_key 解密后，得到了客戶端傳過來的隨機值 premaster_secret(私鑰)，又由于服務(wù)器在步驟 1 中收到的 client_random ，所以服務(wù)器根據(jù)相同的生成算法，在相同輸入?yún)?shù)的情況下，得到相同的 master_secret 。然后把內(nèi)容通過該值進行對稱加密。
所謂對稱加密就是，將信息和私鑰通過某種算法混合在一起，這樣除非知道私鑰，不然無法獲取內(nèi)容，而正好客戶端和服務(wù)端都知道這個私鑰，所以只要加密算法夠彪悍，私鑰夠復(fù)雜，數(shù)據(jù)就夠安全。

STEP 7: 傳輸加密后的信息

服務(wù)器端返回以下：
將被 premaster_key 對稱加密的信息返回客戶端，客戶端可還原

STEP 8: 客戶端解密信息

客戶端用之前生成的私鑰解密服務(wù)段傳過來的信息，于是獲取了解密后的內(nèi)容。整個過程第三方即使監(jiān)聽到了數(shù)據(jù)，也束手無策。

SSL/TLS

TCP/IP協(xié)議棧中TLS各子協(xié)議和HTTP的關(guān)系

HTTPS 可以認(rèn)為是 HTTP + TLS。TLS 是傳輸層加密協(xié)議TLS 協(xié)議本身又是由 record 協(xié)議傳輸?shù)模瑀ecord 協(xié)議的格式如下圖

general-format-of-all-TLS-records

TLS 協(xié)議主要有五種類型 Content Type：
Content types

Hex	Dec	Type
0x14	20	加密消息確認(rèn)協(xié)議 ChangeCipherSpec
0x15	21	報警協(xié)議 Alert
0x16	22	握手協(xié)議 Handshake
0x17	23	應(yīng)用數(shù)據(jù)層協(xié)議 Application
0x18	24	心跳協(xié)議 Heartbeat

加密方式

加密算法一般分為對稱加密與非對稱加密。

對稱加密

客戶端與服務(wù)器使用相同的密鑰對消息進行加密
優(yōu)點：

加密強度高，很難被破解
計算量小，僅為非對稱加密計算量的 0.1%

缺點：

無法安全的生成和管理密鑰
服務(wù)器管理大量客戶端密鑰復(fù)雜

非對稱加密

非對稱指加密與解密的密鑰為兩種密鑰。服務(wù)器提供公鑰，客戶端通過公鑰對消息進行加密，并由服務(wù)器端的私鑰對密文進行解密。

優(yōu)點：安全

缺點

性能低下，CPU 計算資源消耗巨大，一次完全的 TLS 握手，密鑰交換時的非對稱加密解密占了整個握手過程的 90% 以上。而對稱加密的計算量只相當(dāng)于非對稱加密的 0.1%，因此如果對應(yīng)用層使用非對稱加密，性能開銷過大，無法承受。
非對稱加密對加密內(nèi)容長度有限制，不能超過公鑰的長度。比如現(xiàn)在常用的公鑰長度是 2048 位，意味著被加密消息內(nèi)容不能超過 256 字節(jié)。

HTTPS 下的加密

HTTPS一般使用的加密與HASH算法如下：

非對稱加密算法：RSA，DSA/DSS
對稱加密算法：AES，RC4，3DES
HASH算法：MD5，SHA1，SHA256

其中非對稱加密算法用于在握手過程中加密生成的密碼，對稱加密算法用于對真正傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，而HASH算法用于驗證數(shù)據(jù)的完整性。由于瀏覽器生成的密碼是整個數(shù)據(jù)加密的關(guān)鍵，因此在傳輸?shù)臅r候使用了非對稱加密算法對其加密。非對稱加密算法會生成公鑰和私鑰，公鑰只能用于加密數(shù)據(jù)，因此可以隨意傳輸，而網(wǎng)站的私鑰用于對數(shù)據(jù)進行解密，所以網(wǎng)站都會非常小心的保管自己的私鑰，防止泄漏。
TLS握手過程中如果有任何錯誤，都會使加密連接斷開，從而阻止了隱私信息的傳輸。正是由于HTTPS非常的安全，攻擊者無法從中找到下手的地方，于是更多的是采用了假證書的手法來欺騙客戶端，從而獲取明文的信息，但是這些手段都可以被識別出來

關(guān)于證書

證書需要申請，并由專門的數(shù)字證書認(rèn)證機構(gòu) CA 通過非常嚴(yán)格的審核之后頒發(fā)的電子證書，證書是對服務(wù)器端的一種認(rèn)證。頒發(fā)的證書同時會產(chǎn)生一個私鑰和公鑰。私鑰有服務(wù)器自己保存，不可泄露，公鑰則附帶在證書的信息中，可以公開。證書本身也附帶一個證書的電子簽名，這個簽名用來驗證證書的完整性和真實性，防止證書被篡改。此外證書還有個有效期。
證書包含以下信息：

使用者的公鑰值。
使用者標(biāo)識信息（如名稱和電子郵件地址）。
有效期（證書的有效時間）。
頒發(fā)者標(biāo)識信息。
頒發(fā)者的數(shù)字簽名，用來證明使用者的公鑰和使用者的標(biāo)識符信息之間的綁定的有效性。

參考資料

[1] Wiki 關(guān)于 Transport Layer Security 的介紹，https://en.wikipedia.org/wiki/Transport_Layer_Security
[2] 大型網(wǎng)站的 HTTPS 實踐（一）—— HTTPS 協(xié)議和原理 http://op.baidu.com/2015/04/https-s01a01/
[3] SSL工作原理 https://www.wosign.cn/Basic/howsslwork.htm
[4] SSL/TLS協(xié)議運行機制的概述 http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html
[5] HTTPS工作原理，貓尾博客，https://cattail.me/tech/2015/11/30/how-https-works.html
[6] HTTPS那些事（一）HTTPS原理，曉風(fēng)殘月，http://www.guokr.com/post/114121/
[7] HTTPS證書生成原理和部署細節(jié)，小胡子哥，http://www.barretlee.com/blog/2015/10/05/how-to-build-a-https-server/

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HTTPS 原理與實現(xiàn)

HTTPS 原理與實現(xiàn)

HTTPS 簡介

HTTPS 工作原理

網(wǎng)絡(luò)通信（握手過程）

STEP 1: 客戶端發(fā)起HTTPS 請求

STEP 2: 服務(wù)端的配置

STEP 3: 傳送證書

STEP 4: 客戶端解析證書

STEP 5: 傳送加密信息

STEP 6: 服務(wù)端解密信息

STEP 7: 傳輸加密后的信息

STEP 8: 客戶端解密信息

SSL/TLS

加密方式

對稱加密

非對稱加密

HTTPS 下的加密

關(guān)于證書

參考資料

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STEP 2: 服務(wù)端的配置

STEP 3: 傳送證書

STEP 4: 客戶端解析證書

STEP 5: 傳送加密信息

STEP 6: 服務(wù)端解密信息

STEP 7: 傳輸加密后的信息

STEP 8: 客戶端解密信息

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非對稱加密

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