程序员必备知识 “HTTPS”

研究HTTPS

曾几何时，只记得HTTPS的端口和HTTP的不同，一个是443，一个是80。以前做项目也是只晓得使用第三方的jar包，只晓得怎样生成证书和用方法与流程，对原理并不是很清楚。这里接着上一篇RSA算法，本篇就详细详情HTTPS协议和相关的SSL/TLS加密协议。

什么是HTTPS

百科定义：HTTPS（全称：Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer），是以安全为目标的HTTP通道，简单讲是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL层，HTTPS的安全基础是SSL，因而加密的详细内容就需要SSL。 它是一个URI scheme（笼统标识符体系），句法类同http\:体系。使用于安全的HTTP数据传输。https\:URL表明它用了HTTP，但HTTPS存在不同于HTTP的默认端口及一个加密/身份验证层（在HTTP与TCP之间）。这个系统的最初研发由网景公司(Netscape)进行，并内置于其浏览器Netscape Navigator中，提供了身份验证与加密通讯方法。现在它被广泛使用于万维网上安全敏感的通讯，例如交易支付方面。HTTPS和HTTP的区别一、https协议需要到ca申请证书，一般免费证书很少，需要交费。二、http是超文本传输协议，信息是明文传输，https 则是具备安全性的ssl加密传输协议。三、http和https用的是完全不同的连接方式，使用的端口也不一样，前者是80，后者是443。四、http的连接很简单，是无状态的；HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，比http协议安全。采使用https的服务器必需从CA （Certificate Authority）申请一个使用于证实服务器使用途类型的证书。该证书只有使用于对应的服务器的时候，用户端才信任此主机。所以所有的银行系统网站，关键部分应使用都是https 的。用户通过信任该证书，从而信任了该主机。其实这样做效率很低，但是银行更侧重安全。这一点对局域网对内提供服务处的服务器没有任何意义。局域网中的服务器，采使用的证书不论是自己发布的还是从公众的地方发布的，其用户端都是自己人，所以该局域网中的用户端也就一定信任该服务器。数据的泄密和被篡改1． 一般意义上的https，就是服务器有一个证书。a) 主要目的是保证服务器就是他宣称的服务器，这个跟第一点一样。b)服务端和用户端之间的所有通讯，都是加密的。i. 具体讲，是用户端产生一个对称的密钥，通过服务器的证书来交换密钥，即一般意义上的握手过程。ii. 接下来所有的信息往来就都是加密的。第三方即便截获，也没有任何意义，由于他没有密钥，当然篡改也就没有什么意义了。2． 少许对用户端有要求的情况下，会要求用户端也必需有一个证书。a) 这里用户端证书，其实就相似表示个人信息的时候，除了使用户名/密码，还有一个CA 认证过的身份。由于个人证书一般来说是别人无法模拟的，所有这样可以够更深确实认自己的身份。b) 目前大多数个人银行的专业版是这种做法，具体证书可可以是拿U盘（即U盾）作为一个备份的载体。

SSL/TLS由来

不用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明文传播，带来了三大风险。（1） 窃听风险（eavesdropping）：第三方能获知通信内容。（2） 篡改风险（tampering）：第三方能修改通信内容。（3） 冒充风险（pretending）：第三方能冒充他人身份参加通信。SSL/TLS协议是为理解决这三大风险而设计的，希望达到：（1） 所有信息都是加密传播，第三方无法窃听。（2） 具备校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。（3） 配备身份证书，防止身份被冒充。互联网是开放环境，通信双方都是未知身份，这为协议的设计带来了很大的难度。而且，协议还必需可以够经受所有匪夷所思的攻击，这使得SSL/TLS协议变得异常复杂。互联网加密通信协议的历史，几乎与互联网一样长。1994年，NetScape公司设计了SSL协议（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未发布。1995年，NetScape公司发布SSL 2.0版，很快发现有严重漏洞。1996年，SSL 3.0版问世，得到大规模应使用。1999年，互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的更新版TLS 1.0版。2006年和2008年，TLS进行了两次更新，分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。目前，应使用最广泛的是TLS 1.0，接下来是SSL 3.0。但是，主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的支持。TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。

SSL详情

SSL（Secure Sockets Layer，安全套接层），及其继任者 TLS（Transport Layer Security，传输层安全）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层对网络连接进行加密。

SSL协议位于TCP/IP协议与各种应使用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层：a)SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功可以的支持。b)SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，使用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。

SSL协议提供的服务主要有：　　1）认证使用户和服务器，确保数据发送到正确的用户机和服务器；　　2）加密数据以防止数据中途被窃取；　　3）维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不被改变。

SSL或者者Secure Socket Layer，是一种允许web浏览器和web服务器通过一个安全的连接进行交流的技术。这意味着将被发送的数据在一端被翻译成密码，传送出去，而后在另一端解开密码，再进行解决。这是一个双向的过程，也就是浏览器和服务器都需要在发送数据之前对它们进行加密。

SSL协定的另一个重要方面是认证(Authentication)。这就是说，在你开始试图通过一个安全连接与一个Web服务器交流的时候，这个服务器会要求你的浏览器出示一组证件，通过“鉴定”的方式来证实这就是你所公告的网站。在某些情况下，服务器还会要求你的web浏览器的认证书，证实你就是你所说的那个人。这就是所知的“用户认证”，虽然实际情况中，更多地使用在商务-对-商务(B2B)交易，而不是对个人使用户。大多数有SSL功可以的web服务器不要求用户认证(Client Authentication)。

SSL/TLS协议的基本思路是采使用公钥加密法，也就是说，用户端先向服务器端索要公钥，而后使用公钥加密信息，服务器收到密文后，使用自己的私钥解密。但是，这里有两个问题。（1）如何保证公钥不被篡改？处理方法：将公钥放在数字证书中。只需证书是可信的，公钥就是可信的。（2）公钥加密计算量太大，如何减少耗使用的时间？处理方法：每一次对话（session），用户端和服务器端都生成一个”对话密钥”（session key），使用它来加密信息。因为”对话密钥”是对称加密，所以运算速度非常快，而服务器公钥只使用于加密”对话密钥”本身，这样就减少了加密运算的耗费时间。因而，SSL/TLS协议的基本过程是这样的：

（1） 用户端向服务器端索要并验证公钥。

（2） 双方协商生成”对话密钥”。

（3） 双方采使用”对话密钥”进行加密通信。

上面过程的前两步，又称为”握手阶段”（handshake）。

“握手阶段”涉及四次通信，我们一个个来看。需要注意的是，”握手阶段”的所有通信都是明文的。

用户端发出请求（ClientHello）

首先，用户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。在这一步，用户端主要向服务器提供以下信息。 （1） 支持的协议版本，比方TLS 1.0版。 （2） 一个用户端生成的随机数，稍后使用于生成”会话密钥”(session secret)。 （3） 支持的加密方法，比方RSA公钥加密。 （4） 支持的压缩方法。

这里需要注意的是，用户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只可以包含一个网站，否则会分不清应该向用户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只可以有一张数字证书的起因。对于虚拟主机的使用户来说，这当然很不方便。2006年，TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展，允许用户端向服务器提供它所请求的域名。

服务器回应（SeverHello）

服务器收到用户端请求后，向用户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。

（1） 确认用的加密通信协议版本，比方TLS 1.0版本。假如浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。

（2） 一个服务器生成的随机数，稍后使用于生成”会话密钥”(session secret)。

（3） 确认用的加密方法，比方RSA公钥加密。

（4） 服务器证书。

除了上面这些信息，假如服务器需要确认用户端的身份，就会再包含一项请求，要求用户端提供”用户端证书”。比方，金融机构往往只允许认证用户连入自己的网络，就会向正式用户提供USB密钥，里面就包含了一张用户端证书。

用户端回应

用户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。假如证书不是可信机构颁布、或者者证书中的域名与实际域名不一致、或者者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择能否还要继续通信。假如证书没有问题，用户端就会从证书中取出服务器的公钥。而后，向服务器发送下面三项信息。 （1） 一个随机数。该随机数使用服务器公钥加密，防止被窃听。 （2） 编码改变通知，表示随后的信息都将使用双方约定的加密方法和密钥发送。 （3） 用户端握手结束通知，表示用户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，使用来供服务器校验。上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称”pre-master key”。有了它以后，用户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就使用事前约定的加密方法，各自生成本次会话所使用的同一把”会话密钥”。至于为什么肯定要使用三个随机数，来生成”会话密钥”，dog250解释得很好：

不论是用户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。因为SSL协议中证书是静态的，因而十分有必要引入一种随机因从来保证协商出来的密钥的随机性。 对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器（Master Secret）最终导出一个对称密钥。 pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都可以产生完全随机的随机数，假如随机数不随机，那么pre master secret就有可可以被猜出来，那么仅适使用pre master secret作为密钥就不合适了，因而必需引入新的随机因素，那么用户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可可以完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每添加一个自由度，随机性添加的可不是一。

此外，假如前一步，服务器要求用户端证书，用户端会在这一步发送证书及相关信息。

服务器的最后回应

服务器收到用户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所使用的”会话密钥”。而后，向用户端最后发送下面信息。 （1）编码改变通知，表示随后的信息都将使用双方约定的加密方法和密钥发送。 （2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，使用来供用户端校验。至此，整个握手阶段一律结束。接下来，用户端与服务器进入加密通信，就完全是用普通的HTTP协议，只不过使用”会话密钥”加密内容。

###Secret Keys产生与用上面的分析和讲解主要是为了突出握手的过程，所以PreMaster secret，Master secret，session secret都是一代而过，但是对于Https，SSL/TLS深入的了解和掌握，这些Secret Keys是非常重要的部分。所以，准备把这些Secret Keys抽出来单独分析和讲解。

我们先来看看这些Secret Keys的的生成过程以及作使用流程图：

reMaster secret是在用户端用RSA或者者Diffie-Hellman等加密算法生成的。它将使用来跟服务端和用户端在Hello阶段产生的随机数结合在一起生成Master secret。在用户端用服务单的公钥对PreMaster secret进行加密之后传送给服务端，服务端将用私钥进行解密得到PreMaster secret。也就是说服务端和用户端都有一份相同的PreMaster secret和随机数。

PreMaster secret前两个字节是TLS的版本号，这是一个比较重要的使用来核查握手数据的版本号，由于在Client Hello阶段，用户端会发送一份加密套件列表和当前支持的SSL/TLS的版本号给服务端，而且是用明文传送的，假如握手的数据包被破解之后，攻击者很有可可以串改数据包，选择一个安全性较低的加密套件和版本给服务端，从而对数据进行破解。所以，服务端需要对密文中解密出来对的PreMaster版本号跟之前Client Hello阶段的版本号进行比照，假如版本号变低，则说明被串改，则立即中止发送任何消息。

关于PreMaster Secret(Key)的计算请参考《Htttps SSL/TLS PreMaster/Master Secret(Key)计算》。

上面已经提到，因为服务端和用户端都有一份相同的PreMaster secret和随机数，这个随机数将作为后面产生Master secret的种子，结合PreMaster secret，用户端和服务端将计算出同样的Master secret。

Master secret是有系列的hash值组成的，它将作为数据加解密相关的secret的Key Material。Master secret最终解析出来的数据如下：

其中，write MAC key，就是session secret或者者说是session key。Client write MAC key是用户端发数据的session secret，Server write MAC secret是服务端发送数据的session key。MAC(Message Authentication Code)，是一个数字签名，使用来验证数据的完整性，能检测到数据能否被串改。关于MAC的工作原理详见MAC。?