不安全的Http

Http作为应用层的协议，基于TCP，进行明文传输，数据没有加密

  • 容易被窃听，数据没有加密，容易被理解
  • 容易被篡改，截取http报文后进行修改，发送到目的地
  • 容易被伪造，伪造成真正的网站

Https，全称为Http over TLS/SSL，解决了以上三个问题，主要方法是：

  • 数据加密：使用加密算法传输数据，被截获后无法被理解
  • 数据摘要：使用摘要算法得到数据的摘要，接收方通过摘要验证
  • 数字证书：使用数字证书验证服务端的身份

加密算法

加密算法分为两大类

  • 对称加密：加解密使用同一把密钥
  • 非对称加密：加解密使用不同的密钥，一般是公钥加私钥

对称加密

凯撒密码

较为简单的对称加密算法，对英语文本进行加解密，主要思想就是将明文中的每个字母按照字母表所在位置右移K位，得到密文
例如：如果K是2，a将会被c替换
这种方式的缺点是每个字母经过加密后只有唯一的密文表示，如果收集了很多数据，就能够破解加密手段

更好的方式是才用多个凯撒密码K轮训进行加密，例如位置为奇数的字母使用K为2加密，位置为偶数的字母使用K为3加密

分组加密

凯撒密码只能够加密英文文本，如要加密所有字符，可以使用分组加密
任何字符的实际存储形式都是0/1字符串，可以将数据按照K bits进行分组，每个分组通过一个一对一的映射表进行加密

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为了增加破解的难度，也可以才用多个映射表，轮训队数据进行加密
常用的对称加密算法有

  • DES
  • 3DES
  • AES

都是分组加密算法

非对称加密

加密和解密的要是不同，分别是公钥和私钥

  • 公钥加密只能用私钥解密
  • 私钥加密只能用公钥解密
  • 公钥对外公开，私钥只能自己知道
  • 公钥可以由私钥生成，反之不行

通信双方中，A可以将公钥发送给B，B用公钥加密数据后，即使数据被截获，由于私钥只有A有，所以只有A才能知道具体的信息

具体的算法参考
RSA算法原理（一）
RSA算法原理（二）

混合加密-Https的加密方式

使用对称加密的前提是，通信双方需要商量出一个密钥，这个密钥的传递过程也需要是密文传输，如果密钥被截获，即使对数据进行了加密，黑客也可以通过密钥进行破解

非对称加密解决了对称加密的密钥泄露问题，但是非对称加密非常慢，很影响性能，而对称加密非常快，所以HTTPS采用了混合加密方式，使用非对称加密传递密钥，对称加密传递数据

这个密钥被称为 **会话密钥**

  • 会话密钥使用非对称加密算法传输，非常安全
  • 数据通过对称加密算法传输，非常高效

摘要算法

也叫做哈希算法，输入为任意数据，输出为固定长度的字符串（摘要）

  • 不可逆，无法通过输出得到输入
  • 相同的输入必然得到相同的输出
  • 不同的输入有可能会产生相同的输出
  • 无论输入的数据的格式，输出摘要的格式固定不变

例如，将数据的比特流每 8 个比特进行分组（不足的补零），然后将所有分组进行按位异或运算，那么生成的结果就可以称为摘要

如果两个不同的输入得到了相同的输出，就叫做哈希碰撞，越好的摘要算法出现哈希碰撞的概率非常低，常用的摘要算法有

  • MD5
  • SHA-1
  • SHA-256

Https中的摘要算法

为了防止数据在中途被截取，进行篡改或者破坏，发送方会根据摘要算法得到数据的摘要A，将摘要和数据一起发送

接收方通过相同的摘要算法得到数据的摘要B，然后将A和B进行对比，如果不一致就说明数据被篡改了

但是黑客也可以又篡改数据又篡改摘要，接收方就无法判断了。所以发送方和接收方之间必须有一个两者知道的密钥，就像会话密钥一样，为了安全性，不会复用会话密钥，而是使用了一个新的密钥，叫做鉴别密钥，获取方式与会话密钥一样

使用鉴别密钥后，发送方对 数据+鉴别密钥 得到摘要A，并且传输数据和摘要A，接收方收到数据后，对 数据+鉴别密钥 得到摘要B，将A和B进行对比就可以判断数据是否被篡改

摘要A有一个专用名字，叫做报文鉴别码，简称MAC

数字证书

客户端如何保证与他交流的服务端是真的服务端？
典型的中间人攻击问题

  • 客户端发送的请求被中间人劫持（DNS劫持），所有请求均发送给中间人
  • 中间人假装自己是正规网站，向客户端返回自己的公钥2，并获得正规网站的公钥1
  • 客户端使用公钥2加密会话密钥1发送给中间人，中间人通过私钥2解密得到会话密钥，并假装自己是客户端，使用公钥1加密会话密钥2发送到正规网站

至此，客户端和正规网站均认为会话密钥已经交换结束，然后开始数据传输

  • 客户端使用会话密钥1对数据进行加密，发送给中间人
  • 中间人使用会话密钥1对数据进行解密，得到明文数据，进行篡改
  • 中间人使用会话密钥2对数据进行加密，发送给正规网站

客户端需要知道通信另一方的公钥是来自于正规网站并收到认可的，所以就需要数字证书
数字证书需要向认证中心进行申请，并且收费
申请流程如下

  • 正规网站生成一对公钥和私钥，将域名、申请者、公钥等信息整合在一起，生成csr文件，将此文件发送给CA
  • CA收到申请后，通过各种手段验证申请者的信息，没有异常后，使用摘要算法对csr文件中正规网站的信息进行摘要，然后再用CA的私钥对这个摘要进行加密，得到一串密文，也叫做数字签名
  • 然后CA将**数字签名**和csr文件中的**明文信息**打包为数字证书，把证书返回给正规网站

改进后的客户端服务端交流方式如下

  • 客户端会要求服务器发送数字证书
  • 客户端收到证书后，使用自身携带的CA机构的公钥解密其中的签名，得到摘要1，然后通过摘要算法得到证书中的明文信息的摘要2
  • 对比摘要1和摘要2，如果一样说明证书是合法的，也就是证书中的公钥是得到CA机构认证的

电脑操作系统中会内置这些认证中心的公钥，无需担心公钥被伪造的问题

一些常见的抓包工具例如Fiddler、Wireshark和Charles，想要抓取Https的包并翻译为明文，也需要往操作系统安装证书，作为一个安全的中间人

SSL/TLS

  • Https通过混合加密算法解决Http传输数据被窃听的问题，使用会话密钥
  • Https通过摘要算法解决Http传输数据被篡改的问题，使用鉴别密钥
  • Https通过数字证书解决Http协议中身份被伪造的问题，客户端验证服务器的证书

在Https中，在TCP协议握手后，在SSl/TLS协议握手中进行会话密钥、鉴别密钥的协商，以及验证证书的合法性

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注意SSL/TLS四次握手也是明文的

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第一次握手

客户端向服务器发起加密通信请求，内容包括

  • 客户端支持的SSL/TLS协议版本，例如TLS1.2版本
  • 客户端产生的随机数A，用于后续生成会话密钥和鉴别密钥
  • 客户端支持的密码套件列表，每个套件包括
    • 用于传输会话密钥的非对称加密算法，如 ECDHE、RSA
    • 用于验证数字证书的非对称加密算法，如 ECDHE、RSA
    • 用于传输数据的对称加密算法，如 AES_128_GCM、AES_128_CBC
    • 用于验证报文完整性的摘要算法，如 SHA256、SHA384
    • TLS_非对称加密算法_非对称加密算法_对称加密算法_摘要算法，如果两个非对称加密算法一致，可省略不写。
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具体抓包如下

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第二次握手

服务器收到加密通信请求后，向客户端发出响应，内容主要包括

  • 确认的SSL/TLS协议版本，如果不支持，关闭加密通信
  • 服务器产生的随机数B，用于后续生成会话密钥和鉴别密钥
  • 确认的密码套件
  • 服务器的数字证书
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具体抓包如下

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第三次握手

客户端收到服务器的回应，并且验证数字证书合法后，进行第三次握手

  • 前主密钥（Pre Master Secret）：客户端产生的随机数C，用服务器的公钥（证书中）进行加密得到
    • 客户端根据随机数A、随机数B以及随机数C计算出主密钥（Master Secret），然后对主密钥进行切片得到两个会话密钥A、B和两个鉴别密钥a、b（不会发送给服务端）
    • ⚠️如果使用DH算法，就不需要传递前主密钥，双方可以根据交换各自的参数来算出这个随机数C，整个通话的安全决定随机数C是否被破解
  • 加密通信算法改变通知Change Cipher Spec
  • 客户端握手结束通知，生成所有握手报文数据的摘要，通过会话密钥A加密后发送给服务器，给服务器校验

传递前主密钥

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具体抓包如下

使用DH算法传递参数

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第四次握手

服务器收到客户端的消息后，利用自己的私钥解密出前主密钥C，根据随机数A、随机数B以及前主密钥C计算出主密钥，切片得到两个会话密钥A、B和两个鉴别密钥a、b
然后进行第四次握手，内容包括

  • Session Ticket：下一次请求https的时候，可以使用这个session ticket，后续的https请求可以节省很多资源，只有服务器才能解密，其中包括本次对话的主要信息，比如对话密钥和加密方法
  • 加密通信算法改变通知Change Cipher Spec
  • 服务器握手结束通知，生成所有握手报文数据的摘要，使用会话密钥B加密后发送给客户端，给客户端校验
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具体抓包如下

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问题

  1. 为什么第三、四次握手需要发送所有握手报文的摘要

防止握手信息被篡改。
客户端支持的密码套件列表中，有些加密算法较弱，有些加密算法较强，而此密码套件是明文传输的，万一黑客将此密码套件列表进行了修改，只保留一些安全性较低的加密算法，那么服务器就只能从这些安全性较低的加密算法中选择，安全性大大降低。因此需要通过发送摘要的形式防止握手信息被篡改。

  1. 为什么不直接发送一个主密钥，而是用两个随机数加一个前主密钥重新生成一个主密钥呢？

防止连接重放
如果没有前面两个随机数，客户端生成一个主密钥并且通过公钥加密给服务器，黑客就可以冒充客户端给服务器发送相同的报文（即再次建立握手过程，即使不知道内容是啥），然后服务器会认为客户端再次https连接，然后黑客也可以发送相同的请求
有了前两个随机数，即使黑客想要连接重放，由于随机数不同生成的密钥也不同，黑客重新发送的内容将会失效

  1. Http一定比Https快吗

使用HTTPS并不一定比HTTP慢，只是在前期握手阶段会有时间损耗，但是包括后续在网络中传输的时候时候，一些路由器，网关又会对http请求限制，加密这样

References

https://mp.weixin.qq.com/s/4qSc0emO-CeNDaJlgSjbRA
https://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html
http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/09/illustration-ssl.html