1、引言

HTTPS（全稱： Hypertext Transfer Protocol Secure，超文本傳輸安全協(xié)議），是以安全為目標(biāo)的HTTP通道，簡單講是HTTP的安全版。本文，就來深入介紹下其原理。

補(bǔ)充：限于篇幅，本文對于https的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)的介紹盡量簡明扼要，如想要詳細(xì)了解HTTPS的方方面面，請閱讀《即時通訊安全篇（七）：如果這樣來理解HTTPS，一篇就夠了》。

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2、相關(guān)文章

《即時通訊安全篇（七）：如果這樣來理解HTTPS，一篇就夠了》

《一文讀懂Https的安全性原理、數(shù)字證書、單項(xiàng)認(rèn)證、雙項(xiàng)認(rèn)證等》

《HTTPS時代已來，打算更新你的HTTP服務(wù)了嗎？》

《蘋果即將強(qiáng)制實(shí)施 ATS，你的APP準(zhǔn)備好切換到HTTPS了嗎？》

《一分鐘理解 HTTPS 到底解決了什么問題》

3、為什么需要https

原因其實(shí)很簡單：就是因?yàn)閔ttp不安全。

當(dāng)我們往服務(wù)器發(fā)送比較隱私的數(shù)據(jù)（比如說你的銀行卡，身份證）時，如果使用http進(jìn)行通信。那么安全性將得不到保障。

首先數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中，數(shù)據(jù)可能被中間人抓包拿到，那么數(shù)據(jù)就會被中間人竊取。

其次數(shù)據(jù)被中間人拿到后，中間人可能對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或者替換，然后發(fā)往服務(wù)器。

最后服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，也無法確定數(shù)據(jù)有沒有被修改或替換，當(dāng)然，如果服務(wù)器也無法判斷數(shù)據(jù)就真的是來源于客戶端。

總結(jié)下來，http存在三個弊端：

1）無法保證消息的保密性；

2）無法保證消息的完整性和準(zhǔn)確性；

3）無法保證消息來源的可靠性。

https就是為了解決上述問題應(yīng)運(yùn)而生的。

4、基本概念：加密技術(shù)、數(shù)字證書和數(shù)字簽名

為了解決http中存在的問題，https采用了一些加解密，數(shù)字證書，數(shù)字簽名的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。下面先介紹一下這些技術(shù)的基本概念。

4.1 對稱加密與非對稱加密

為了保證消息的保密性，就需要用到加密和解密。加解密算法目前主流的分為對稱加密和非對稱加密。

（4.1.1）對稱加密（共享密匙加密）：

客戶端和服務(wù)器公用一個密匙用來對消息加解密，這種方式稱為對稱加密。客戶端和服務(wù)器約定好一個加密的密匙。客戶端在發(fā)消息前用該密匙對消息加密，發(fā)送給服務(wù)器后，服務(wù)器再用該密匙進(jìn)行解密拿到消息。

對稱加密的優(yōu)點(diǎn)：對稱加密解決了http中消息保密性的問題

對稱加密的缺點(diǎn)：對稱加密雖然保證了消息保密性，但是因?yàn)榭蛻舳撕头?wù)器共享一個密匙，這樣就使得密匙特別容易泄露。

因?yàn)槊艹仔孤讹L(fēng)險較高，所以很難保證消息來源的可靠性、消息的完整性和準(zhǔn)確性。

（4.1.2）非對稱加密（公有密匙加密）：

既然對稱加密中，密匙那么容易泄露，那么我們可以采用一種非對稱加密的方式來解決。

采用非對稱加密時，客戶端和服務(wù)端均擁有一個公有密匙和一個私有密匙。公有密匙可以對外暴露，而私有密匙只有自己可見。

使用公有密匙加密的消息，只有對應(yīng)的私有密匙才能解開。反過來，使用私有密匙加密的消息，只有公有密匙才能解開。這樣客戶端在發(fā)送消息前，先用服務(wù)器的公匙對消息進(jìn)行加密，服務(wù)器收到后再用自己的私匙進(jìn)行解密。

非對稱加密的優(yōu)點(diǎn)：

1）非對稱加密采用公有密匙和私有密匙的方式，解決了http中消息保密性問題，而且使得私有密匙泄露的風(fēng)險降低；

2）因?yàn)楣准用艿南⒅挥袑?yīng)的私匙才能解開，所以較大程度上保證了消息的來源性以及消息的準(zhǔn)確性和完整性。

非對稱加密的缺點(diǎn)：

1）非對稱加密時需要使用到接收方的公匙對消息進(jìn)行加密，但是公匙不是保密的，任何人都可以拿到，中間人也可以。那么中間人可以做兩件事，第一件是中間人可以在客戶端與服務(wù)器交換公匙的時候，將客戶端的公匙替換成自己的。這樣服務(wù)器拿到的公匙將不是客戶端的，而是服務(wù)器的。服務(wù)器也無法判斷公匙來源的正確性。第二件是中間人可以不替換公匙，但是他可以截獲客戶端發(fā)來的消息，然后篡改，然后用服務(wù)器的公匙加密再發(fā)往服務(wù)器，服務(wù)器將收到錯誤的消息；

2）非對稱加密的性能相對對稱加密來說會慢上幾倍甚至幾百倍，比較消耗系統(tǒng)資源。正是因?yàn)槿绱耍琱ttps將兩種加密結(jié)合了起來。

4.2 數(shù)字證書與數(shù)字簽名

為了解決非對稱加密中公匙來源的不安全性。我們可以使用數(shù)字證書和數(shù)字簽名來解決。

（4.2.1）數(shù)字證書的申請：

在現(xiàn)實(shí)中，有一些專門的權(quán)威機(jī)構(gòu)用來頒發(fā)數(shù)字證書，我們稱這些機(jī)構(gòu)為認(rèn)證中心（CA Certificate Authority）。

我們（服務(wù)器）可以向這些CA來申請數(shù)字證書。

申請的過程大致是：

1）自己本地先生成一對密匙，然后拿著自己的公匙以及其他信息（比如說企業(yè)名稱啊什么的）去CA申請數(shù)字證書。

2）CA在拿到這些信息后，會選擇一種單向Hash算法（比如說常見的MD5）對這些信息進(jìn)行加密，加密之后的東西我們稱之為摘要：

單向Hash算法有一種特點(diǎn)就是單向不可逆的，只要原始內(nèi)容有一點(diǎn)變化，加密后的數(shù)據(jù)都將會是千差萬別（當(dāng)然也有很小的可能性會重復(fù)，有興趣的小伙伴鴿巢原理了解一下），這樣就防止了信息被篡改。

3）生成摘要后還不算完，CA還會用自己的私匙對摘要進(jìn)行加密，摘要加密后的數(shù)據(jù)我們稱之為數(shù)字簽名。

4）最后，CA將會把我們的申請信息（包含服務(wù)器的公匙）和數(shù)字簽名整合在一起，由此而生成數(shù)字證書。

5）然后CA將數(shù)字證書傳遞給我們。

（4.2.2）數(shù)字證書怎么起作用：

服務(wù)器在獲取到數(shù)字證書后，服務(wù)器會將數(shù)字證書發(fā)送給客戶端，客戶端就需要用CA的公匙解密數(shù)字證書并驗(yàn)證數(shù)字證書的合法性。那我們?nèi)绾文苣玫紺A的公匙呢？我們的電腦和瀏覽器中已經(jīng)內(nèi)置了一部分權(quán)威機(jī)構(gòu)的根證書，這些根證書中包含了CA的公匙。

之所以是根證書，是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活中，認(rèn)證中心是分層級的，也就是說有頂級認(rèn)證中心，也有下面的各個子級的認(rèn)證中心，是一個樹狀結(jié)構(gòu)，計算機(jī)中內(nèi)置的是最頂級機(jī)構(gòu)的根證書，不過不用擔(dān)心，根證書的公匙在子級也是適用的。

客戶端用CA的公匙解密數(shù)字證書，如果解密成功則說明證書來源于合法的認(rèn)證機(jī)構(gòu)。解密成功后，客戶端就拿到了摘要。

此時，客戶端會按照和CA一樣的Hash算法將申請信息生成一份摘要，并和解密出來的那份做對比，如果相同則說明內(nèi)容完整，沒有被篡改。最后，客戶端安全的從證書中拿到服務(wù)器的公匙就可以和服務(wù)器進(jìn)行安全的非對稱加密通信了。服務(wù)器想獲得客戶端的公匙也可以通過相同方式。

下圖用圖解的方式說明一般的證書申請及其使用過程：

5、https的工作原理

通過上面的學(xué)習(xí)，我們了解對稱加密與非對稱加密的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，以及數(shù)字證書的作用。https沒有采用單一的技術(shù)去實(shí)現(xiàn)，而是根據(jù)他們的特點(diǎn)，充分的將這些技術(shù)整合進(jìn)去，以達(dá)到性能與安全最大化。這套整合的技術(shù)我們稱之為SSL（Secure Scoket Layer 安全套接層）。

所以https并非是一項(xiàng)新的協(xié)議，它只是在http上披了一層加密的外殼。 

先看一下https連接的建立流程圖：

如上圖所，這里把https連接建立到斷開分為6個階段，12過程。

下面將對12個過程一 一做解釋：

1）客戶端通過發(fā)送Client Hello報文開始SSL通信。報文中包含客戶端支持的SSL的指定版本、加密組件（Cipher Suite）列表（所使用的加密算法及密匙長度等）；

2）服務(wù)器可進(jìn)行SSL通信時，會以Server Hello報文作為應(yīng)答。和客戶端一樣，在報文中包含SSL版本以及加密組件。服務(wù)器的加密組件內(nèi)容時從接收到的客戶端加密組件內(nèi)篩選出來的；

3）服務(wù)器發(fā)送證書報文。報文中包含公開密匙證書；

4）最后服務(wù)器發(fā)送Server Hello Done報文通知客戶端，最初階段的SSL握手協(xié)商部分結(jié)束；

5）SSL第一次握手結(jié)束之后，客戶端以Client Key Exchange報文作為回應(yīng)。報文包含通信加密中使用的一種被稱為Pre-master secret的隨機(jī)密碼串。該報文已用步驟3中的公開密匙進(jìn)行加密；

6）接著客戶端繼續(xù)發(fā)送Change Cipher Spec報文。該報文會提示服務(wù)器，在此報文之后的通信會采用Pre-master secret密匙加密；

7）客戶端發(fā)送Finished報文。該報文包含連接至今全部報文的整體校驗(yàn)值。這次握手協(xié)商是否能夠成功，要以服務(wù)器是否能夠正確解密該報文作為判定標(biāo)準(zhǔn)；

8）服務(wù)器同樣發(fā)送Change Cipher Spec報文；

9）服務(wù)器同樣發(fā)送Finished報文；

10）服務(wù)器和客戶端的Finished報文交換完畢之后，SSL連接就算建立完成。當(dāng)然，通信會收到SSL的保護(hù)。從此處開始進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議的通信，即發(fā)送HTTP請求；

11）應(yīng)用層協(xié)議通信，即發(fā)送HTTP相應(yīng)；

12）最后由客戶端斷開連接。斷開連接時，發(fā)送close_notify報文。上圖做了一些省略，這步之后再發(fā)送TCP FIN報文來關(guān)閉與TCP的通信。

另外，在以上流程圖中，應(yīng)用層發(fā)送數(shù)據(jù)時會附加一種叫做MAC（Message Authentication Code）的報文摘要。MAC能夠查知報文是否遭到篡改，從而保證報文的完整性。

下面再用圖解來形象的說明一下，此圖比上面數(shù)字證書的圖更加的詳細(xì)一些（圖片來源于《圖解HTTP》）：

經(jīng)過上面的介紹，我們可以看出https先是利用數(shù)字證書保證服務(wù)器端的公匙可以安全無誤的到達(dá)客戶端。然后再用非對稱加密安全的傳遞共享密匙，最后用共享密匙安全的交換數(shù)據(jù)。

6、一定要用https嗎？

https那么的安全，是不是我們在什么場景下都要去使用https進(jìn)行通信呢？答案是否定的。

1）https雖然提供了消息安全傳輸?shù)耐ǖ溃敲看蜗⒌募咏饷苁趾臅r，消息系統(tǒng)資源。所以，除非在一些對安全性比較高的場景下，比如銀行系統(tǒng)，購物系統(tǒng)中我們必須要使用https進(jìn)行通信，其他一些對安全性要求不高的場景，我們其實(shí)沒必要使用https。

2）使用https需要使用到數(shù)字證書，但是一般權(quán)威機(jī)構(gòu)頒發(fā)的數(shù)字證書都是收費(fèi)的，而且價格也是不菲的，所以對于一些個人網(wǎng)站特別是學(xué)生來講，如果對安全性要求不高，也沒必要使用https。

7、參考資料

[1] 通俗理解數(shù)字簽名，數(shù)字證書和https

[2]一個故事講完https

[3] 圖解HTTP

附錄：更多安全方面的文章

《即時通訊安全篇（一）：正確地理解和使用Android端加密算法》

《即時通訊安全篇（二）：探討組合加密算法在IM中的應(yīng)用》

《即時通訊安全篇（三）：常用加解密算法與通訊安全講解》

《即時通訊安全篇（四）：實(shí)例分析Android中密鑰硬編碼的風(fēng)險》

《即時通訊安全篇（五）：對稱加密技術(shù)在Android平臺上的應(yīng)用實(shí)踐》

《即時通訊安全篇（六）：非對稱加密技術(shù)的原理與應(yīng)用實(shí)踐》

《即時通訊安全篇（七）：用JWT技術(shù)解決IM系統(tǒng)Socket長連接的身份認(rèn)證痛點(diǎn)》

《傳輸層安全協(xié)議SSL/TLS的Java平臺實(shí)現(xiàn)簡介和Demo演示》

《理論聯(lián)系實(shí)際：一套典型的IM通信協(xié)議設(shè)計詳解（含安全層設(shè)計）》

《微信新一代通信安全解決方案：基于TLS1.3的MMTLS詳解》

《來自阿里OpenIM：打造安全可靠即時通訊服務(wù)的技術(shù)實(shí)踐分享》

《簡述實(shí)時音視頻聊天中端到端加密（E2EE）的工作原理》

《移動端安全通信的利器——端到端加密（E2EE）技術(shù)詳解》

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《通俗易懂：一篇掌握即時通訊的消息傳輸安全原理》

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《即時通訊安全篇（七）：如果這樣來理解HTTPS原理，一篇就夠了》

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《一篇讀懂HTTPS：加密原理、安全邏輯、數(shù)字證書等》

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