https加密過程

睦月初雨發表於2024-03-29
HTTP加密

1. 對稱加密與非對稱加密

在介紹https加密過程前，需要先簡單瞭解下其中用到的加密演算法。

對稱加密演算法：用該金鑰加密的資料，可以再用該金鑰解密。效能高，速度快。常見的對稱加密演算法有DES，AES。

非對稱加密演算法：生成一對金鑰對，分別稱為公鑰、私鑰。用公鑰加密的資料只能由私鑰解密。用私鑰加密的資料只能由公鑰解密。公鑰資訊是公開的，私鑰由自己保管。效能低，速度慢，安全性高。常見的非對稱加密演算法有RSA。

2. https與加密

https與http相比，最大的不同就是保證了資料加密傳輸，保證資訊不被洩露，不被篡改（中間人攻擊）。這就涉及到加密演算法的選型。

對稱加密：

  1. 瀏覽器與網站伺服器雙方都需要共同持有金鑰。這就需要金鑰由任意一端生成，再傳輸給另一端。由於金鑰的傳輸過程沒有加密策略，就會產生洩露風險。該方案不可取。

非對稱加密：

  1. 由網站伺服器生成一對公私鑰，在處理請求時，對請求資料用私鑰加密。瀏覽器接受資料時用公鑰解密。由於公鑰是公開的，任意一方都能夠獲取。所以除了瀏覽器，其他人也可以破戒該資料。該方案不可取。
  2. 網站伺服器生成公鑰A，私鑰A'。瀏覽器生成公鑰B，私鑰B'。伺服器處理請求時候，用瀏覽器的公鑰B加密。瀏覽器接受請求時，用私鑰B'解密。同理，瀏覽器發起請求時用公鑰A加密，伺服器用A'解密。這種方案理論上是可行的，但由於非對稱加密速度很慢，這會導致每一個請求響應時間都變長。該方案不可取。

對稱加密 + 非對稱加密：

  1. 利用對稱加密的高效能，與非對稱加密的安全性，完成https加密過程。網站伺服器生成公鑰A，私鑰A'。將公鑰A明文傳輸給瀏覽器。瀏覽器生成金鑰X，並用公鑰A對金鑰X加密，傳輸給網站伺服器。網站伺服器用私鑰A'解密。這樣瀏覽器與網站伺服器就都擁有了金鑰X，接下來用金鑰X做對稱加密，處理請求即可。這種方案是可行的，但是存在中間人攻擊風險。
  2. 中間人會在網站伺服器明文傳輸公鑰A的過程中，篡改請求，將公鑰A替換為自己生成的公鑰F。瀏覽器拿到公鑰F後對金鑰X加密，傳輸給網站伺服器。中間人在該傳輸過程中再用自己的私鑰F'對資料解密，拿到金鑰X。再用網站的公鑰A加密該資料，傳輸給網站伺服器。這樣在瀏覽器和網站伺服器毫不知情的情況下，金鑰X就被中間人獲取。

對稱加密 + 非對稱加密 + 站點證書：

  1. 上述方案最大的問題在於，瀏覽器無法得知公鑰A是由該網站伺服器傳送而來，還是由中間人發來的。為了證明公鑰A確實屬於該網站，就需要一份“數字證書”，來證明該公鑰確實屬於該網站。該種方案就是現在的https加密過程。

3. ca機構與數字證書

頒發數字證書的機構稱作ca機構。ca機構與數字證書的關係，就像政府與身份證。政府是可信的，政府頒發出的身份證也是可信的。

摘要演算法（又稱雜湊演算法、雜湊演算法）：

  1. 摘要演算法的目的，是將不同長度的原文（資料），整理計算成長度相同的資料。長度相同的好處在於，後續對其簽名的效率提升。摘要演算法還用於防原文篡改的場景中。即使只對原文新增了一個空格，都會導致重新摘要後的值發生很大不同。
  2. 常見的摘要演算法有：md5，sha1，sha256。md5計算出的資料長度為128，sha1為160，sha256為256位。長度越短，越容易產生資料碰撞（不同的原文計算出了相同的雜湊值）。由於md5與sha1已被技術破解，2015年12月31號後，瀏覽器已不再信任非sha256摘要頒發出的證書。

數字證書：

  1. 申請數字證書需要csr檔案。目前主流的csr檔案資料結構為PKCS10（簡稱P10）。P10結構體為：

    certificationRequestInfo  // 證書請求體，包括使用人名稱、主體公鑰
signatureAlgorithm        // 簽名演算法
signature                 // 用主體私鑰對證書請求體做的簽名，加密演算法為上一個值

  2. 每個ca機構都有自己的一對公私鑰。當ca機構接收到csr請求後，將csr與證書有效期、證書序列號等資訊一起，包裝為證書體，最後用自己的私鑰對其進行簽名，完成證書頒發。最後的證書結構體為（X509結構體）：

    tbsCertificate          // to be signed 證書體，包括證書有效期、序列號、申請人資訊、申請人公鑰等資料

signatureAlgorithm      // 簽名演算法

signatureValue          // 用ca私鑰對to be signed資料做的簽名，加密演算法為上一個值

  3. 瀏覽器（或adobe reader等pdf閱讀器）都安裝了全球可信的ca機構根節點。當網站伺服器未用可信根機構的ca證書時，瀏覽器會有警告提示。國內常見的ca機構有：上海ca、cfca、廣東ca。

4. https加密全過程

  1. 網站伺服器生成一對公鑰A，私鑰A'。用公鑰A製作成csr請求，向ca機構申請一份站點證書。ca機構用自己的私鑰，對證書體簽名，完成證書製作，頒發給該網站。

  2. 瀏覽器嘗試與伺服器構建SSL連線。伺服器將自己的站點證書傳送給瀏覽器。伺服器對證書進行驗證：

    1. 用頒發該證書的ca機構公鑰，對證書籤名進行解密，得到解密原文S'。
    2. 用證書中提到的雜湊演算法，對證書體進行摘要演算法，得到摘要H'。
    3. 判斷S' == H'。若相等，證明證書確實由該ca機構頒發。
    4. 站點證書中包含了域名等資訊，即使中間人也有該ca機構頒發的證書，也無法進行調包。證明證書確實是該網站伺服器的。

  3. 驗證完畢，拿到證書中的網站公鑰A。瀏覽器再生成金鑰X，用公鑰A對金鑰X加密，傳輸給網站伺服器。伺服器用私鑰A'對其解密，拿到金鑰X。

  4. 伺服器為每一個瀏覽器維護一個session id。當獲取金鑰X後，將其儲存在session中。瀏覽器後續請求都會攜帶session id，伺服器直接從session中拿到金鑰X即可，不需要每次都做上述傳輸工作。

  5. 後續所有請求傳輸都用金鑰X進行對稱加密。

5. 是否存在他人偽造瀏覽器，與服務端互動的情況

中間人可以拿到伺服器的證書公鑰，自己包裝一個對稱金鑰X，直接與伺服器互動。但這並沒有意義，因為伺服器總是會校驗請求的異常情況，所以不需要考慮這種場景。

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