iOS要開始強制推行HTTPS了，大家都開始學習HTTPS的相關知識，網上很多博文一上來就講對稱加密，非對稱加密，AES，RSA，和TLS和SSL協議。對於我這種沒怎麼深入過網路層的人來說全靠背！理解起來相當痛苦。尤其是對稱加密，非對稱加密，私鑰加密，公鑰加密，證書，數字簽名，TLS和SSL是用來幹嘛的，他們之間的關係，協議握手為啥要那麼多，繞來繞去的，真是傻傻分不清楚。
這篇筆記就是為了理解上面所說的那些概念，知道上面提到的名詞到底是啥意思，之間啥關係，以及最重要最重要的，為什麼協議要那麼多步驟，這些步驟存在的意思是什麼，他為什麼就能實現安全性？他又是怎樣實現安全性的？
目錄：
網路層：
OSI模型層：
| 層號 | OSI層 | 描述 | 協議示例 |
|---|---|---|---|
| 7 | 應用層 | 應用資料 | HTTP、SMTP、IMAP |
| 6 | 表示層 | 資料表示、轉換和加密 | SSL/TLS |
| 5 | 會話層 | 多連線管理 | - |
| 4 | 傳輸層 | 包或流的可靠傳輸 | TCP、UDP |
| 3 | 網路層 | 網路節點間的路由與資料分發 | IP、IPSec |
| 2 | 資料鏈路層 | 可靠的本地資料連線（LAN） | 乙太網 |
| 1 | 物理層 | 直接物理資料連線（電纜） | CAT5 |
TLS和SSL之間的關係：
SSL協議由Netscape公司開發
1995年年底釋出SSL3
1996年5月TLS工作組成立，開始講SLL從Netscape遷移至IETF
1999年1月TLS1.0面市，為了取悅Microsoft，協議進行了更名（從SSL更成TLS）
2006年4月，TLS1.1問世
...
對稱加密（私鑰加密）
概念：是一種混淆演算法，能讓資料在非安全通道上進行安全通訊。為了保證通訊安全，首先要得到雙方都認可的加密演算法和金鑰（雙方的金鑰相同）。
金鑰與加密演算法：
資料在非安全通道上進行安全通訊。為了保證通訊安全，要用到金鑰和加密演算法。
為何要金鑰？
即使攻擊者知曉了整個密碼系統除金鑰以外的所有情報，系統仍然應當能保證安全
- 如果加密演算法要得到廣泛使用，就必須讓其他人知道，當越來越多的人知道，那敵人知道的可能性就會增加。
- 沒有金鑰的簡單演算法不便於在大群體中使用，每個人都可以解密所有人的通訊。
- 設計出優秀的加密演算法非常困難，一種演算法想要更安全，就得經過更多的曝光和審視。
如果加密演算法足夠優秀，攻擊者只有一種方法，那就是嘗試所有可能的解碼金鑰，俗稱窮舉金鑰搜尋（exhaustive key search），基於這一點，我們可以說密文的安全性完全取決於金鑰，我們通過金鑰長度來衡量加密強度，如128位的金鑰有34*10^37種可能的組合。
密碼：
- 序列密碼
核心：生成一串稱為金鑰序列的無窮序列
加密過程：將金鑰序列中的1位元組與明文序列中的1位元組進行異或操作
解密過程：因為異或操作可逆，將密文序列中的1位元組與金鑰序列中的相同位元組進行異或操作。
關鍵點：序列密碼決不能第二次相同的金鑰
熟知的序列密碼：RC4（簡單，但以不再安全） - 分組密碼
核心：每次加密一整塊資料，只要使用相同的金鑰，每一個可能的輸入組合都有唯一的輸出。因此在輸入上製造一個小變化（例如在任意一處變換1位），從而得到大量變體。
加密過程：接受輸入並生成看似雜亂無章的輸出。
問題1：只能使用它們加密長度等於加密塊大小的資料。因此需要一個方法處理任意長度的資料（填充）
問題2：對於相同的輸入，輸出是相同的，這種特性使許多攻擊成為可能。
實踐中的應用：使用分組密碼模式的加密方案（後面有說明）來使用分組密碼，來避免分組演算法的問題，作為其他加密基元的基礎來使用（例如雜湊函式，訊息驗證，偽隨機數生成器，甚至序列密碼）
熟知的分組密碼：AES- 填充
追加額外的資料到明文的結尾，在TLS中，加密塊的最後1位元組包含填充長度，指示填充多少位元組（不包含填充長度位元組）
- 填充
雜湊函式：
定義：將任意長度的輸入轉化為定長度的輸出，雜湊函式的結果成為雜湊，適用於密碼學的雜湊函式有以下特性：
- 單向性：給定一個雜湊，無法找到或者構造出生成它的資訊。
- 弱抗碰撞性：給定一條訊息和雜湊，無法找到一條不同的訊息具有相同的雜湊。
- 強抗碰撞性：計算上無法找到兩條雜湊相同的資訊。
使用場合：以緊湊的方式表示並比較大量資料，例如比較兩個檔案。經常被稱為指紋，資訊摘要（簡單稱為摘要）
熟知的雜湊函式：SHA1，SHA256
雜湊函式的強度最多隻是雜湊長度的一半
訊息驗證程式碼：
在資料的雜湊與資料本身分開傳輸時（以防攻擊者可以同時修改資料和雜湊），雜湊函式可以用於驗證資料完整性。
用身份驗證擴充套件了雜湊函式的密碼學函式：
- MAC：只有擁有雜湊金鑰，才能生成合法的MAC
通常與加密演算法一起使用，如果沒有MAC，那攔截者即使無法解碼密文，也能修改密文。 - 金鑰的雜湊（keyed-hash）：HMAC，將雜湊金鑰和訊息以一種安全的方式交織在一起。
分組密碼模式：
為了加密任意長度的資料而設定的密碼學方案。是分組密碼的擴充套件。所以的分組密碼模式都支援機密性。不過有些將其與身份驗證連線在一起，有些模式會將分組密碼直接轉成序列密碼。
它有多種輸出模式（以下只舉出2個）：
- 電碼本模式（ECB）
核心：是最簡單的分組密碼模式，它只支援資料長度正好是塊大小的整數倍的情況，如果資料不滿足這個條件就要事先填充。加密就是將資料按塊大小切分，然後分別加密每一塊。
劣勢：因為分組密碼是確定的（輸入相同，輸出也相同），1、密文中出現的模式對應明文中出現的模式。2、攻擊者可以發現資訊是否重複。3、攻擊者可以觀察密文，並提交任意明文進行加密 - 加密塊連結模式（CBC）
基於ECB，SSl和TLS的主要模式，整個過程開始於生成一個隨機初始向量IV，長度與加密塊相等，加密前，明文的第一塊內容與IV進行異或操作，這一步對明文做了掩飾，並保證密文不盡相同。對於下一個加密塊使用上一個塊的密文作為IV，以此類推。必須通過線路傳輸到接收端，這是解密必須的。
非對稱加密（公鑰加密）
為什麼要有非對稱加密？
對稱加密無法滿足以下條件：
- 隨著使用它的團體成員增加，團體中的成員要共享同一個金鑰，因此出現問題的機率變大了
- 我們可以兩兩一個金鑰，這樣3個人就需要3個金鑰，10個人就需要45個金鑰，1000個人就需要49500個金鑰！
而非對稱加密可以解決以上問題。
使用兩個金鑰，公鑰和私鑰，兩個金鑰之間存在一定的數學關係。
使用公鑰加密，只有對應的私鑰能解。
使用私鑰加密，任何人都可以用他們相應的公鑰解密（不提供機密性，可以用作數字簽名）。
使用說明：你可以廣泛並安全的分享你的公鑰，那麼任何人都可以想你傳送資訊，只有你可以閱讀。如果他們使用各自的私鑰簽名，你還可以精確的知道訊息出自何人之手。
注意：雖然公鑰密碼的屬性非常有趣，但它非常緩慢，不適用於資料量大的場景，因此往往部署於身份驗證和共享祕密的協商，這些祕密後續用於快速的對稱加密。
數字簽名
前面說過MAC就是一種電子簽名，它可以使用事先安全交換的雜湊金鑰驗證真實性，雖然這種校驗非常有用，但仍有不足，因為它仍然依賴於一個私有金鑰。
藉助於公鑰密碼，數字簽名可以實現與現實生活中的手寫簽名類似，我們可以利用公鑰密碼的非對稱性設計出一種演算法，使用私鑰對資訊進行簽名，並使用對應的公鑰驗證它。
實際的方式依照選擇公鑰的驗證密碼而不同，下面以RSA為例：
簽名過程：
1、將需要簽名的文件用雜湊函式得到雜湊。
2、將雜湊和一些後設資料進行編碼，例如使用的雜湊演算法。
3、將編碼使用私鑰加密，其結果就是簽名。
4、追加到文件中作為驗證的依據。
驗證過程：
1、接收方接收文件，並用相同的雜湊演算法算出雜湊。
2、使用公鑰解密，將雜湊解碼出來。
3、對比雜湊演算法是否正確，雜湊的值是否一致。
RSA的強度取決於加密，雜湊以及編碼元件各自的強度。
協議
加密基元本身沒有什麼用，例如加密和雜湊演算法。我們只有將這些元素組合成方案和協議才能滿足複雜的安全需求。
例項場景：
Alice和Bob要通訊。Mallory是個攻擊者。
我們假設協議允許交換任意數量的訊息。因為對稱加密擅長對大量資料進行加密，所以選取我們最喜歡的AES演算法來進行資料加密。使用AES，Alice和Bob可以安全的交換訊息，Malloc看不到他們通訊的內容。但是這還不夠，因為Malloc還可以幹其它事情，例如神不知鬼不覺的修改訊息。為了解決這個問題，我們使用只有Alice和Bob知道的雜湊金鑰計算每個訊息的MAC，在傳送訊息的同時，也傳送訊息的MAC。這時Mallory再也不能修改訊息了，然而他仍然可以丟棄或者重發任意訊息。為了解決這個問題，我們擴充套件協議，為每條訊息標記指定序號。最為重要的是，我們將序號作為MAC計算資料的一部分。如果發現序號出現空缺，就能知道訊息丟了。如果發現序號重複，就檢測重放攻擊。為了得到最佳效果，我們使用某個特殊訊息來標記會話結束。如果沒有這個訊息，Mallory能夠悄悄的結束（截斷）會話。如果所有措施以到位，Mallory最多隻能做到阻止Alice和Bob與其他人通訊。我們對此無能為力。
到目前為止，有一大塊缺失：Alice和Bob如何協商得到需要的兩個金鑰（一個用於加密（AES的金鑰），一個用於檢測完整性（MAC的金鑰）），同時還要當心Mallory？我們通過為協議新增兩個步驟來解決這個問題：
- 使用公鑰密碼對會話進行身份驗證。
舉個例子，Alice生成一個隨機數，要求Bob對其簽名以證明真的是他，Bob也要求Alice做同樣的事情。 - 使用金鑰交換方案對加密金鑰進行祕密協商。
舉個例子，Alice可以生成所有金鑰，使用Bob的公鑰加密，再傳送給Bob，這就是RSA金鑰交換的工作方式。
最後我們協議完工時的狀態是：
- 以握手階段開始，包括身份驗證和金鑰交換
- 資料交換階段，儲存機密性和完整性
- 以關閉序列結束。
站在巨集觀的角度看，我們的協議與SSL和TLS完成的工作相似。
名詞簡寫及全稱：
SSL：secure socket layer 安全套接字層
TLS：transport layer security 傳輸層安全
IP：internet protocol 網路協議
TCP：transmission control protocol 傳輸控制協議
PKI：public key infrastructure 公鑰基礎設施
OSI：open systems interconnection 開放系統互聯模型
AES：advanced encryption standard 高階加密標準
MAC：message authentication code 訊息驗證程式碼
HMAC：hash-based message authentication 基於雜湊的訊息驗證程式碼
CBC：cipher block chaining 加密塊連結
RSA：en.wikipedia.org/wiki/RSA
ECB：electromic codebook 電碼本
CBC：cipher block chaining 加密塊連結
IV：initialization vector 初始向量
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