理解https中的安全及其實現原理

iqsing發表於2022-02-07

Google的一份網路上的 HTTPS 加密透明報告（資料截至2022年1月）中指出HTTPS 連線的普及率在過去幾年激增，網際網路上排名前 100 位的非 Google 網站HTTPS 使用情況為：97%的站點預設啟用HTTPS，100%的站點支援HTTPS。

Chrome 中的 HTTPS 瀏覽時間所佔的百分比（按平臺）

Chrome 中通過 HTTPS 載入的網頁所佔的百分比（按國家/地區）

如此流行的HTTPS我們應當對其有所瞭解，通過閱讀本文你可能能更進一步瞭解HTTPS相關的安全實現。

HTTPS(超文字傳輸安全協議)使用HTTP進行通訊，但利用SSL/TLS來加密資料包，所以它也有另外一種稱呼HTTP over TLS/SSL，說HTTPS安全其實說的就是TLS/SSL協議。HTTP以明文的方式在網路中交換資料，攻擊者可以輕易通過監聽或中間人攻擊等手段，獲取網站帳戶和敏感資訊等，而HTTPS可以做到如下幾個特性：

保密性。 客戶端的連線被加密，隱藏了 URL、cookie 和其他敏感後設資料。
**真實性。 ** 確保客戶端正在與“真實”的服務端通訊，而非中間人。
準確性。 客戶端與服務端之間傳送的資料沒有被篡改。

保密性--對稱加密、非對稱加密

我們說http是明文傳輸，所以https首要解決的問題就是它的通訊加密，達到保密性。

對稱加密

對稱加密是最簡單、最常見的加密方式。

通訊雙方持有相同的金鑰key，加密和解密都是使用同一個金鑰。當客戶端要傳送資料時先用key對資料進行加密生成secret data，接著傳輸到服務端。服務端接收資料時，通過key將資料解密為data。反之客戶端接收資料也是如此。

這樣即使資料被截獲，由於不知道key資料也無法被解密。常見的對稱加密演算法有 DES、 AES 等。對稱加密速度快、效率高，能夠使用較小的計算量完成加密。

對稱加密有一個核心問題是如何在網際網路上傳輸金鑰？它不能像現實中一樣我打個車就過去你家把金鑰塞給你，萬一金鑰被截胡了不就白搭了。所以需要非對稱加密來解決這個問題。

非對稱加密

非對稱加密就是加密和解密使用兩個不同的金鑰，金鑰對包含一個公鑰（public key）和一個私鑰（private key）。其中公鑰只能用於加密，私鑰只用於解密。

首先客戶端請求服務端，服務端將自己的公鑰返回，客戶端拿到公鑰後就可以用它來加密要傳輸的資料data ，將加密資料secret data傳送到服務端後通過服務端的私鑰來解密，以此完成加密傳輸。

有了非對稱加密，只要我們將其中的data換成隨機碼key，這個key作為對稱加密中金鑰。金鑰傳輸問題就解決了，同時很好地利用了對稱加密的高效率。

如下所示：

這樣HTTPS中通訊的資料加密已經完成了。

一個http請求：

with-http-headers

一個加密的https請求：

with-https-headers-secret

只要我們的私鑰不被破解，即使通訊被監聽也得不到其中的敏感加密資料。

真實性、準確性--數字證書、簽名

上面我們忽略了一個重要的問題，在通訊中如何保證所連線的服務端真實性呢？如下圖我們的通訊已經被中間人截胡了，client此時通訊物件為hacker。

在HTTPS中是如何防止這種中間人攻擊的呢？讓我們請出數字證書！

數字證書

所謂證書就是第三方（自簽證書沒有公證效應）頒發的認證，比如我們的學位證是由教育局頒發的一種學歷認證，由教育局來認證此人獲得了某個學位。同樣在HTTPS中存在一種認證機構即CA（Certification Authority），由它來證明你所連線的服務端就是你想要連線的server，即保證服務端真實性。

要獲取學位證你需要花錢上學、學習，而獲取數字證書你只需要花錢。

首先站點的所有者生成一個金鑰對，然後掏錢將站點的資訊如域名、組織資訊等以及公鑰提交給CA機構稽核，即證書籤名請求 (CSR)。
CA機構稽核通過後，用它獨有的私鑰對CSR資訊（其實是CSR資訊的hash值，用於加速加、解密）進行加密，即形成數字簽名，用於驗證證書是否被篡改，經過簽名後一個完整的數字證書就成了其中包含站點資訊、數字簽名。

如下圖所示（圖源:what-is-a-certificate-authority）：

證書頒發機構如何驗證證書？

ok，申請到了數字證書，給安裝到server中。

當client請求時server返回數字證書，先檢視證書認證的域名或所有者是誰？如果與你訪問的域名不一致毫無疑問你正遭受中間人攻擊，這是一個假站點請停止訪問。
如果一致，接著client檢視證書的簽發CA機構是誰？找到瀏覽器或作業系統中對應的內建CA公鑰，找不到？對不起，這個站點不安全（這其實也是壟斷和付費的根源），如果找到則使用公鑰解密簽名得到hash值和此時證書中CSR資訊的hash值做對比，如果一致，則這個證書沒有被修改，你訪問的站點很安全，取出證書中公鑰來做加密通訊吧。

如下圖所示：