HTTPS工作原理图文版

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目标读者：理解HTTP协议，对称和非对称加密，想要了解HTTPS协议的工作原理

读完本文，你能明白

  • 什么是HTTPS，TLS(SSL)，TLS和HTTPS是什么关系

  • 什么是证书和数字签名，它们是如何传递信任的

  • HTTPS有什么样的功能，它是如何实现这样的功能的

简介

HTTPS，也称作HTTP over TLS。TLS的前身是SSL，TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。本文着重描述TLS协议的1.2版本

下图描述了在TCP/IP协议栈中TLS(各子协议）和HTTP的关系

HTTPS工作原理

其中Handshake protocol，Change Ciper Spec protocol和Alert protocol组成了SSL Handshaking Protocols。

HTTPS和HTTP协议相比提供了

  1. 数据完整性：内容传输经过完整性校验

  2. 数据隐私性：内容经过对称加密，每个连接生成一个唯一的加密密钥

  3. 身份认证：第三方无法伪造服务端（客户端）身份

其中，数据完整性和隐私性由TLS Record Protocol保证，身份认证由TLS Handshaking Protocols实现。

总览

使用RSA算法的SSL握手过程是这样的

HTTPS工作原理

  1. [明文] 客户端发送随机数client_random和支持的加密方式列表

  2. [明文] 服务器返回随机数server_random ，选择的加密方式和服务器证书链

  3. [RSA] 客户端验证服务器证书，使用证书中的公钥加密premaster secret 发送给服务端

  4. 服务端使用私钥解密premaster secret

  5. 两端分别通过client_random，server_random 和premaster secret 生成master secret，用于对称加密后续通信内容

证书（Digital certificate）

那么什么是证书呢？

HTTPS工作原理

证书中包含什么信息

  • 证书信息：过期时间和序列号

  • 所有者信息：姓名等

  • 所有者公钥

为什么服务端要发送证书给客户端

互联网有太多的服务需要使用证书来验证身份，以至于客户端（操作系统或浏览器等）无法内置所有证书，需要通过服务端将证书发送给客户端。

客户端为什么要验证接收到的证书

中间人攻击

客户端<------------攻击者<------------服务端
伪造证书            拦截请求

客户端如何验证接收到的证书

为了回答这个问题，需要引入数字签名(Digital Signature)。

+---------------------+
| A digital signature |
|(not to be confused  |
|with a digital       |
|certificate)         |            +---------+              +--------+
| is a mathematical   |----哈希--->| 消息摘要  |---私钥加密--->| 数字签名 |
|technique used       |            +---------+              +--------+
|to validate the      |
|authenticity and     |
|integrity of a       |
|message, software    |
|or digital document. |
+---------------------+

将一段文本通过哈希（hash）和私钥加密处理后生成数字签名。

假设消息传递在Bob，Susan和Pat三人之间发生。Susan将消息连同数字签名一起发送给Bob，Bob接收到消息后，可以这样验证接收到的消息就是Susan发送的

+---------------------+
| A digital signature |
|(not to be confused  |
|with a digital       |
|certificate)         |            +---------+
| is a mathematical   |----哈希--->|  消息摘要 |
|technique used       |            +---------+
|to validate the      |                 |
|authenticity and     |                 |
|integrity of a       |                 |
|message, software    |                 对
|or digital document. |                 比
+---------------------+                 |                                                           |
|
+--------+               +---------+
| 数字签名 |---公钥解密--->|  消息摘要 |
+--------+               +---------+

当然，这个前提是Bob知道Susan的公钥。更重要的是，和消息本身一样，公钥不能在不安全的网络中直接发送给Bob。

此时就引入了证书颁发机构（Certificate Authority，简称CA），CA数量并不多，Bob客户端内置了所有受信任CA的证书。CA对Susan的公钥（和其他信息）数字签名后生成证书。

Susan将证书发送给Bob后，Bob通过CA证书的公钥验证证书签名。

Bob信任CA，CA信任Susan 使得 Bob信任Susan，信任链（Chain Of Trust）就是这样形成的。

事实上，Bob客户端内置的是CA的根证书(Root Certificate)，HTTPS协议中服务器会发送证书链（Certificate Chain）给客户端。

TLS协议

TLS协议包括TLS Record Protocol和TLS Handshake Protocol。总览中的流程图仅涉及到TLS Handshake Protocol。

TLS Record Protocol

在TLS协议中，有四种子协议运行于Record protocol之上

  • Handshake protocol

  • Alert protocol

  • Change cipher spec protocol

  • Application data protocol

Record protocol起到了这样的作用

  • 在发送端：将数据（Record）分段，压缩，增加MAC(Message Authentication Code)和加密

  • 在接收端：将数据（Record）解密，验证MAC，解压并重组

Record Protocol有三个连接状态(Connection State)，连接状态定义了压缩，加密和MAC算法。所有的Record都是被当前状态（Current State）确定的算法处理的。

TLS Handshake Protocol和Change Ciper Spec Protocol会导致Record Protocol状态切换。

empty state -------------------> pending state ------------------> current state
Handshake Protocol                Change Cipher Spec

初始当前状态（Current State）没有指定加密，压缩和MAC算法，因而在完成TLS Handshaking Protocols一系列动作之前，客户端和服务端的数据都是明文传输的；当TLS完成握手过程后，客户端和服务端确定了加密，压缩和MAC算法及其参数，数据（Record）会通过指定算法处理。

TLS Handshaking Protocols

Handshakeing protocols包括Alert Protocol，Change Ciper Spec Protocol和Handshake protocol。本文不会详细介绍Alert Protocol和Change Ciper Spec Protocol。

使用RSA算法的握手过程是这样的（已在总览中提到）

HTTPS工作原理

客户端和服务端在握手hello消息中明文交换了client_random和server_random ，使用RSA公钥加密传输premaster secret ，最后通过算法，客户端和服务端分别计算master secret。其中，不直接使用premaster secret 的原因是：保证secret的随机性不受任意一方的影响。

除了使用RSA算法在公共信道交换密钥，还可以通过Diffie–Hellman算法。Diffie–Hellman算法的原理是这样的

HTTPS工作原理

使用Diffie–Hellman算法交换premaster secret 的流程

HTTPS工作原理

小结

TLS Handshaking Protocols协商了TLS Record Protocol使用的算法和所需参数，并验证了服务端身份；TLS Record Protocol在协商后保证应用层数据的完整性和隐私性。

TLS Handshaking Protocol的核心是在公开信道上传递premaster secret。

Q&A

为什么传输内容不直接使用非对称加密？

性能

HTTPS能保证正常连接？

no

攻击者甚至可以直接丢弃双方的数据包

服务端如何验证客户端身份？

通过Client Certificate

Alert protocol有什么作用？

Closure Alerts：防止Truncation Attack

Error Alerts：错误处理

master secret是如何计算的

  master_secret = PRF(pre_master_secret, "master secret",
ClientHello.random + ServerHello.random)
[0..47];

加密，压缩和MAC算法参数是如何计算的

Handshaking Protocols使得客户端和服务端交换了三个参数：client_random，server_random 和master_secret，通过以下算法生成算法所需要的参数

To generate the key material, compute
key_block = PRF(SecurityParameters.master_secret,
"key expansion",
SecurityParameters.`server_random ` +
SecurityParameters.`client_random`);
until enough output has been generated.  Then, the key_block ispartitioned as follows:
client_write_MAC_key[SecurityParameters.mac_key_length]
server_write_MAC_key[SecurityParameters.mac_key_length]
client_write_key[SecurityParameters.enc_key_length]
server_write_key[SecurityParameters.enc_key_length]
client_write_IV[SecurityParameters.fixed_iv_length]
server_write_IV[SecurityParameters.fixed_iv_length]

使用Diffie-Hellman算法的TLS握手细节

HTTPS工作原理

拓展阅读

  • Keyless

  • Let’s Encrypt

  • Session resume

  • 证书Revoke

参考链接

  1. TLS1.2规范：The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.2

  2. PKI规范：Internet X.509 Public Key Infrastructure Certificate and Certificate Revocation List (CRL) Profile

  3. 证书和数字签名：What is a Digital Signature?

  4. TLS Handshake：Keyless SSL: The Nitty Gritty Technical Details

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以上是 HTTPS工作原理图文版 的全部内容， 来源链接： utcz.com/a/18037.html

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