HTTPS相关原理

HTTPS相关原理

2016年12月11日

19:49

 

在互联网安全通信方式上，目前用的最多的就是HTTPS配合SSL和数字证书来保证传输和认证安全了。本文追本溯源围绕这个模式谈一谈。

 

1 名词解释

首先解释一下上面的几个名词：

· HTTPS：在HTTP(超文本传输协议)基础上提出的一种安全的HTTP协议，因此可以称为安全的超文本传输协议。HTTP协议直接放置在TCP协议之上，而HTTPS提出在HTTP和TCP中间加上一层加密层。从发送端看，这一层负责把HTTP的内容加密后送到下层的TCP，从接收方看，这一层负责将TCP送来的数据解密还原成HTTP的内容。

· SSL(Secure Socket Layer)：是Netscape公司设计的主要用于WEB的安全传输协议。从名字就可以看出它在HTTPS协议栈中负责实现上面提到的加密层。因此，一个https协议栈大致是这样的：

 

· 数字证书：一种文件的名称，好比一个机构或人的签名，能够证明这个机构或人的真实性。其中包含的信息，用于实现上述功能。

· 加密和认证：加密是指通信双方为了防止敏感信息在信道上被第三方窃听而泄漏，将明文通过加密变成密文，如果第三方无法解密的话，就算他获得密文也无能为力；认证是指通信双方为了确认对方是值得信任的消息发送或接受方，而不是使用假身份的骗子，采取的确认身份的方式。只有同时进行了加密和认真才能保证通信的安全，因此在SSL通信协议中这两者都被应。

    因此，这三者的关系已经十分清楚了：https依赖一种实现方式，目前通用的是SSL，数字证书是支持这种安全通信的文件。另外有SSL衍生出TLS和WTLS，前者是IEFT将SSL标准化之后产生的（TSL1.0），与SSL差别很小，后者是用于无线环境下的TSL。

 

2 如何加密

2.1 常用的加密算法

· 对称密码算法：是指加密和解密使用相同的密钥，典型的有DES、RC5、IDEA（分组加密），RC4（序列加密）；

· 非对称密码算法：又称为公钥加密算法，是指加密和解密使用不同的密钥（公开的公钥用于加密，私有的私钥用于解密）。比如A发送，B接收，A想确保消息只有B看到，需要B生成一对公私钥，并拿到B的公钥。于是A用这个公钥加密消息，B收到密文后用自己的与之匹配的私钥解密即可。密钥是B生成的。反过来也可以用私钥加密公钥解密。也就是说对于给定的公钥有且只有与之匹配的私钥可以解密，对于给定的私钥，有且只有与之匹配的公钥可以解密。典型的算法有RSA，DSA，DH；

 

· 散列算法：散列变换是指把文件内容通过某种公开的算法，变成固定长度的值（散列值），这个过程可以使用密钥也可以不使用。这种散列变换是不可逆的，也就是说不能从散列值变成原文。因此，散列变换通常用于验证原文是否被篡改。典型的算法有：MD5，SHA，Base64，CRC等。

    在散列算法（也称摘要算法）中，有两个概念，强无碰撞和弱无碰撞。弱无碰撞是对给定的消息x，伪造出摘要信息相同的明文。强无碰撞是指在不知道被伪造的明文是什么的情况下，也能伪造出具有相同摘要信息的明文。

已知HASH函数f（x），单向是指已知x可以求出f(x),但是从f(x)无法推断x。

弱无碰撞是指已知x，要找出y使得f(y)=f(x)是不可行的。

强无碰撞是指想找出数对x，y，使得f(x)=f(y)是不可行的。

 

2.2 SSL协议通信流程

    需要注意的是非对称加解密算法的效率要比对称加解密要低的多。所以SSL在握手过程中使用非对称密码算法来协商密钥，实际使用对称加解密的方法对http内容加密传输。

客户端向服务器端发起对话，协商传送加密算法。例如：对称加密算法有DES、RC5，密钥交换算法有RSA和DH，摘要算法有MD5和SHA。

服务器向客户端发送服务器数字证书。比如：使用DES－RSA－MD5这对组合进行通信。客户端可以验证服务器的身份，决定是否需要建立通信。

客户端向服务器传送本次对话的密钥。在 检查服务器的数字证书是否正确、通过CA机构颁发的证书验证了服务器证书的真实有效性之后，客户端生成利用服务器的公钥加密的本次对话的密钥发送给服务器。

服务器用自己的私钥解密，获取本次通信的密钥。

双方的通信正式开始。

 

详细通信过程见SSL握手阶段详细过程

从上面的过程可以看到，SSL协议是如何用非对称密码算法来协商密钥，并使用密钥加密明文并传输的。还有以下几点补充：

· B使用数字证书把自己的公钥和其他信息包装起来发送A，用于A验证B的身份。

· A生成的加密密钥、加密初始化向量和hmac密钥是双方用来将明文摘要和加密的。加密初始化向量和hmac密钥首先被用来对明文摘要（防止明文被篡改），然后这个摘要和明文放在一起用加密密钥加密后传输。

· 由于只有B有私钥，所以只有B可以解密ClientKeyExchange消息，并获得之后的通信密钥。

· 上述过程B没有验证A的身份，如果需要的话，SSL也是支持的，此时A也需要提供自己的证书。

2.3 数字证书

    由上面的讨论可以知道，数字证书在SSL传输过程中扮演身份认证和密钥分发的功能。究竟什么是数字证书呢？

    简而言之数字证书是一种网络上证明持有者身份的文件，同时还包含有公钥，数字证书=身份文件+公钥。一方面，既然是文件那么就有可能“伪造”，因此，证书的真伪就需要一个验证方式；另一方面，验证方需要认同这种验证方式。

    对于第一个需求，目前的解决方案是，证书可以由国际上公认的证书机构颁发，这些机构是公认的信任机构，一些验证证书的客户端应用程序：比如浏览器，邮件客户端等，对于这些机构颁发的证书完全信任。当然想要请这些机构颁发证书可是要付钱的，通常在windows部署系统的时候会让客户端安装我们自己服务器的根证书，这样客户端同样可以信任我们的证书。

    对于第二个需求，客户端程序通常通过维护一个“根受信任机构列表”，当收到一个证书时，查看这个证书是否是该列表中的机构颁发的，如果是则这个证书是可信任的，否则就不信任。

2.3.1 证书的信任

    因此作为一个https的站点需要与一个证书绑定，无论如何，证书总是需要一个机构颁发的，这个机构可以是国际公认的证书机构，也可以是任何一台安装有证书服务的计算机。客户端是否能够信任这个站点的证书，首先取决于客户端程序是否导入了证书颁发者的根证书。下图说明了这个流程：

 

    有时一个证书机构可能授权另一个证书机构颁发证书，这样就出现了证书链。IE浏览器在验证证书的时候主要从下面三个方面考察，只要有任何一个不满足都将给出警告

· 证书的颁发者是否在“根受信任的证书颁发机构列表”中

· 证书是否过期

· 证书的持有者是否和访问的网站一致

    另外，浏览器还会定期查看证书颁发者公布的“证书吊销列表”，如果某个证书虽然符合上述条件，但是被它的颁发者在“证书吊销列表”中列出，那么也将给出警告。证书与密钥

    在ssl的加密过程一节中，我们知道要实现ssl加密通信，必须要双方协商密钥，ssl采用的是非对称加密来实现密钥交换。在这个过程中，服务端向客户端发送的公钥就包含在证书中。客户端将自己生成的密钥用公钥加密，服务端用于公钥匹配的私钥解密。因此，可以想到的是，服务端保存了一个私钥，并且也与https的站点绑定了。