一文了解HTTPS运行过程、使用

前言

本文主要介绍：

HTTPS相较于HTTP更安全的原因

对称加密、非对称加密

摘要、数字证书+签名作用

SSL/TLS 握手过程

服务器如何配置https

本地如何模拟生成证书，模拟https

希望大家看完之后，能对https有一个很好的理解。

1. 为什么需要https

1.1 http运行流程

我们先了解http为什么不安全，它的运行流程是什么，有什么弊端。

HTTP是属于应用层的协议，它是基于TCP/IP的，所以它只是规定一些要传输的内容，以及头部信息，然后通过TCP协议进行传输，依靠IP协议进行寻址，如图：

具体流程是：客户端发出请求，服务端进行响应。在整个过程中，数据都是明文形式传递，中间人可以进行拦截，造成安全隐患。

1.2 http有哪些风险

窃听风险

HTTP 传输的数据是明文。黑客很容易通过嗅探技术截获报文，由于数据没有加密，内容可以被黑客所理解。

篡改风险

黑客可以在截获 HTTP 报文后，对报文进行修改，然后再发送到服务器。

冒充风险

黑客可以伪造 HTTP 报文，假装自己是用户真正想要访问的网站，然后与用户进行通信。

1.3 安全通信的四大原则

不难猜到 HTTPS 就是为了解决上述三个风险而生的，一般我们认为安全的通信需要包括以下四个原则: 机密性 、完整性 ，身份认证 和不可否认。

机密性：HTTPS通过使用TLS进行加密的数据传输来提供机密性。这确保了在用户和服务器之间传输的所有数据都是加密的，防止在传输过程中被窃听者获取。
完整性：TLS协议提供一种消息摘要功能，比如使用HMAC，固定长度的哈希值可以证明数据在传输过程中没有被更改。
身份认证：HTTPS使用公钥证书对服务器进行身份验证。在TLS握手过程中，服务器将其公钥和证书发送给客户端。客户端可以通过证书颁发机构来验证服务器的身份。
不可否认：HTTPS使用SSL/TLS协议中的数字签名来提供不可抵赖性。数字签名用于验证通信内容的来源和完整性，防止发送方或接收方否认其行为。

接下来我们来看看 HTTPS 是如何实现以满足安全通信原则的。

2. 加密方式

2.1 对称加密

使用相同的密钥用于加密和解密数据。

常见的对称加密算法包括DES、AES和RC4等。

对称加密优点：速度较快，适合用于大量数据的加密和解密。

问题：如何解决公钥拦截问题，引入非对称加密。

2.2 非对称加密

使用一对公钥和私钥进行加密和解密。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。

常见的非对称加密算法包括RSA和Elliptic Curve Cryptography（ECC）等。

非对称加密优点：提供了更高的安全性，但速度较慢，适合用于密钥交换和数字签名等场景。

因为非对称加密密钥传输不安全，服务器会生成一对公钥和私钥。公钥会发送给客户端，而私钥将被服务器保密。

公钥是任何一个客户端都能获取的，私钥只能服务器知道，尽管黑客获取了公钥也无法破解加密内容。

但是他也存在问题，当黑客进行拦截，换成自己的公钥给客户端，那么客户端发送给服务器的信息被解析，比如转账100给什么人，可以转账10000给中间人使用服务器的公钥加密给服务器。

问题：客户端如何认证公钥真假？

2. 数字证书+签名

2.1 数字证书

客户端如何验证公钥真假，就需要东西证明。就像我们找工作时的学历证书，显然不是任意的东西都可以，证书是由教育部即第三方权威机构（Certificate Authority，简称 CA）颁发，申请证书需要提交域名、申请人信息、公钥发送到CA申请生成证书。

问题：如何验证证书的真实性，如果仅用证书摘要进行解析，会有替换的风险。因为摘要算法是公开的，黑客可以替换掉证书明文，再根据证书上的摘要算法计算出摘要后把证书上的摘要也给替换掉！这样客户端拿到证书后计算摘要发现一样，误以为此证书是合法就中招了

2.2 数字签名

就类似于学历证书可以伪造，但是学历证书编号是可以在学信网上查辨证书真伪。

学历编号其实就是我们常说的数字签名，可以防止证书造假。

所以关键是要用 CA 的私钥给摘要进行加密生成签名，客户端得用 CA 的公钥来给签名解密，拿到的才是未经篡改合法的摘要（私钥签名，公钥才能解密）。

签名过程如下：

验证逻辑如下：

那么问题来了，客户端如何得到认证中心的公钥呢？万一此公钥是被伪造的呢？为了防止套娃，实际电脑操作系统中会内置这些认证中心的公钥！因而无需担心认证中心公钥被伪造的问题。

2.3 总结

在自己的服务器上生成一对公钥和私钥。然后将域名、申请者、公钥(注意不是私钥，私钥是无论如何也不能泄露的)等其他信息整合在一起，生成.csr 文件。
将这个 .csr 文件发给 CA 机构，CA 机构收到申请后，会通过各种手段验证申请者的组织信息和个人信息，如无异常(组织存在，企业合法，确实是域名的拥有者)，CA 就会使用散列算法对.csr里的明文信息先做一个HASH，得到一个信息摘要，再用 CA 自己的私钥对这个信息摘要进行加密，生成一串密文，密文即是所说的签名。签名 + .csr 明文信息，即是证书。CA 把这个证书返回给申请人。

客户端拿到证书后，用同样的摘要算法对证书明文计算摘要，再用CA的公钥来给签名解密，拿到的才是未经篡改合法的摘要，两者一致确保证书不被替换修改。因为客户端除了通过验签的方式验证证书是否合法之外，还需要验证证书上的域名与自己的请求域名是否一致，中间人中途虽然可以替换自己向 CA 申请的合法证书，但此证书中的域名与客户端请求的域名不一致，客户端会认定为不通过！

3、SSL/TSL

3.1 什么是SSL/TSL

SSL（Secure Sockets Layer）和TLS（Transport Layer Security）都是用于加密和保护网络通信的安全协议。

SSL是早期使用，现在都使用TSL协议。TSL协议是在应用层和传输层之间进行加密的。

通信的整体流程：

3.2 SSL/TSL握手过程

使用wireshark进行抓包，分析TSL握手过程:

第一次握手 客户端向服务器发起加密通信请求，内容主要包括：

客户端支持的 SSL/TLS 协议版本，如 TLS 1.2 版本。
客户端生产的第一随机数 ，用于后续生成 会话密钥和 鉴别密钥。
客户端支持的密码套件列表，每个密码套件包含：
1. 用于传输会话密钥的非对称加密算法，如 ECDHE、RSA；
2. 用于验证数字证书的非对称加密算法，如 ECDHE、RSA；
3. 用于传输数据的对称加密算法，如 AES_128_GCM、AES_128_CBC；
4. 用于验证报文完整性的摘要算法，如 SHA256、SHA384；
5. 格式为：TLS_非对称加密算法_非对称加密算法_对称加密算法_摘要算法，如果两个非对称加密算法一致，可省略不写。

第二次握手

服务器收到客户端加密通信请求后，向客户端发出响应，内容主要包括：

确认的 SSL/ TLS 协议版本，如果双方支持的版本不同，则关闭加密通信。
服务器生产的第二随机数 ，用于后续生成 会话密钥和 鉴别密钥。
确认的密码套件，如 TLS_RSA_WITH_AES128_CBC_SHA。

服务器发送数字证书+公钥

第三次握手

客户端收到服务器的回应之后，会验证其数字证书是否合法（验证方法在数字证书小节中有说明），如果证书合法，则进行第三次握手，内容主要包括：

客户端生产的第三随机数 （称为预主密钥，Pre-Master Secret，简写为 PMS），此随机数会被服务器 公钥加密。
客户端根据随机数 1、随机数 2 以及预主密钥计算出会话密钥（Master Secret，MS）。
加密通信算法改变通知，表示之后数据都将用 会话密钥进行加密。
客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。客户端会生成所有握手报文数据的摘要，并用 会话密钥加密后发送给服务器，用来供服务端校验。

第四次握手

服务器收到客户端的消息后，利用自己的 私钥解密出预主密钥，并根据第一随机数、第二随机数以及解密出来的预主密钥计算出会话密钥。

之后进行第四次握手，内容主要包括：

加密通信算法改变通知，表示之后数据都将用 会话密钥进行加密。
服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。服务器会生成所有握手报文数据的摘要，并用 会话密钥加密后发送给客户端，用来供客户端校验。

最后双方使用对称加密进行加密传输：

至此，整个 SSL/TLS 的握手阶段全部结束！

完整过程如下所示：

其中最为关键的是：生成的预主密钥使用公钥加密，只能服务器的私钥进行解析，双方通过第一随机数+第二随机数+预主密钥生成会话密钥，黑客是无法进行破解得到预主密钥的。

为什么第三、第四次握手要发送所有握手报文的摘要呢？

主要原因是防止握手信息被篡改。比如客户端支持的密码套件列表中，有些加密算法较弱，有些加密算法较强，而此密码套件是明文传输的，万一黑客将此密码套件列表进行了修改，只留下一些安全性较低的加密算法，那么服务器就只能从这些安全性较低的加密算法中选择，安全性大大降低。因此需要通过发送摘要的形式防止握手信息被篡改。

为什么不直接发送一个主密钥，而是用两个随机数加一个前主密钥重新生成一个主密钥呢？

主要原因是防止连接重放 。如果没有前面两个随机数，仅仅由客户端生成一个主密钥，并通过服务器 公钥加密发送给服务器。那么黑客在嗅探了服务器与客户端之间的所有报文后，可以再次冒充客户端向服务器发送相同的报文（虽然黑客不知道内容是什么），因为报文信息都是之前客户端和服务器验证过的，因此服务器会认为是客户端与其通信，导致又一次连接。

4. 服务器如何配置https

申请https证书，以阿里云为例，申请免费的ssl证书：
申请后下载证书文件

下载完成后得到，以nginx为例：

vbnet 复制代码

xxx.key：私钥
xxx.pem：证书

放入服务器中,配置nginx即可：

js 复制代码

server {
    listen 443 ssl;
    server_name xxx.com;

    ssl_certificate    xxx.pem;
    ssl_certificate_key xxx.key;
}

5. 本地如何模拟https

5.1 生成ssl证书和密钥

安装OpenSSL：首先，您需要在您的计算机上安装OpenSSL工具。OpenSSL是一个开源的软件包，用于生成和管理SSL证书。

mac不需要安装
windows www.openssl.org/source/

生成私钥：使用以下命令生成一个私钥文件（xxx.key）：
csharp 复制代码
```
openssl genrsa -out private.key 2048
```
这将生成一个2048位的RSA私钥文件。
创建证书签名请求（CSR）：使用以下命令生成一个证书签名请求文件（xxx.csr）：
vbnet 复制代码
```
 openssl req -new -key private.key -out certificate.csr
```
在生成CSR时，您将需要填写一些相关的信息，如组织名称、国家/地区、城市、常用名称等。
自签名证书生成：使用以下命令生成一个自签名的证书文件（xxx.crt）：
csharp 复制代码
```
openssl x509 -req -days 365 -in certificate.csr -signkey private.key -out certificate.crt
```
这将生成一个有效期为365天的自签名证书文件。
完成：通过以上步骤，您已经生成了一个自签名的SSL证书文件（certificate.crt）和其对应的私钥文件（private.key）。

注意事项：

自签名证书在本地开发和测试环境中使用是可行的，且生成过程中需要设置密码。

5.2 Docker模拟环境

arduino 复制代码

./
├─Dockerfile
├─certificate.crt // 证书
├─certificate.csr // 签名请求文件（不需要了）
├─index.html // 入口文件
├─nginx.conf // nginx 配置文件
└private.key // 私钥

使用Docker进行模拟，写配置文件

Dockerfile:

bash 复制代码

# 设置基础镜像
FROM nginx

# 复制证书和私钥到容器中
COPY certificate.crt /etc/nginx/ssl/certificate.crt
COPY private.key /etc/nginx/ssl/private.key

# 复制Nginx配置文件到容器中
COPY nginx.conf /etc/nginx/conf.d/default.conf

# 复制首页
COPY index.html /etc/nginx/html/index.html


# 暴露443端口
EXPOSE 443

# 启动Nginx
CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]

nginx.conf:

ini 复制代码

server {
    listen 443 ssl;
    server_name localhost;

    ssl_certificate /etc/nginx/ssl/certificate.crt;
    ssl_certificate_key /etc/nginx/ssl/private.key;

    location / {
      root /etc/nginx/html;
      index index.html;
    }
}

index.html:

xml 复制代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
	<meta charset="UTF-8">
	<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
	<title>HTTPS</title>
</head>
<body>
	<h1>https实验</h1>
</body>
</html>

生成镜像并运行

生成镜像：docker build -t f5l5y5/https .

运行：docker run -d -p 443:443 --name https f5l5y5/https

测试

因为证书未经过认证，所以有安全提示

继续点击

6、总结

总的来说，HTTPS是为了提供更为安全的网络通信，通过数字证书加签名，以及TLS协议来实现的。

知道HTTP的运行流程和它的风险。介绍对称加密和非对称加密。
1. 对称加密:使用相同的密钥进行加密和解密，运算速度快，适合大量数据的加密和解密。
2. 非对称加密：使用一对公钥和私钥进行加密和解密，提供更高的安全性，但处理速度较慢。
HTTPS通过创建数字证书和签名来防止证书被伪造。证书由权威的第三方机构（CA）颁发，并包含域名、申请人、公钥等信息。使用数字签名可以防止证书被替换或者修改。
HTTPS 采用混合加密方式，用非对称加密算法传输密钥，用对称加密算法传输实际数据

对称加密算法的弱点在于协商密钥的过程采用明文不安全，存在密钥泄漏的可能，我们是不是可以不采用明文，而是采用非对称加密算法来协商此密钥，之后传输数据时再采用对称加密算法进行加密。
- 会话密钥通过非对称加密算法传输，非常 安全
- 大量数据通过对称加密算法传输（多次），会话密钥只需要传一次，传输速度快
通过SSL/TLS协议，HTTPS在应用层和传输层之间进行加密，实现安全通信。SSL/TLS握手过程中，服务器和客户端会交换随机数和预主密钥，并生成会话密钥，以此提高通信的安全性。
如何在服务器上配置HTTPS，以及在本地模拟HTTPS环境的方法。在实践中，我们需要申请和下载HTTPS证书，设置Nginx。在本地测试时，我们生成自己的SSL证书和密钥，并利用Docker进行模拟。

如有错误，请大家指正。希望对你有一点帮助^O^!

参考文章

HTTPS是什么？加密原理和证书。SSL/TLS握手过程