HTTPS 的密钥交换过程是基于 TLS（Transport Layer Security）协议实现的，其核心目标是通过加密和认证机制确保通信双方的安全性。以下是详细的 HTTPS 密钥交换过程的时序图，包括具体加密算法和细节。
HTTPS 密钥交换过程详细时序图
Client Server ClientHello 包含以下内容: - 支持的 TLS 版本 (如 TLS 1.3) - 支持的加密套件列表 (Cipher Suites) - 随机数 (ClientRandom) - 扩展信息 (如 SNI) ServerHello 包含以下内容: - 选定的加密套件 (如 TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256) - 随机数 (ServerRandom) - 服务器证书 (包含公钥) - 可选的 ServerKeyExchange (ECDHE 参数) - ServerHelloDone ClientKeyExchange 客户端发送自己的公钥 (ClientPublicKey) ServerKeyExchange 服务器发送自己的公钥 (ServerPublicKey) 双方计算共享密钥 (SharedSecret): - 客户端: SharedSecret = EllipticCurveMultiply(ServerPublicKey, ClientPrivateKey) - 服务器: SharedSecret = EllipticCurveMultiply(ClientPublicKey, ServerPrivateKey) 使用 PRF 生成会话密钥: MasterSecret = PRF(Pre-MasterSecret, "master secret", ClientRandom + ServerRandom) SessionKeys = PRF(MasterSecret, "key expansion", ClientRandom + ServerRandom) Finished 包含握手消息的哈希值 (使用会话密钥加密) Finished 包含握手消息的哈希值 (使用会话密钥加密) Encrypted Application Data Encrypted Application Data Client Server
1. 客户端发起连接请求
客户端向服务器发送一个 ClientHello 消息，包含以下内容：
-
支持的 TLS 版本（如 TLS 1.2 或 TLS 1.3）。
-
支持的加密套件列表（Cipher Suites），例如：
TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256（ECDHE 密钥交换 + RSA 认证 + AES 加密）。
-
随机数
ClientRandom（用于后续密钥生成）。 -
可选的扩展信息（如支持的压缩方法、SNI 等）。
Client -> Server: ClientHello
TLS Version: TLS 1.3
Cipher Suites: [TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256, ...]
Random: ClientRandom
Extensions: [SNI, Supported Groups, Signature Algorithms, ...]
2. 服务器响应
服务器收到 ClientHello 后，选择合适的加密套件，并返回 ServerHello 消息，包含以下内容：
-
选定的加密套件（如
TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256）。 -
随机数
ServerRandom（用于后续密钥生成）。 -
服务器证书（包含公钥，用于身份验证）。
-
可选的
ServerKeyExchange消息（在某些情况下需要，例如使用 DHE 或 ECDHE 密钥交换时）。 -
可选的
CertificateRequest消息（如果需要客户端认证）。 -
ServerHelloDone消息（表示服务器完成初始握手消息）。Server -> Client: ServerHello
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256
Random: ServerRandom
Certificate: ServerCert (包含公钥)
ServerKeyExchange: (可选，ECDHE 参数)
ServerHelloDone
3. 密钥交换（ECDHE 示例）
在此阶段，客户端和服务器通过密钥交换算法（如 ECDHE）协商出共享密钥（Pre-Master Secret）。以下是 ECDHE 的具体步骤：
3.1 客户端生成 ECDHE 参数
客户端根据服务器提供的椭圆曲线参数（如 secp256r1），生成自己的临时私钥和公钥：
- 客户端私钥：
ClientPrivateKey。 - 客户端公钥：
ClientPublicKey = EllipticCurveMultiply(BasePoint, ClientPrivateKey)。
客户端将 ClientPublicKey 发送给服务器。
Client -> Server: ClientKeyExchange
Public Key: ClientPublicKey
3.2 服务器生成 ECDHE 参数
服务器同样生成自己的临时私钥和公钥：
- 服务器私钥：
ServerPrivateKey。 - 服务器公钥：
ServerPublicKey = EllipticCurveMultiply(BasePoint, ServerPrivateKey)。
服务器将 ServerPublicKey 发送给客户端。
Server -> Client: ServerKeyExchange
Public Key: ServerPublicKey
3.3 计算共享密钥
客户端和服务器分别使用对方的公钥和自己的私钥计算共享密钥：
- 客户端计算：
SharedSecret = EllipticCurveMultiply(ServerPublicKey, ClientPrivateKey)。 - 服务器计算：
SharedSecret = EllipticCurveMultiply(ClientPublicKey, ServerPrivateKey)。
由于椭圆曲线的数学特性，双方计算出的 SharedSecret 是相同的。
4. 生成会话密钥
客户端和服务器使用以下信息生成会话密钥（Master Secret 和对称加密密钥）：
ClientRandom（客户端随机数）。ServerRandom（服务器随机数）。Pre-Master Secret（通过密钥交换算法协商出的共享密钥）。
通过伪随机函数（PRF，Pseudo-Random Function），生成以下密钥：
-
加密密钥：用于对称加密（如 AES）。
-
MAC 密钥：用于消息完整性校验（如 HMAC）。
-
IV：用于分组加密模式（如 AES-GCM）。
MasterSecret = PRF(Pre-MasterSecret, "master secret", ClientRandom + ServerRandom)
SessionKeys = PRF(MasterSecret, "key expansion", ClientRandom + ServerRandom)
5. 完成握手
客户端和服务器交换 Finished 消息，验证握手过程是否成功：
-
客户端发送
Finished消息，包含握手消息的哈希值（使用会话密钥加密）。 -
服务器验证客户端的
Finished消息。 -
服务器发送自己的
Finished消息，客户端验证。Client -> Server: Finished
Encrypted Hash: HMAC(SessionKeys, HandshakeMessages)Server -> Client: Finished
Encrypted Hash: HMAC(SessionKeys, HandshakeMessages)
6. 应用层数据传输
握手完成后，客户端和服务器使用协商出的会话密钥进行对称加密通信。
Client <-> Server: Encrypted Application Data
关键加密算法和细节
| 步骤 | 加密算法/技术 | 描述 |
|---|---|---|
| 密钥交换 | ECDHE（Elliptic Curve Diffie-Hellman） | 使用椭圆曲线密码学生成共享密钥，提供前向安全性（Forward Secrecy）。 |
| 身份认证 | RSA 或 ECDSA | 服务器证书中的公钥用于验证服务器身份。 |
| 对称加密 | AES-128-GCM | 使用 AES 加密算法保护应用层数据，GCM 提供加密和完整性保护。 |
| 哈希函数 | SHA-256 | 用于生成消息摘要和伪随机函数（PRF）。 |
| 消息完整性 | HMAC | 使用 HMAC 算法验证消息完整性。 |
总结
HTTPS 密钥交换的核心是通过非对称加密（如 ECDHE）协商共享密钥，并使用对称加密（如 AES）保护实际数据传输。整个过程涉及多个加密算法和技术，确保了通信的机密性、完整性和身份认证。