【Linux】应用层协议 HTTPS

应用层协议 HTTPS

• [一. 加密和解密](#一. 加密和解密)
• • [1. 为什么要加密？](#1. 为什么要加密？)
  • [2. 常见的加密方式](#2. 常见的加密方式)
  • • [1. 对称加密](#1. 对称加密)
    • [2. 非对称加密](#2. 非对称加密)
  • [3. 数据摘要](#3. 数据摘要)
• [二. HTTPS 的工作过程探究](#二. HTTPS 的工作过程探究)
• • [1. 使用对称加密](#1. 使用对称加密)
  • [2. 单方使用非对称加密](#2. 单方使用非对称加密)
  • [3. 双方使用非对称加密](#3. 双方使用非对称加密)
  • [4. 非对称加密 + 对称加密](#4. 非对称加密 + 对称加密)
  • • [1. 中间人攻击](#1. 中间人攻击)
    • [2. 数字签名](#2. 数字签名)
    • [3. 证书](#3. 证书)
  • [5. 非对称加密 + 对称加密 + 证书认证](#5. 非对称加密 + 对称加密 + 证书认证)
  • • [1. 查看浏览器受信任的CA机构](#1. 查看浏览器受信任的CA机构)
    • [2. 中间人篡改证书？](#2. 中间人篡改证书？)
    • [3. 中间人掉包证书？](#3. 中间人掉包证书？)
  • [6. HTTPS 秘钥协商的完整流程](#6. HTTPS 秘钥协商的完整流程)
• [三. 如何成为中间人（了解）](#三. 如何成为中间人（了解）)

HTTP 协议内容都是按照文本的方式明文传输的，这就导致在传输过程中出现一些被篡改的情况。

HTTPS 也是一个应用层协议，是在 HTTP 协议的基础上引入了一个加密层。

特性	HTTP	HTTPS
安全性	明文传输，不安全	使用 SSL/TSL 加密，安全
默认端口号	80	443
性能	较快	稍慢

一. 加密和解密

• 加密就是把明文 (要传输的信息)进行一系列变换，生成密文。
• 解密就是把密文 再进行一系列变换，还原成明文。
• 在这个加密和解密的过程中，往往需要一个或者多个中间的数据，辅助进行这个过程，这样的数据称为密钥。

1. 为什么要加密？

臭名昭著的 "运营商劫持" ，比如：下载一个天天动听

• 未被劫持的效果，点击下载按钮，就会弹出天天动听的下载链接：

• 已被劫持的效果，点击下载按钮，就会弹出 QQ 浏览器的下载链接：

由于我们通过网络传输的任何的数据包都会经过运营商的网络设备(路由器，交换机等)，那么运营商的网络设备就可以解析出你传输的数据内容，并进行篡改！

点击 "下载按钮"，其实就是浏览器给服务器发送了一个 HTTP 请求，获取到的 HTTP 响应其实就包含了该 APP 的下载链接。运营商劫持之后，就发现这个请求是要下载天天动听，那么就自动的把交给用户的响应给篡改成 "QQ 浏览器" 的下载地址了！

所以：因为 HTTP 的内容是明文传输的，明文数据会经过路由器、wifi 热点、通信服务运营商、代理服务器等多个物理节点，如果信息在传输过程中被劫持，传输的内容就完全暴露了。劫持者还可以篡改传输的信息且不被双方察觉，这就是 中间人攻击，所以我们才需要对信息进行加密。

思考下，为啥运营商要进行劫持？？？超能力money！！！

• 不止运营商可以劫持，其他的 黑客 也可以用类似的手段进行劫持，来窃取用户隐私信息，或者篡改内容。试想一下，如果黑客在用户登陆支付宝的时候获取到用户账户余额，甚至获取到用户的支付密码...
• 在互联网上，明文传输是比较危险的事情！！！HTTPS 就是在 HTTP 的基础上进行了加密，进一步的来保证用户的信息安全！！！

2. 常见的加密方式

1. 对称加密

对称加密(单密钥加密)：采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密！

• 特征：加密和解密所用的密钥是相同的。
• 常见对称加密算法(了解)：DES、3DES、AES、TDEA、Blowfish、RC2
• 特点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。

对称加密其实就是通过同一个 "密钥"，把明文加密成密文，并且也能把密文解密成明文！

• 一个简单的对称加密，按位异或：假设 明文 a = 1234，密钥 key = 8888 则加密 a ^ key 得到的密文 b 为 9834。然后针对密文 9834 再次进行运算 b ^ key，得到的就是原来的明文 1234。
• 对于字符串的对称加密也是同理：每一个字符都可以表示成一个数字，当然，按位异或只是最简单的对称加密！HTTPS 中并不是使用按位异或！

2. 非对称加密

非对称加密：需要两个密钥来进行加密和解密，这两个密钥是公开密钥（public key，简称公钥）和私有密钥（private key，简称私钥）

• 常见非对称加密算法(了解)：RSA，DSA，ECDSA
• 特点：算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥但是由于其算法复杂，而使得加密解密速度没有对称加密解密的速度快。

非对称加密要用到两个密钥，一个叫做 "公钥"，一个叫做 "私钥"，公钥和私钥是配对的。最大的缺点就是运算速度非常慢，比对称加密要慢很多！

• 通过公钥对明文加密，变成密文，通过私钥对密文解密，变成明文！用公钥加密，只有私钥能解密，能解密的人非常少！
• 通过私钥对明文加密, 变成密文，通过公钥对密文解密, 变成明文！用私钥加密，只有公钥能解密，能加密的人非常少！

非对称加密的数学原理比较复杂，涉及到一些 数论 相关的知识。

这里举一个简单的生活上的例子，A 要给 B 一些重要的文件，但是 B 可能不在，于是 A 和 B 提前做出约定。B 说：我桌子上有个盒子，然后我给你一把锁，你把文件放盒子里用锁锁上，然后我回头拿着钥匙来开锁取文件。在这个场景中，这把锁就相当于公钥，钥匙就是私钥。公钥给谁都行(不怕泄露)，但是私钥只有 B 自己持有，持有私钥的人才能解密。

3. 数据摘要

数字摘要(数据指纹)：其基本原理是利用单向散列函数(Hash 函数)对信息进行运算，生成一串固定长度的数字摘要。数据摘要并不是一种加密机制，但可以用来判断数据有没有被篡改。

• 摘要常见算法：有 MD5、SHA1、SHA256、SHA512 等，算法把无限的映射成有限，因此可能会有碰撞（两个不同的信息，算出的摘要相同，但是概率非常低）
• 摘要特征：和加密算法的区别是，摘要严格意义不是加密，因为没有解密，只不过从摘要很难反推原信息，通常用来进行数据对比！

应用场景：

1. 经过HTTPS协议，登入客户端，输入账号和密码，密码进行数据摘要与数据库进行对比(数据库中的密码不是明文保存的，而是保存密码摘要)，判断是否登入成功。
2. 已知百度网盘的服务器中存在 "哪吒2" 这部电影，在服务器内部通过hash算法形成摘要。此时张三想要将 "哪吒2" 上传到百度网盘的客户端，本地通过同样的hash算法形成摘要，传递摘要并在服务器中搜索。如果没搜到：上传电影，服务器保存摘要。如果搜到了：不需要上传，只需通过摘要在服务器中搜索电影即可。

二. HTTPS 的工作过程探究

既然要保证数据安全, 就需要进行 "加密". 网络传输中不再直接传输明文了, 而是加密之后的 "密文". 加密的方式有很多, 但是整体可以分成两大类: 对称加密 和 非对称加密

1. 使用对称加密

如果通信双方都各自持有同一个密钥 X，且没有别人知道，这两方的通信安全当然是可以被保证的（除非密钥被破解）

引入对称加密之后，即使数据被截获，由于黑客不知道密钥是啥，因此就无法进行解密，也就不知道请求的真实内容是啥了。但事情没这么简单，服务器同一时刻其实是给很多客户端提供服务的，这么多客户端，每个人用的秘钥都必须是不同的(如果是相同那密钥就太容易扩散了，黑客就也能拿到了)， 因此服务器就需要维护每个客户端和每个密钥之间的关联关系，这也是个很麻烦的事情。

比较理想的做法，就是能在客户端和服务器建立连接的时候，双方协商确定这次的密钥是啥~

但是如果直接把密钥明文传输，那么黑客也就能获得密钥了~~ 此时后续的加密操作就形同虚设了。因此密钥的传输也必须加密传输！但是要想对密钥进行对称加密，就仍然需要先协商确定一个 "密钥的密钥"，这就成了 "先有鸡还是先有蛋" 的问题了，此时密钥的传输再用对称加密就行不通了！

2. 单方使用非对称加密

• 鉴于非对称加密的机制，客户端请求服务器公钥，服务器将公钥以明文方式传输给客户端，之后客户端向服务器传数据前都先用这个公钥加密好再传，从客户端到服务器信道貌似是安全的，因为只有服务器有相应的私钥能解开公钥加密的数据。
• 但是由于客户端没有私钥，服务器到客户端不能加密，所以服务器到客户端是不安全的！同时非对称加密存在运算速度慢，导致效率低的问题！

这样貌似单向安全的，但是效率低！

3. 双方使用非对称加密

1. 服务端拥有公钥 S 与对应的私钥 S，客户端拥有公钥 C 与对应的私钥 C
2. 客户和服务端交换公钥。
3. 客户端给服务端发信息：先用 S 对数据加密，再发送，只能由服务器解密，因为只有服务器有私钥 S
4. 服务端给客户端发信息：先用 C 对数据加密，再发送，只能由客户端解密，因为只有客户端有私钥 C

这样貌似双向安全的，但是效率太低！

4. 非对称加密 + 对称加密

1. 服务端具有非对称公钥 S 和私钥 S，客户端发起 https 请求，获取服务端公钥 S
2. 客户端在本地生成对称密钥 C，通过公钥 S 加密，发送给服务器。
3. 由于中间的网络设备没有私钥，即使截获了数据，也无法还原出内部的原文，也就无法获取到对称密钥。
4. 服务器通过私钥 S 解密，还原出客户端发送的对称密钥 C，并且使用这个对称密钥加密给客户端返回的响应数据。
5. 后续客户端和服务器的通信都只用对称秘钥 C 加密即可。

由于该密钥只有客户端和服务器两个主机知道，其他主机/设备不知道密钥即使截获数据也没有意义。由于对称加密的效率比非对称加密高很多，因此只是在开始阶段协商密钥的时候使用非对称加密，后 续的传输仍然使用对称加密。

貌似解决了单项安全和效率低的问题，但是真的做到了绝对安全？其实 方案 2/3/4 都存在一个问题，如果最开始，中间人就已经开始攻击了呢？

1. 中间人攻击

• 确实，在方案 2/3/4 中，客户端获取到公钥 S 之后，对客户端形成的对称秘钥 C，用服务端给客户端的公钥 S 进行加密，中间人即使窃取到了数据，此时中间人确实无法解出客户端形成的密钥 C，因为只有服务器有私钥 S
• 但是中间人的攻击，如果在最开始握手协商的时候就进行了，那就不一定了，假设 Mid 已经成功成为中间人！

1. 服务器具有非对称加密算法的公钥 S，私钥 S
2. 中间人具有非对称加密算法的公钥 M，私钥 M
3. 客户端向服务器发起请求，服务器明文传送公钥 S 给客户端。
4. 中间人劫持数据报文，提取公钥 S 并保存好，然后将被劫持报文中的公钥 S 替换成为自己的公钥 M，并将伪造报文发给客户端。
5. 客户端收到报文，提取公钥 M(自己当然不知道公钥被更换过了)，自己形成对称秘钥 C，用公钥 M 加密对称秘钥 C，形成报文发送给服务器。
6. 中间人劫持后，直接用自己的私钥 M 进行解密，得到通信秘钥 C，再用曾经保存的服务端公钥 S 加密后，将报文推送给服务器。
7. 服务器拿到报文，用自己的私钥 S 解密，得到通信秘钥 C
8. 双方开始采用对称秘钥 C 进行对称加密，进行通信。

但是中间人页存在对称秘钥 C，中间人可以劫持数据，进行监听甚至修改！导致数据安全问题！

• 上面的攻击方案，同样适用于方案 2/3
• 中间人只有一次机会获取对称秘钥：服务器发送公钥S的时候，此时篡改为自己的公钥M！
• 问题本质：客户端无法确定收到的含有公钥的数据报文，就是目标服务器发送过来的！

2. 数字签名

数字签名：签名者用私钥对数据摘要 (散列值) 进行加密后，得到的就是数字签名！

当服务端申请 CA 证书的时候，CA 机构会对该服务端进行审核，并专门为该网站形成数字签名，过程如下：

1. CA 机构拥有非对称加密的私钥 Q 和公钥 Q'
2. CA 机构对服务端申请的证书的明文数据进行 hash，形成数据摘要。
3. 然后对数据摘要用 CA 的私钥 Q' 加密，得到数字签名 S

服务端申请的证书的明文数据和数字签名 S 共同组成了数字证书，这样一份数字证书就可以颁发给服务端了！

3. 证书

• 服务端在使用 HTTPS 前，需要向 CA 机构申领一份数字证书，数字证书里含有证书申请者信息、公钥信息等。服务器把证书传输给浏览器，浏览器从证书里获取公钥就行了，证书就如身份证，证明服务端公钥的权威性！
• 客户端第一次请求，得到的返回结果不仅仅是公钥S，实际上客户端得到的是一个"证书"！
• 证书的本质：明文数据 + 携带了签名！防止数据被篡改！

• 这个"证书"可以理解成是一个结构化的字符串，里面包含了以下信息：证书发布机构、证书有效期、公钥、证书所有者、签名...
• 需要注意的是：申请证书的时候，需要在特定平台生成查，会同时生成一对儿密钥对儿，即公钥和私钥。这对密钥对儿就是用来在网络通信中进行明文加密以及数字签名的。
• 其中公钥会随着 CSR 文件，一起发给 CA 进行权威认证，私钥服务端自己保留，用来后续进行通信。其实主要就是用来服务器的公钥对密客户端的对称秘钥进行加密，发送给服务器要私钥进行解密，获取客户端的对称秘钥！
• 形成 CSR 之后，后续就是向 CA 进行申请认证，不过一般认证过程很繁琐，网络各种提供证书申请的服务商，一般真的需要，直接找平台解决就行。

点击跳转CSR生成链接

5. 非对称加密 + 对称加密 + 证书认证

在客户端和服务器刚一建立连接的时候，服务器给客户端返回一个证书，证书包含了之前服务端的公钥，也包含了网站的身份信息。

1. 查看浏览器受信任的CA机构

• 浏览器需要对证书中的数字签名进行解密，所以就需要CA机构所提供的的公钥，从哪里来？
• 其实所有的浏览器（客户端），一般都内置受信任的CA机构的公钥！

选择 "设置" -> "隐私、搜索和服务" -> "安全性" -> "管理证书"：

2. 中间人篡改证书？

• 中间人篡改了证书的明文？
• 由于他没有 CA 机构的私钥，所以无法 hash 之后用私钥加密形成签名，那么也就没法办法对篡改后的证书形成匹配的签名！
• 如果篡改明文，客户端收到该证书后会发现明文和签名解密后的值不一致，则说明证书已被篡改，证书不可信，从而终止向服务器传输信息，防止信息泄露给中间人！

3. 中间人掉包证书？

• 因为中间人没有 CA 私钥，所以无法制作假的证书，所以中间人只能向 CA 申请真证书，然后用自己申请的证书进行掉包？
• 这个确实能做到证书的整体掉包，但是别忘记，证书明文中包含了域名等服务端认证信息，如果整体掉包，客户端依旧能够识别出来。
• 永远记住：中间人没有 CA 私钥，所以对任何证书都无法进行合法修改，包括自己的！

6. HTTPS 秘钥协商的完整流程

HTTPS 工作过程中涉及到的密钥有三组：

• 第一组(非对称加密)：CA机构的公钥A和私钥A'，用于校验证书是否被篡改。服务器生成公钥S和私钥S'，其中公钥S交给CA机构申请证书，私钥S'自己留着，客户端持有公钥A (操作系统包含了可信任的 CA 认证机构，同时持有对应的公钥)，服务器在客户端请求时，返回携带签名的证书，客户端通过公钥A进行证书验证，保证证书的合法性，进一步保证证书中携带的服务端公钥S的权威性。
• 第⼆组(非对称加密)：服务器公钥S和私钥S'，用于协商生成对称加密的密钥C。客户端用收到的 CA 证书中的公钥S (是可被信任的) 给随机生成的对称加密的密钥C加密，传输给服务器，服务器通过私钥S'解密获取到对称加密密钥C。
• 第三组(对称加密)：客户端和服务器后续传输的数据都通过这个对称密钥C进行数据的加密解密！

其实一切的关键都是围绕这个对称加密的密钥C，其他的机制都是辅助这个密钥C工作的。第⼆组非对称加密的密钥：是为了让客户端把这个对称密钥传给服务器！第一组非对称加密的密钥：是为了让客户端拿到第⼆组非对称加密的公钥，不被篡改！

三. 如何成为中间人（了解）

1. ARP 欺骗：在局域网中，黑客收到 ARP 请求广播包，能够偷听到其它节点的 (IP，MAC) 地址。例如：黑客收到两个主机 A，B 的地址，告诉 B (受害者) ，自己是 A，使得 B 在发送给 A 的数据包都被黑客截取！
2. ICMP 攻击：由于 ICMP 协议中有重定向的报文类型，那么我们就可以伪造一个 ICMP 信息然后发送给局域网中的客户端，并伪装自己是一个更好的路由通路。从而导致目标所有的上网流量都会发送到我们指定的接口上，达到和 ARP 欺骗同样的效果！
3. 假 wifi && 假网站等！