深入浅出解析 HTTPS 原理

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概述

可以把 HTTPS 理解为 "穿着 SSL/TLS 盔甲的 HTTP"。

它的核心目标很简单：

在不安全的网络（如互联网）上建立一个安全的通信通道，确保数据传输的三大安全属性：

机密性：内容不会被窃听者解密
完整性：内容在传输过程中未被篡改
身份真实性：你连接的服务器就是你以为的那个服务器

一、非对称加密与对称加密的结合

HTTPS 的安全并非依赖单一技术，而是巧妙地结合了两种加密方式。

1. 对称加密

Symmetric Encryption

javascript 复制代码

// 示例：AES 对称加密（简化版）
const crypto = require('crypto');

const secretKey = 'my-super-secret-key-32'; // 同一把密钥用于加/解密
const message = "这是要加密的敏感信息";

// 加密
const encrypted = crypto.AES.encrypt(message, secretKey);
console.log("密文:", encrypted); // 输出乱码字符串

// 解密
const decrypted = crypto.AES.decrypt(encrypted, secretKey);
console.log("明文:", decrypted); // 恢复原文

概念：加密和解密使用同一把密钥。
优点：速度快，适合加密大量数据（如网页内容）。
缺点：如何安全地把 secretKey 发送给对方？如果密钥在网络中明文传输，攻击者可截获并解密所有消息。

2. 非对称加密

Asymmetric Encryption

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// 示例：RSA 非对称加密（Node.js crypto 模拟）
const { generateKeyPairSync } = require('crypto');

// 生成公钥/私钥对（仅演示用，生产环境需更强参数）
const { publicKey, privateKey } = generateKeyPairSync('rsa', {
  modulusLength: 2048,
});

const data = "只有私钥能解开的信息";

// 客户端用公钥加密
const encryptedData = crypto.publicEncrypt(publicKey, Buffer.from(data));
console.log("公钥加密后:", encryptedData.toString('base64'));

// 服务器用私钥解密
const decryptedData = crypto.privateDecrypt(privateKey, encryptedData);
console.log("私钥解密后:", decryptedData.toString()); // 输出原文

概念：一对密钥 ------ 公钥和私钥
- 公钥加密 → 私钥解密（用于保密）
- 私钥签名 → 公钥验证（用于认证）
优点：解决了密钥分发问题。公钥可公开传播，即使被窃听也无法反向推导出私钥。
缺点：运算慢，不适合频繁加密大块数据。

3. HTTPS 的智慧：混合加密机制

用非对称加密交换密钥，用对称加密传输数据

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// TLS 握手阶段：客户端生成预主密钥，并用服务器公钥加密发送
let preMasterSecret = generateRandomBytes(48); // 如 48 字节随机数

// 使用从证书中提取的服务器公钥进行加密
let encryptedPreMaster = RSA.encrypt(preMasterSecret, serverPublicKey);

// 发送给服务器
sendToServer('/tls-handshake', { encryptedPreMaster });

// 后续通信全部使用基于此生成的对称密钥
let sessionKey = deriveSessionKey(clientRandom, serverRandom, preMasterSecret);
useSymmetricEncryption(sessionKey); // 开始 AES 加密通信

最终效果：

初始阶段通过非对称加密安全传递"会话密钥"
后续通信采用高速对称加密（如 AES-GCM），兼顾安全性与性能

二、数字证书（Digital Certificate）

1. 问题引入

如何确保你拿到的公钥是真实服务器的，而不是中间人伪造的？

危险场景：

text 复制代码

客户端 ──→ 攻击者（伪装成服务器）──→ 真实服务器
         ↑ 截获并替换公钥 ↑

攻击者用自己的公钥冒充服务器，即可完成"中间人攻击"。

2. 解决方案：数字证书

数字证书就像服务器的"网络身份证"，由可信第三方------CA 颁发。

证书的数据结构示例（JSON 形式）

json 复制代码

{
  "subject": {
    "commonName": "www.example.com",
    "organization": "Example Inc.",
    "country": "US"
  },
  "issuer": {
    "commonName": "DigiCert TLS RSA SHA256 2020 CA1",
    "organization": "DigiCert Inc",
    "country": "US"
  },
  "publicKey": "-----BEGIN PUBLIC KEY-----\nMIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEA...\n-----END PUBLIC KEY-----",
  "validFrom": "2025-01-01T00:00:00Z",
  "validTo": "2026-01-01T23:59:59Z",
  "signatureAlgorithm": "sha256WithRSAEncryption",
  "fingerprint": "A1:B2:C3:D4:E5:F6:78:90...",
  "extensions": [
    { "name": "subjectAltName", "altNames": ["example.com", "*.example.com"] }
  ],
  "caSignature": "3045022100b9d...fcda" // CA 对整个证书内容的数字签名
}

浏览器收到该证书后，会使用内置的 CA 根证书公钥来验证 caSignature 是否有效。

3.信任链机制（Certificate Chain）

javascript 复制代码

// 伪代码：浏览器验证证书流程
function validateCertificate(cert, rootCAs) {
  // 1. 检查有效期
  if (new Date() < cert.validFrom || new Date() > cert.validTo) {
    throw new Error("证书已过期");
  }

  // 2. 检查域名匹配
  if (!cert.extensions.altNames.includes(currentDomain)) {
    throw new Error("域名不匹配");
  }

  // 3. 验证签名：使用签发者（Issuer）的公钥验证签名
  const issuerPublicKey = getTrustedCAPublicKey(cert.issuer);
  const dataToVerify = serializeWithoutSignature(cert);
  
  if (!RSA.verifySignature(dataToVerify, cert.caSignature, issuerPublicKey)) {
    throw new Error("证书签名无效，可能被篡改");
  }

  console.log(" 证书验证通过！");
  return true;
}

若任一检查失败 → 浏览器弹出警告："您的连接不是私密连接"

三、HTTPS 通信全过程（TLS 握手详解）

这是 HTTPS 安全通信的核心环节。以下每一步都配有模拟代码或数据交互示意。

步骤 1：Client Hello

客户端发起连接请求：

http 复制代码

GET / HTTP/1.1
Host: www.example.com
Connection: Upgrade
Upgrade: tls/1.3

同时发送 TLS 层信息（不在 HTTP 头中）：

json 复制代码

{
  "tlsVersion": ["TLSv1.2", "TLSv1.3"],
  "cipherSuites": [
    "TLS_AES_128_GCM_SHA256",
    "TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA"
  ],
  "clientRandom": "a1b2c3d4e5f6...", // 32 字节随机数
  "extensions": {
    "supported_groups": ["secp256r1", "x25519"],
    "signature_algorithms": ["rsa_pkcs1_sha256"]
  }
}

这些信息告诉服务器："我能支持哪些加密方式，请你选一个。"

步骤 2：Server Hello

服务器选择最优配置并回应：

json 复制代码

{
  "selectedTlsVersion": "TLSv1.3",
  "selectedCipherSuite": "TLS_AES_128_GCM_SHA256",
  "serverRandom": "f6e5d4c3b2a1...", // 服务器生成的随机数
  "certificate": {
    "subject": "www.example.com",
    "publicKey": "-----BEGIN PUBLIC KEY-----...",
    "caSignature": "3045022100b9d..."
  }
}

至此，客户端已获得服务器证书和两个随机数。

步骤 3：证书验证

客户端执行自动验证（无需用户干预，除非出错）：

javascript 复制代码

try {
  verifyCertificate(serverCert);
} catch (error) {
  showBrowserWarning(` 安全警告：${error.message}`);
  blockPageLoad();
}

常见错误提示：

"此网站的安全证书有问题"
"NET::ERR_CERT_DATE_INVALID"
"无法验证此证书是由受信任的机构颁发的"

步骤 4：生成预主密钥（Pre-Master Secret）

javascript 复制代码

// 客户端行为
const preMasterSecret = generateRandomBytes(48); // 如 ECDHE 中的共享密钥

// 从证书中提取公钥
const serverPublicKey = parsePublicKeyFromCert(serverCert);

// 用公钥加密预主密钥（TLS 1.2 及以前）
const encryptedPreMaster = RSA.encrypt(preMasterSecret, serverPublicKey);

// 发送给服务器
sendEncryptedPreMaster(encryptedPreMaster);

注意：现代 TLS（如 1.3）通常使用 ECDHE 密钥交换，不再需要加密预主密钥，而是通过椭圆曲线计算达成共识，具备前向安全性。

步骤 5：服务器解密预主密钥

javascript 复制代码

// 服务器行为（TLS 1.2）
const encryptedPreMaster = receiveFromClient();

// 使用自己的私钥解密
const preMasterSecret = RSA.decrypt(encryptedPreMaster, privateKey);

if (!preMasterSecret) {
  terminateConnection("预主密钥解密失败");
}

私钥始终保存在服务器本地，绝不外泄！

步骤 6：生成会话密钥（Session Key）

双方使用三个随机数生成相同的会话密钥：

javascript 复制代码

// 伪函数：PRF 是伪随机函数（Pseudo-Random Function）
function generateMasterSecret(preMasterSecret, clientRandom, serverRandom) {
  return PRF(preMasterSecret, 'master secret', clientRandom + serverRandom, 48);
}

function deriveSessionKey(masterSecret, label = 'key expansion') {
  return PRF(masterSecret, label, serverRandom + clientRandom, 32); // 例如 AES-256 密钥
}

// 双方独立计算，结果一致
const masterSecret = generateMasterSecret(preMasterSecret, clientRandom, serverRandom);
const sessionKey = deriveSessionKey(masterSecret);

console.log("🎯 会话密钥生成完成:", sessionKey.toString('hex'));

只要输入相同，输出就相同 ------ 这是数学的魅力！

步骤 7：握手完成，开始安全通信

javascript 复制代码

// 客户端发送加密的 Finished 消息
const finishedMessage = "handshake_finished";
const encryptedFinished = AES.encrypt(finishedMessage, sessionKey, iv);

send(encryptedFinished);

// 服务器解密并验证
const received = AES.decrypt(encryptedFinished, sessionKey, iv);
if (received === "handshake_finished") {
  sendAck(); // 回应确认
  startSecureHTTP(); // 正式进入 HTTPS 通信
}

从此以后：

所有 HTTP 请求和响应都被封装在 TLS 记录层中，经过对称加密传输：
http 复制代码
[TLS RECORD LAYER]
Content-Type: ApplicationData
Encrypted Payload: a1b2c3d4e5f6...

四、HTTPS 如同寄密信（带代码类比）

想象你要通过一个不安全的邮递系统（互联网）给朋友（服务器）寄一封密信。

1. 获取公钥（证书）

朋友先通过权威公证处（CA）公证了他的公开信箱（公钥），并把公证书寄给你。

javascript 复制代码

// 你收到证书后验证它是否可信
const cert = downloadCertificate("https://friend.com");
validateCertificate(cert, trustedCAList); // 返回 true 表示可信

2. 传递密钥（握手）

你写一封信，里面装着一把保险箱的钥匙（会话密钥），然后放进朋友的公开信箱（用公钥加密），寄出去。

javascript 复制代码

const sessionKey = generateSessionKey();
const encryptedKey = RSA.encrypt(sessionKey, friendPublicKey);
mail.send("公开信箱", encryptedKey);

即使信被截获，别人没有朋友的私人钥匙（私钥），也打不开信箱。

3. 朋友拿到钥匙

朋友用他的私人钥匙打开信箱，取出保险箱钥匙。

javascript 复制代码

const encryptedKey = mail.receive();
const sessionKey = RSA.decrypt(encryptedKey, friendPrivateKey);
console.log("🔑 会话密钥已就位！");

4. 安全通信开始

现在你们都有了同一把保险箱钥匙。之后所有的信件都放进这个保险箱邮寄，既安全又快捷。

javascript 复制代码

// 日常通信
function sendSecureMessage(msg, key) {
  const encrypted = AES.encrypt(msg, key);
  return transmitOverInternet(encrypted);
}

function readSecureMessage(encryptedMsg, key) {
  const plainText = AES.decrypt(encryptedMsg, key);
  return plainText;
}

五、关键要点回顾（附代码说明）

要点	说明	关键代码体现
混合加密	非对称加密用于交换密钥，对称加密用于传输数据	`RSA.encrypt(preMaster)` + `AES.encrypt(payload)`
数字证书	包含公钥 + CA 签名，防止伪造	`verifySignature(cert.data, cert.signature, caPubKey)`
TLS 握手	建立安全连接的关键过程	`ClientHello → ServerHello → Certificate → PreMaster → SessionKey`
三重随机数	客户端随机 + 服务器随机 + 预主密钥 → 唯一会话密钥	`PRF(preMaster, randomA + randomB)`
前向安全性	即使未来私钥泄露，也无法解密过去的通信	使用 ECDHE 密钥交换，每次会话密钥独立

现代 TLS 1.3 已默认启用前向安全性，废弃静态 RSA 密钥交换。

六、总结

HTTPS 并不是一种全新的协议，而是 HTTP + TLS/SSL 的安全组合。

它通过：

数字证书验证身份（我连的是真的银行网站）
非对称加密建立信任（安全传递密钥）
对称加密保障性能（快速加密网页内容）

在开放网络中构建出一条"加密隧道"，让我们可以安全地浏览网页、登录账号、进行支付。

下次当你看到浏览器地址栏的小锁图标时，就知道：

背后正有一场精密而优雅的加密握手在悄然完成。
本文参考 TLS 1.2/1.3 协议设计原理，结合 Node.js crypto API 风格编写示例代码，旨在帮助初学者理解 HTTPS 底层机制。实际实现涉及 C/C++ 和底层协议栈，此处为高度简化模型。