【Linux 网络基础】HTTPS 技术文档

HTTPS 技术文档

适用对象：网络/后端/安全工程师。文档涵盖 HTTPS 概述、加密原理、证书体系、TLS 握手、配置示例与常见问题，并引用相关 RFC。

HTTPS 概述

定义：HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）是在 HTTP 之上叠加 TLS/SSL 的安全扩展版本，通过加密、完整性校验与身份认证保护应用层通信。
分层位置：TLS 位于传输层（TCP）与应用层（HTTP）之间；典型端口 443。
HTTP vs HTTPS 对比：
- 加密：HTTP 明文传输；HTTPS 使用对称加密（AES/ChaCha20）保护内容。
- 完整性：HTTP 易被篡改；HTTPS 使用 AEAD（如 AES-GCM/ChaCha20-Poly1305）与序列号确保完整性。
- 身份认证：HTTPS 通过服务器证书建立对站点的信任，支持双向认证（可选客户端证书）。
- 协议扩展：ALPN 协商应用协议（HTTP/2、HTTP/1.1），HSTS 强制全站使用 HTTPS，SNI 支持同 IP 多证书。
- 性能影响：握手增加往返；TLS 1.3 与会话复用/0-RTT 显著降低延迟。

加密技术原理

对称加密（如 AES）：同一密钥用于加/解密；HTTPS 采用 AEAD 模式（AES-GCM/ChaCha20-Poly1305）提供机密性与完整性。
非对称加密（RSA/ECDSA）：使用公钥/私钥对；在 HTTPS 中用于签名验证与密钥交换（TLS 1.2 可使用 RSA 密钥交换；TLS 1.3 移除 RSA 密钥交换，仅使用（EC）DHE）。
混合加密体系：
- 握手阶段使用非对称与密钥协商（DHE/ECDHE/PSK）建立会话密钥。
- 数据传输阶段使用高效对称加密保护记录层数据。
密钥交换：
- TLS 1.2：支持 RSA、DHE、ECDHE；前向保密（PFS）依赖 DHE/ECDHE。
- TLS 1.3：仅 ECDHE/DHE 与 PSK（会话票或外部 PSK）；移除静态 RSA/DH。
密钥派生：
- TLS 1.2：master_secret = PRF(pre_master_secret, ClientRandom||ServerRandom) 并派生读写密钥与 IV。
- TLS 1.3：基于 HKDF（RFC 5869）进行 early_secret、handshake_secret、master_secret 逐步派生，提供更强的密钥分离与前向保密。

数字证书体系

信任链：根 CA（受操作系统/浏览器信任）→ 中间 CA → 服务器证书。客户端根据信任存储验证整条链的签名与约束。
关键字段（X.509，RFC 5280）：
- Subject/Issuer：主体与签发者；Serial Number：证书序列号。
- Subject Alternative Name (SAN)：域名/IP 绑定（现代浏览器以 SAN 为准）。
- Public Key/Signature Algorithm：公钥与签名算法（RSA/ECDSA）。
- Validity：Not Before/Not After 有效期；时间漂移会导致验证失败。
- Key Usage/Extended Key Usage (EKU)：密钥用途（digitalSignature、keyEncipherment 等）与扩展用途（serverAuth/clientAuth）。
- Basic Constraints：CA 标识与路径长度约束。
证书验证流程：
1. 构建证书链：服务器证书 + 中间证书（可由服务器发送/OCSP/缓存补全）。
2. 路径验证：逐级验证签名与约束，检查根 CA 是否在信任存储中。
3. 名称校验：使用 SAN 字段匹配访问域名（支持通配符规则）。
4. 有效期与撤销：检查时间有效性；通过 CRL/OCSP（RFC 6960）验证撤销状态；启用 OCSP Stapling 可提升性能与可靠性。
5. 可选客户端认证：服务器请求客户端证书并验证链/用途后建立双向认证。

SSL/TLS 握手过程

TLS 1.3 完整握手

特性：握手消息更少、默认前向保密、支持 0-RTT（仅在安全评估通过情况下使用）。
时序（Mermaid）：

Client Server ClientHello (supported_versions, key_share, SNI, ALPN) ServerHello (key_share) 派生 handshake_secret (HKDF) EncryptedExtensions Certificate / CertificateVerify Finished 验证证书与握手完整性 Finished 派生 master_secret Application Data (加密) Client Server

状态转换：Initial → Handshake（密钥派生）→ Authenticated → Secure（应用数据）。
会话复用：NewSessionTicket 生成 PSK；后续 1-RTT 或 0-RTT 握手减少延迟。

TLS 1.2 完整握手

时序（Mermaid）：

Client Server ClientHello (版本、随机数、cipher suites、SNI、ALPN) ServerHello (选择套件) Certificate ServerKeyExchange (DHE/ECDHE) ServerHelloDone ClientKeyExchange [可选] Certificate / CertificateVerify ChangeCipherSpec / Finished ChangeCipherSpec / Finished Application Data (加密) Client Server

状态转换：Initial → Negotiated → KeyExchange → Secure。
密钥计算：pre_master_secret（RSA 或（EC）DHE）→ master_secret（PRF）→ 派生读写密钥与 IV。

配置示例

Nginx（TLS 1.2/1.3，HTTP/2，HSTS，OCSP Stapling）

nginx 复制代码

server {
  listen 443 ssl http2;
  server_name example.com;

  ssl_certificate     /etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem;
  ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem;

  ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;
  # TLS 1.2 套件；TLS 1.3 套件由 OpenSSL 默认控制
  ssl_ciphers 'ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:
               ECDHE-ECDSA-CHACHA20-POLY1305:ECDHE-RSA-CHACHA20-POLY1305:
               ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384';
  ssl_prefer_server_ciphers off;

  # HSTS
  add_header Strict-Transport-Security "max-age=31536000; includeSubDomains; preload" always;

  # OCSP Stapling
  ssl_stapling on;
  ssl_stapling_verify on;
  resolver 1.1.1.1 8.8.8.8 valid=300s;
  resolver_timeout 5s;
  ssl_trusted_certificate /etc/letsencrypt/live/example.com/chain.pem;

  # 会话复用
  ssl_session_cache shared:SSL:50m;
  ssl_session_timeout 1d;

  location / {
    proxy_pass http://127.0.0.1:8080;
  }
}

OpenSSL 证书与调试

bash 复制代码

# 生成 ECDSA 私钥与 CSR（推荐 P-256 或使用 Ed25519 视支持情况）
openssl ecparam -name prime256v1 -genkey -noout -out server.key
openssl req -new -key server.key -out server.csr -subj '/CN=example.com'

# 使用 ACME 客户端（如 certbot）签发
# certbot certonly --nginx -d example.com

# 测试握手与证书链
openssl s_client -connect example.com:443 -servername example.com -alpn h2 -tls1_3 -showcerts

# 查看证书字段
openssl x509 -in fullchain.pem -text -noout

Curl/HTTP 客户端验证