[网络原理] HTTPS 加密演进与中间人攻击

前言:本文将简单介绍一下HTTPS的加密流程,以及中间人攻击的基本原理和防御措施

一,为什么需要HTTPS协议

原因很简单,HTTP数据包明文传输的特性,导致在通信的流程中可能会出现数据泄露的风险,相当于一个数据包在网络中裸奔,只要有心人通过抓包,就能轻易的获取到你的Cookie、账号密码. 毕竟,你也不想你深夜浏览网站的信息被人知道吧~~

HTTPS协议其实可以看作是基于HTTP协议的基础上又做了一层加密处理,可以视为安全版本的HTTP协议Promax版.

在目前,HTTPS协议已经成为主流网站的通用协议

那么HTTPS协议是如何给HTTP穿上一层衣服,实现数据加密的呢?本文不涉及到那些晦涩难懂的加密算法,下面来简要说明一下其核心加密流程

二,加密算法的演进

(一)对称加密

对称加密的核心特征是:加密和解密都使用同一把密钥

什么意思呢?相当于现在的智能汽车的车钥匙,只需要按一下钥匙上的按钮就能实现汽车的加锁解锁操作,把功能集成到一个钥匙上面.对称加密使用的密钥也叫做对称密钥.

1.对称加密流程

对称密钥的使用大致需要分为这些步骤:

1.客户端生成对称密钥:
2.使用对称密钥把发送的数据进行加密
3.把对称密钥发送给服务器
4.服务器拿到对称密钥和数据,开始解密

这就是对称加密的大致过程,但是同时也存在几个问题

1.对称密钥不能使用明文传输,如果使用明文传输就相当于你发现了一个宝箱,宝箱的外面恰好写着解密方法,这样一来密钥就失去了其意义.
2.要想使得对称密钥不以明文传输就需要对对称密钥进行加密

可能这里有人会想:对密钥进行加密,这好像给保险箱外再加一层保险箱,好像套娃啊~~ 这样真的有意义吗? 其实是有的

2. 对对称密钥进行加密

给密钥进行加密,其实并非套娃,也有其存在的必要性,如果给密钥加密,那么就可以把密钥分为两类,分别是:

DEK (Data Encryption Key，数据加密密钥) ：专门用来加密实际的数据（比如你的银行流水、聊天记录）。它的特点是一事一议，用完即弃或频繁更换。
KEK (Key Encryption Key，密钥加密密钥)：专门用来加密 DEK。它的级别更高，保护得更严密。

密钥加密密钥的作用

密钥轮转（Key Rotation）更高效 ：如果你有 1TB 的加密数据，想更换密钥时，不需要把 1TB 数据全部解密再重新加密。你只需要用新的 KEK 把那个小小的 DEK 重新加密一遍即可。
合规与隔离：数据（被加密的）可以存在普通的云硬盘上，而加密 DEK 的"钥匙"则可以存在更安全的专用硬件（如 HSM）中。
减少暴露风险： DEK 频繁参与运算，暴露风险高；而 KEK 只在加密 DEK 的那一瞬间露面，大部分时间都处于静止保护状态。

3.对称加密的缺陷:密钥分发难题

上面的密钥加密密钥的做法看似很美好,但是显然还存在一个问题,那就是:只能确保密钥不被解密,但是不能确保密钥正确传达到服务器手上

什么意识呢?就好比你寄快递,快递做了层层包裹,但是在运输快递的过程中,出现了抢劫事件,密钥被劫持了.虽然对方的手上没有解密这个密钥的手段,但是其目的也间接的达成了 : 使得服务器没有密钥,无法解密数据处理请求

这也就是一个矛盾的问题: 密钥传输的通道不一定是绝对安全的,如何在不安全的信道上，安全地交换秘密？

这黑客也太坏了吧! 有没有方法能解决这个问题呢?自然是有的,那就不得不提到非对称加密了~~

(二)非对称加密

上面的加密的流程虽然都在不断变化,但是都逃不掉一个流程: 由一方生成密钥,再把这个秘钥发送给对方, 加密和解密都由同一把密钥完成,即使采用密钥加密密钥,但是在加密的时候还是需要进行二次加密,第一次是DEK对数据加密,第二次是KEK对密钥加密,

于是就于这一点上做出来改变,把加密和解密这两个步骤分开,把密钥分为两大类,分别是公钥和私钥,这两把密钥都是服务器生成的

1.公钥:服务器生成之后把它公之于众,告诉大家:以后你们就用这个公钥来给我加密数据嗷~~
2.私钥:服务器自己持有,接收到的数据就使用这个私钥来完成解密

这一点类似于:即便全世界都知道如何给你"上锁"(公钥加密)，也只有你一个人能"开锁"(私钥解密)

这个过程反过来也是行得通的,用私钥加密的数据，只能用对应的公钥解开

1.非对称加密流程

非对称加密的流程可以简单概括为 : 公钥加密,私钥解密

1.服务器生成公钥和私钥
2.客户端向服务器索要公钥,服务器返回公钥
3.客户端随机生成对称密钥
4.客户端拿到公钥之后,使用公钥加密对称密钥,
5.客户端使用加密后的对称密钥来加密业务数据
6.服务器拿到数据,使用自己的私钥完成解密,处理请求
7.后续服务器返回的数据就使用对称密钥加密

可以看到,数据的加密和解密被分开了,即使在数据发送的中途被黑客窃取,由于私钥只在服务器的手上,所以黑客此时手上最多只有公钥以及加密的数据,但是加密的数据却不能解密出来

2.混合加密的作用

在非对称加密中使用了对称密钥,这种加密方式也叫做混合加密,作用如下:

1.通过公钥和私钥的配合,解决了对称密钥分发问题
2.效率提高: 开销大的公钥私钥只在握手阶段使用(公钥加密对称密钥, 私钥解密对称密钥) ,但是后续大量的的业务数据加密解密中,只使用对称密钥来解密数据,性能大幅度提高
3.密钥的一致性与时效性提高: 要知道对称密钥是由客户端随机生成,每次刷新网页或重新建立连接，客户端都会生成一个新的对称密钥 , 这样即使黑客在很多年后拿到了服务器的私钥，他也无法解密以前的流量 ，因为每一段对话的对称密钥都是随机生成且已经销毁了的。

我们可以用一个形象的表格对比两者的分工：

阶段	任务	使用的工具	原因
握手阶段	安全地交换"保险箱钥匙"	非对称加密 (公钥/私钥)	解决信任和分发问题
通信阶段	加密传输具体的业务数据	对称密钥 (Session Key)	保证传输速度和 CPU 低负载

三,中间人攻击

但这也不是一劳永逸的办法,黑客还想出来了一种方式来神不知鬼不觉地窃取数据,那就是中间人攻击

简单来说,中间人攻击就好比一个数字间谍,让你和通信对端的所有数据都经过其手中,然后进行篡改数据的操作

(一)中间人攻击的逻辑

我们知道客户端需要先向服务器申请公钥,然后服务器才能返回.就好比:朕给你的你才能拿~~ 中间人就可以偷偷的把服务器返回的公钥给替换成他自己的公钥,再把伪造的公钥返回给服务器. 这听起来是不是很像古代时的奸臣赵高修改遗嘱,立帝胡亥,赐死扶苏的骚操作呢~~ 不过中间人这个角色在客户端和服务器看来是透明的,不知有其人

替换公钥,窃取数据的操作是如何实现的?下面是一个简易的流程图

中间人攻击通过替换密钥的操作,在双方都不知情的情况下拿到了对称密钥, 为了不被发现, 还再次对数据进行重加密,做到了偷梁换柱,身份冒充

(二)常见的攻击手段

作为网络黑客,攻击手段自然层出不穷,而常见的攻击手段就有:

ARP 欺骗 (ARP Spoofing) ------ 局域网杀手
- 手段： 在局域网内广播伪造的 ARP 包，告诉你的电脑"我（攻击者）是路由器"，同时告诉路由器"我（攻击者）是你（目标用户）"。
- 效果： 局域网内的流量全部流经攻击者的网卡。
DNS 欺骗 (DNS Cache Poisoning)
- 手段： 污染 DNS 缓存，将 github.com 对应的 IP 地址改为攻击者的服务器 IP。
- 效果： 用户在浏览器输入正确地址，却访问了钓鱼网站。
SSL 剥离 (SSL Stripping)
- 手段： 强制将 HTTPS 降级为 HTTP。当用户访问网站时，中间人将服务器发回的 HTTPS 链接改为 HTTP 链接。
- 效果： 通信变成明文，加密形同虚设。
伪造 Wi-Fi 热点 (Rogue Hotspot)
- 手段： 在商场等公共场所建立一个名为 Starbucks_Free_WiFi 的开放热点。
- 效果： 连上的人所有流量都在攻击者掌控之下。

(三)使用数字证书防备中间人攻击

归根结底,中间人攻击成功的关键就在于,替换服务器返回的公钥,把黑客的公钥返回给客户端,客户端在不知情的情况下就使用伪造的公钥来加密对称密钥.

在这个过程中,如果客户端能够确认返回的公钥一定是服务器发送的,那是不是就能防备了呢?

简单来说,就是要建立起公钥的权威性,解决这个"身份信任"问题 : 我收到的公钥一定是服务器的 ,而这种类似于身份验证的东西,也就是数字证书

数字证书引入了一个全人类都信任的"第三方"------ CA。

内容： 证书里包含了服务器的公钥、服务器的域名、过期时间，以及 CA 的数字签名(本质是校验和)。
验证过程：
1. 服务器 B 把自己的公钥发给 CA，CA 用自己的私钥对 B 的公钥进行加密，生成数字签名，合在一起就是"证书"。
2. 客户端（你的浏览器）内置了全球主要 CA 的公钥。
3. 当你访问服务器 B 时，B 发来证书。你的浏览器用 CA 的公钥解开签名。如果能解开，说明这个证书确实是 CA 签发的，里面的公钥确实属于服务器 B。如果客户端使用CA的公钥进行校验和运算后,发现运算得到的校验和结果和证书中的数字签名不一致,就能知道有黑客篡改了证书

为什么黑客不替换整个数字整数呢?这其实是因为它由受信任的 CA（证书颁发机构） 签名限制,即使黑客替换了证书中的任何一个比特位,但是数字签名是由CA的私钥生成的,黑客伪造的话,就会出现传到客户端时出现客户端内置的私钥解密时,出现校验和异常(哈希错误)

即便黑客搞到了一个合法的、针对你域名的证书（比如通过漏洞攻击了某个小 CA），还有以下机制在把关：

HSTS (HTTP Strict Transport Security): 强制浏览器只通过 HTTPS 访问。如果黑客试图降级到 HTTP 或提供一个可疑证书，浏览器会直接断开连接，不给用户点击"忽略警告"的机会。
HPKP / Certificate Pinning: 某些应用（如手机银行 App）会硬编码特定证书的指纹。即便黑客提供了一个由正规 CA 签发的合法证书，只要指纹不匹配，App 也会拒绝连接。
CT 日志 (Certificate Transparency): 所有的合法证书签发记录都是公开可查的。黑客如果冒名申请了你的证书，很快就会被自动化脚本监测到。

中间人攻击的本质,就是为了替换公钥拿到对称密钥,但是引入数字证书,可以从源头上防备中间人攻击(替换了公钥客户端能发现异常)

以上就是本文全部的大致内容,如有纰漏还请指出~~