一文搞明白 HTTPS 工作原理，圖文并茂

摘要：本文嘗試一步步還原HTTPS的設計過程，以理解為什么HTTPS最終會是這副模樣。但是這并不代表HTTPS的真實設計過程。在閱讀本文時，你可以嘗試放下已有的對HTTPS的理解，這樣更利于“還原”過程。

我們先從一個聊天軟件說起，我們要實現(xiàn)A能發(fā)一個hello消息給B：

如果我們要實現(xiàn)這個聊天軟件，本文只考慮安全性問題，要實現(xiàn)

A發(fā)給B的hello消息包，即使被中間人攔截到了，也無法得知消息的內容

如何做到真正的安全？

這個問題，很多人馬上就想到了各種加密算法，什么對稱加密、非對稱加密、DES、RSA、XX、噼里啪啦~

而我想說，加密算法只是解決方案，我們首先要做的是理解我們的問題域——什么是安全？

我個人的理解是：

A與B通信的內容，有且只有A和B有能力看到通信的真正內容

好，問題域已經定義好了（現(xiàn)實中當然不止這一種定義）。對于解決方案，很容易就想到了對消息進行加密。

題外話，但是只有這一種方法嗎？我看未必，說不定在將來會出現(xiàn)一種物質打破當前世界的通信假設，實現(xiàn)真正意義上的保密。

對于A與B這樣的簡單通信模型，我們很容易做出選擇：

這就是對稱加密算法，其中圖中的密鑰S同時扮演加密和解密的角色。具體細節(jié)不是本文范疇。

只要這個密鑰S不公開給第三者，同時密鑰S足夠安全，我們就解決了我們一開始所定問題域了。因為世界上有且只有A與B知道如何加密和解密他們之間的消息。

但是，在WWW環(huán)境下，我們的Web服務器的通信模型沒有這么簡單：

如果服務器端對所有的客戶端通信都使用同樣的對稱加密算法，無異于沒有加密。那怎么辦呢？即能使用對稱加密算法，又不公開密鑰？

答案是：Web服務器與每個客戶端使用不同的對稱加密算法：

如何確定對稱加密算法

慢著，另一個問題來了，我們的服務器端怎么告訴客戶端該使用哪種對稱加密算法？

當然是通過協(xié)商。

但是，你協(xié)商的過程是沒有加密的，還是會被中間人攔截。那我們再對這個協(xié)商過程進行對稱加密就好了，那你對協(xié)商過程加密的加密還是沒有加密，怎么辦？再加密不就好了……好吧，進行雞生蛋蛋生雞的問題了。

如何對協(xié)商過程進行加密

新問題來了，如何對協(xié)商過程進行加密？密碼學領域中，有一種稱為“非對稱加密”的加密算法，特點是私鑰加密后的密文，只要是公鑰，都可以解密，但是公鑰加密后的密文，只有私鑰可以解密。私鑰只有一個人有，而公鑰可以發(fā)給所有的人。

雖然服務器端向A、B……的方向還是不安全的，但是至少A、B向服務器端方向是安全的。

好了，如何協(xié)商加密算法的問題，我們解決了：使用非對稱加密算法進行對稱加密算法協(xié)商過程。

這下，你明白為什么HTTPS同時需要對稱加密算法和非對稱加密算法了吧？

協(xié)商什么加密算法

要達到Web服務器針對每個客戶端使用不同的對稱加密算法，同時，我們也不能讓第三者知道這個對稱加密算法是什么，怎么辦？

使用隨機數(shù)，就是使用隨機數(shù)來生成對稱加密算法。這樣就可以做到服務器和客戶端每次交互都是新的加密算法、只有在交互的那一該才確定加密算法。

這下，你明白為什么HTTPS協(xié)議握手階段會有這么多的隨機數(shù)了吧。

如何得到公鑰？

細心的人可能已經注意到了如果使用非對稱加密算法，我們的客戶端A，B需要一開始就持有公鑰，要不沒法開展加密行為啊。

這下，我們又遇到新問題了，如何讓A、B客戶端安全地得到公鑰？

我能想到的方案只有這些：

方案1. 服務器端將公鑰發(fā)送給每一個客戶端

方案2. 服務器端將公鑰放到一個遠程服務器，客戶端可以請求得到

我們選擇方案1，因為方案2又多了一次請求，還要另外處理公鑰的放置問題。

公鑰被調包了怎么辦？又是一個雞生蛋蛋生雞問題？

但是方案1有個問題：如果服務器端發(fā)送公鑰給客戶端時，被中間人調包了，怎么辦？

我畫了張圖方便理解：

顯然，讓每個客戶端的每個瀏覽器默認保存所有網(wǎng)站的公鑰是不現(xiàn)實的。

使用第三方機構的公鑰解決雞生蛋蛋生雞問題

公鑰被調包的問題出現(xiàn)，是因為我們的客戶端無法分辨返回公鑰的人到底是中間人，還是真的服務器。這其實就是密碼學中提的身份驗證問題。

如果讓你來解決，你怎么解決？如果你了解過HTTPS，會知道使用數(shù)字證書來解決。但是你想過證書的本質是什么么？請放下你對HTTPS已有的知識，自己嘗試找到解決方案。

我是這樣解決的。既然服務器需要將公鑰傳給客戶端，這個過程本身是不安全，那么我們?yōu)槭裁床粚@個過程本身再加密一次？可是，你是使用對稱加密，還是非對稱加密？這下好了，我感覺又進了雞生蛋蛋生雞問題了。

問題的難點是如果我們選擇直接將公鑰傳遞給客戶端的方案，我們始終無法解決公鑰傳遞被中間人調包的問題。

所以，我們不能直接將服務器的公鑰傳遞給客戶端，而是第三方機構使用它的私鑰對我們的公鑰進行加密后，再傳給客戶端。客戶端再使用第三方機構的公鑰進行解密。

下圖就是我們設計的第一版“數(shù)字證書”，證書中只有服務器交給第三方機構的公鑰，而且這個公鑰被第三方機構的私鑰加密了：

如果能解密，就說明這個公鑰沒有被中間人調包。因為如果中間人使用自己的私鑰加密后的東西傳給客戶端，客戶端是無法使用第三方的公鑰進行解密的。

話到此，我以為解決問題了。但是現(xiàn)實中HTTPS，還有一個數(shù)字簽名的概念，我沒法理解它的設計理由。

原來，我漏掉了一個場景：第三方機構不可能只給你一家公司制作證書，它也可能會給中間人這樣有壞心思的公司發(fā)放證書。這樣的，中間人就有機會對你的證書進行調包，客戶端在這種情況下是無法分辨出是接收的是你的證書，還是中間人的。因為不論中間人，還是你的證書，都能使用第三方機構的公鑰進行解密。像下面這樣：

第三方機構向多家公司頒發(fā)證書的情況：

客戶端能解密同一家第三機構頒發(fā)的所有證書：

最終導致其它持有同一家第三方機構證書的中間人可以進行調包：

數(shù)字簽名，解決同一機構頒發(fā)的不同證書被篡改問題

要解決這個問題，我們首先要想清楚一個問題，辨別同一機構下不同證書的這個職責，我們應該放在哪？

只能放到客戶端了。意思是，客戶端在拿到證書后，自己就有能力分辨證書是否被篡改了。如何才能有這個能力呢？

我們從現(xiàn)實中找靈感。比如你是HR，你手上拿到候選人的學歷證書，證書上寫了持證人，頒發(fā)機構，頒發(fā)時間等等，同時證書上，還寫有一個最重要的：證書編號！我們怎么鑒別這張證書是的真?zhèn)文兀恐灰弥@個證書編號上相關機構去查，如果證書上的持證人與現(xiàn)實的這個候選人一致，同時證書編號也能對應上，那么就說明這個證書是真實的。

我們的客戶端能不能采用這個機制呢？像這樣：

可是，這個“第三方機構”到底是在哪呢？是一個遠端服務？不可能吧？如果是個遠端服務，整個交互都會慢了。所以，這個第三方機構的驗證功能只能放在客戶端的本地了。

客戶端本地怎么驗證證書呢？

客戶端本地怎么驗證證書呢？答案是證書本身就已經告訴客戶端怎么驗證證書的真?zhèn)巍?/span>

也就是證書上寫著如何根據(jù)證書的內容生成證書編號。客戶端拿到證書后根據(jù)證書上的方法自己生成一個證書編號，如果生成的證書編號與證書上的證書編號相同，那么說明這個證書是真實的。

同時，為避免證書編號本身又被調包，所以使用第三方的私鑰進行加密。

這地方有些抽象，我們來個圖幫助理解：

證書的制作如圖所示。證書中的“編號生成方法MD5”就是告訴客戶端：你使用MD5對證書的內容求值就可以得到一個證書編號。

當客戶端拿到證書后，開始對證書中的內容進行驗證，如果客戶端計算出來的證書編號與證書中的證書編號相同，則驗證通過：

但是第三方機構的公鑰怎么跑到了客戶端的機器中呢？世界上這么多機器。

其實呢，現(xiàn)實中，瀏覽器和操作系統(tǒng)都會維護一個權威的第三方機構列表（包括它們的公鑰）。因為客戶端接收到的證書中會寫有頒發(fā)機構，客戶端就根據(jù)這個頒發(fā)機構的值在本地找相應的公鑰。

題外話：如果瀏覽器和操作系統(tǒng)這道防線被破了，就沒辦法。想想當年自己裝過的非常規(guī)XP系統(tǒng)，都害怕。

說到這里，想必大家已經知道上文所說的，證書就是HTTPS中數(shù)字證書，證書編號就是數(shù)字簽名，而第三方機構就是指數(shù)字證書簽發(fā)機構（CA）。

CA如何頒發(fā)數(shù)字證書給服務器端的？

當我聽到這個問題時，我誤以為，我們的SERVER需要發(fā)網(wǎng)絡請求到CA部門的服務器來拿這個證書。?? 到底是我理解能力問題，還是。。

其實，問題應該是CA如何頒發(fā)給我們的網(wǎng)站管理員，而我們的管理員又如何將這個數(shù)字證書放到我們的服務器上。

我們如何向CA申請呢？每個CA機構都大同小異，我在網(wǎng)上找了一個：

拿到證書后，我們就可以將證書配置到自己的服務器上了。那么如何配置？這是具體細節(jié)了，留給大家google了。

也許我們需要整理一下思路

我們通過推算的方式嘗試還原HTTPS的設計過程。這樣，我們也就明白了為什么HTTPS比HTTP多那么多次的交互，為什么HTTPS的性能會差，以及找到HTTPS的性能優(yōu)化點。

而上面一大堆工作都是為了讓客戶端與服務器端安全地協(xié)商出一個對稱加密算法。這就是HTTPS中的SSL/TLS協(xié)議主要干的活。剩下的就是通信時雙方使用這個對稱加密算法進行加密解密。

以下是一張HTTPS協(xié)議的真實交互圖:

能不能用一句話總結HTTPS？

答案是不能，因為HTTPS本身實在太復雜。但是我還是嘗試使用一段話來總結HTTPS:

HTTPS要使客戶端與服務器端的通信過程得到安全保證，必須使用的對稱加密算法，但是協(xié)商對稱加密算法的過程，需要使用非對稱加密算法來保證安全，然而直接使用非對稱加密的過程本身也不安全，會有中間人篡改公鑰的可能性，所以客戶端與服務器不直接使用公鑰，而是使用數(shù)字證書簽發(fā)機構頒發(fā)的證書來保證非對稱加密過程本身的安全。這樣通過這些機制協(xié)商出一個對稱加密算法，就此雙方使用該算法進行加密解密。從而解決了客戶端與服務器端之間的通信安全問題。

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