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[网络协议]HTTPS工作原理

HTTP 和 HTTPS 的区别

  1. 端口 :HTTP 的 URL 由“http://”起始且默认使用端口80,而HTTPS的URL由“https://”起始且默认使用端口443。
  2. 安全性和资源消耗: HTTP 协议运行在 TCP 之上,所有传输的内容都是明文,客户端和服务器端都无法验证对方的身份。HTTPS 是运行在 SSL/TLS 之上的 HTTP 协议,SSL/TLS 运行在 TCP 之上。所有传输的内容都经过加密,加密采用对称加密,但对称加密的密钥用服务器方的证书进行了非对称加密。所以说,HTTP 安全性没有 HTTPS 高,但是 HTTPS 比 HTTP 耗费更多服务器资源。

对称加密

??对称加密算法的加密和解密都是用同一个密钥。在一定条件下,对称加密可以解决数据传输安全性的问题。比如我在登录某个网站的时候,需要填写账户名和密码进行登录,客户端把登录的表单信息进行对称加密后再传输,这时候就算小王截获数据包,他也无法获取数据的内容,因为数据已经被加密了。但是服务器收到数据后也是一脸懵逼,你发来的加密的数据包服务器也不知道解密的密钥!

??客户端可以通知服务器需要开启数据传输了,然后服务器告诉客户端,咱们以后用xxxx这个密钥进行加密解密吧!

??这样内容是可以加密传输了,但是上图中第一步协商密钥的过程又同样存在安全的问题!万一小王截获了协商密钥的数据,那后续加密传输的数据对小王来说无异于未加密!所以,对称加密存在密钥协商的问题

非对称加密

??基于对称加密存在的问题,又有了非对称加密。非对称加密算法需要一组密钥对,分别是公钥和私钥,这两个密钥是成对出现的。公钥加密的内容需要用私钥解密,私钥加密的内容需要用公钥解密!私钥由服务器自己保存,公钥发送给客户端。客户端拿到公钥后就可以对请求进行加密后发送给服务端了,这时候就算被小王截获,小王没有私钥也无法解密发送的内容,这样确保了客户端发送到服务端数据的“安全”!但是由于公钥也需要通过网络发送给客户端,同样能被小王截获,这样服务器私钥加密后的内容依然可以被小王截获并解密,并且非对称加密的效率很低。

??对称加密和非对称加密都存在密钥传输的问题,但是至少非对称加密可以保证客户端传输给服务端的内容无法被“破解”,而对称加密算法性能又比较好,那我们是不是可以这样子呢。第一次通信的时候服务端发送公钥给客户端,由客户端产生一个对称密钥,通过服务端的公钥加密后发送给服务端,后续的交互中都通过对称密钥进行加密传输。也就是说先通过非对称密钥加密对称密钥,通过对称密钥加密实际请求的内容。

??也就是说小王可以伪装成服务器,与客户端进行通信。类似于你与服务端之间多了一个中间商!也就是说协商密钥的过程依然存在漏洞!

????????客户端怎么能确定对方是真正的目标服务器呢?怎么证明服务器的身份呢?我们先了解一下数字证书!CA 是 Certification Authority 的缩写,它代表世界上那些权威的证书颁发机构。

CA 需要做什么

我们在申请一个 https 证书的时候,要在市场上选择一家 CA 来给你签发证书,那么 CA 的工作是什么呢?

CA 要验证这个域名真的是你的:通常就是通过 DNS 记录或者就是你在指定 URI 下放置一个特殊文件,让 CA 可以在外网环境下访问到它。

CA 是一个非常关键的角色,因为它签出来的任何证书都是被信任的,所以这要求每个 CA 都不能胡来。

试想一下,如果某个 CA 私自给某个黑客签发了 *.taobao.com 的证书,那么黑客就能利用这个证书实现中间人攻击了。

有没有发生过 CA 瞎搞的事情呢?有一个典型的案例就是赛门铁克,由于它签发了大量的不合规的证书,导致了 Chrome 封杀。国内的 CA 也发生过,那就是沃通。

商业上来说,我觉得 CA 还是比较赚钱的,一个域名一年的花费就是几百至几千人民币,所以这些 CA 一定会努力维护自己的信誉。

大家应该也知道,Let's Encrypt 机构提供了免费的证书,那有什么区别呢?

Let's Encrypt 它只验证了这个域名是你的,然后就可以给你免费签发证书,这个证书的有效期是 3 个月,到期要自己去更新。因为它只验证了你的域名,所以这类证书又称为 DV 证书(Domain Validation)。

而一些收费的 CA 可以给你签发 OV 证书(Organization Validation)或 EV 证书(Extended Validation),他们不仅会验证这个域名真的是你的,还会人工验证你的公司是否符合他们的各项签发标准,所以收费也比较贵。通常这些证书的有效期是 1 年。

对于浏览器来说,通常会根据你的证书是 DV 还是 OV,来呈现不同的样式,所以有一种花钱的证书更香的感觉。但是从技术上来说,它们都是提供一样的保护级别的,在最新的 Chrome 上,它没有区别对待,一律显示一个锁。

证书组成

在介绍证书内容之前,我们先看看怎么向 CA 申请一个证书,这有助于你了解整个系统的运作过程。

证书申请

首先我们要生成一个 CSR,它的全称是 Certificate Signing Request,这个文件包含了你要申请的证书的各种信息,这和在某个 CA 的后台填写一个申请表单是一个意思,只是这样可以规范所有 CA 遵守一致的规则。

这里我们需要使用一个叫 openssl 的软件,执行下面的命令:

openssl req -new -newkey rsa:2048 -nodes -keyout www.javadoop.com.key -out www.javadoop.com.csr

进入交互界面后,需要你填写国家、城市、公司名字、部门名字、申请的域名、邮箱地址。有些 CA 支持中文,大部分不支持,这里建议都是用英文字符。

然后我们就会得到两个文本文件

www.javadoop.com.csr
www.javadoop.com.key

其中一个是 CSR 文件,用来发给 CA 申请证书的,另一个是私钥。私钥需要好好保存,等证书申请完成以后要用。

从域名的角度,证书分为单域名、通配符域名、多域名证书。这里我以单域名 www.javadoop.com 为例子,通配符和多域名也很好理解,在填写域名的时候按照格式填就可以了。

我们来看一下生成出来的 www.javadoop.com.csr 文件,它的内容是这样的:

-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----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-----END CERTIFICATE REQUEST-----

我们找个网站在线 decode 一下这个内容,比如我们用这个网站 SSL & CSR Decoder 进行 decode,可以得到下面的内容:

Certificate Request:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Subject: C = CN, ST = ShangHai, L = ShangHai, O = Javadoop Inc, OU = IT, CN = www.javadoop.com, emailAddress = test@javadoop.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:c8:3f:ad:7c:df:a6:ad:6f:1e:82:14:de:cd:d9:
                    d1:64:1b:06:a1:9c:79:85:cb:66:34:af:87:c0:78:
                    86:10:64:04:a0:53:11:62:b4:47:49:ab:cc:93:e1:
                    b9:c9:46:cc:0c:ce:fa:a5:7c:54:97:4f:98:92:ed:
                    57:c2:23:08:48:fa:87:7c:d8:fe:08:6e:97:fd:65:
                    e8:3f:87:fa:19:38:20:6f:b3:35:04:7e:5b:2c:65:
                    3d:de:9d:57:c9:14:06:34:54:f3:72:90:77:f7:8d:
                    eb:2b:12:c5:31:ed:ce:44:0c:a3:3c:5f:63:72:16:
                    8f:1e:38:74:6e:80:19:fa:b1:83:76:62:b2:d3:dc:
                    0d:ec:69:32:1d:93:e1:6f:6d:a3:ba:74:62:7c:21:
                    a3:2a:c6:11:3d:6a:90:e4:28:c8:d5:95:a3:e1:92:
                    70:3c:3c:5f:13:54:f5:ac:6b:d1:e8:cd:75:6a:82:
                    3c:8d:81:35:1e:da:23:b7:9d:e7:c4:78:a9:54:89:
                    b5:89:5b:88:5a:f2:a2:42:b8:a8:b6:80:b9:dc:4e:
                    24:09:65:8f:81:d9:9b:f5:7d:86:41:bf:6e:8d:4e:
                    61:a4:b2:d5:cb:fa:cc:ce:27:f1:5f:03:36:3c:ad:
                    cd:f2:ea:65:5e:42:b8:8f:c8:0d:c2:53:16:39:4c:
                    c8:d5
                Exponent: 65537 (0x10001)
        Attributes:
            a0:00
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         8d:71:ac:d2:62:33:6c:c8:db:64:6f:a9:d1:11:38:c9:f5:02:
         e3:bd:cc:c1:92:6b:19:69:3f:2d:07:42:fe:e3:96:c7:dc:52:
         bd:f9:3b:1d:2f:7b:74:a1:f5:b7:a6:bc:e1:d6:cd:ad:6a:38:
         c1:6d:5e:d7:ce:1b:84:47:fd:8d:e9:9b:cb:0d:8e:d9:e1:8c:
         7b:24:d4:be:cf:b8:78:e3:77:1c:7c:81:8a:ad:b7:db:0d:a6:
         70:b4:7d:8d:8b:55:03:8f:f2:08:28:0a:0f:3e:f8:a4:b7:1a:
         f0:17:04:e3:08:15:35:c6:be:fc:eb:c8:29:c0:b3:73:52:65:
         42:93:f3:fd:d6:23:70:b2:4b:3d:3f:4a:9f:bb:32:9d:5c:74:
         d6:3d:de:3d:c5:f9:b1:6b:47:6f:fb:34:92:40:50:ca:47:4a:
         71:30:5d:6d:a6:69:67:1d:df:c9:bd:06:9b:7c:c7:77:0c:24:
         03:9d:5f:17:a8:de:c8:12:1a:b3:aa:b1:ba:f4:22:c1:e1:c4:
         2a:47:2f:10:45:ca:fd:60:b7:21:4c:00:af:1c:a0:d0:fb:dc:
         39:ee:c6:0d:06:da:e3:e6:d9:d1:f3:21:39:bb:dc:e4:a8:56:
         f7:41:9f:76:72:00:83:ca:c0:9e:05:a0:2a:93:02:5e:90:44:
         09:aa:15:3e

第一部分:Subject 中是我们填写的域名的基本信息,这里面,我们只需要关注 CN 字段就行:www.javadoop.com。CN 是 Common Name 的缩写。

第二部分:Subject Public Key Info 是公钥部分,这里指定了服务器使用的加密算法是 RSA,公钥长度是 2048 位。

第三部分:签名,使用了 sha256WithRSAEncryption 算法。也就是说首先将上面的所有信息进行 sha256 散列得到 hash 值,然后使用 RSA 算法对 hash 值进行加密,而加密的秘钥就是之前生成的私钥。

为什么这里要加第三部分的签名?其实就是为了防止你的 CSR 文件在发给 CA 的过程中被中间人拦截,然后修改了里面的信息再发给 CA。

CA 的校验过程是:利用里面的公钥将签名进行解密得到里面的散列值,然后 CA 也会利用 CSR 里面的信息计算一遍散列值,如果两者相等,那么说明证书没有被中间人修改过,反之就是被修改过。

关键词:CSR 文件,包含了证书申请的信息,加密和散列算法,以及公钥。同时我们现在有了私钥。

证书组成

CA 收到我们的 CSR 文件以后,CA 会进行审核,前面说过了,审核这个域名是不是你的,如果需要,还有人工审核公司信息。审核通过后,它就会发给我们证书文件了,每家 CA 出来的文件名可能略有不同,但是表达的信息是一样的。

主要有以下几个文件:

  • 域名证书:www.javadoop.com.pem?或叫?cert.pem
  • 证书链:fullchain.pem

这些文件可能是 .pem 也可能是 .crt 后缀,但都是文本文件,可以直接打开查看它们的信息:

域名证书的文件内容通常是这样的:

-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIFTzCCBDegAwIBAgISAy4b8ie6L/ACCJt/V7x/OR0iMA0GCSqGSIb3DQEBCwUA
MEoxCzAJBgNVBAYTAlVTMRYwFAYDVQQKEw1MZXQncyBFbmNyeXB0MSMwIQYDVQQD
......
Ecbqh4AoB33mZhp9ptJb1N1RSlZREI0FlbX0kUd6VowKUPhH8Iex6jxQpJHwRkpq
YJaWKrUxGWuJurOcN7b3HXn6yw==
-----END CERTIFICATE-----

证书链文件通常是这样的:

-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIFTzCCBDegAwIBAgISAy4b8ie6L/ACCJt/V7x/OR0iMA0GCSqGSIb3DQEBCwUA
MEoxCzAJBgNVBAYTAlVTMRYwFAYDVQQKEw1MZXQncyBFbmNyeXB0MSMwIQYDVQQD
.......
Ecbqh4AoB33mZhp9ptJb1N1RSlZREI0FlbX0kUd6VowKUPhH8Iex6jxQpJHwRkpq
YJaWKrUxGWuJurOcN7b3HXn6yw==
-----END CERTIFICATE-----
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIEkjCCA3qgAwIBAgIQCgFBQgAAAVOFc2oLheynCDANBgkqhkiG9w0BAQsFADA/
MSQwIgYDVQQKExtEaWdpdGFsIFNpZ25hdHVyZSBUcnVzdCBDby4xFzAVBgNVBAMT
.......
PfZ+G6Z6h7mjem0Y+iWlkYcV4PIWL1iwBi8saCbGS5jN2p8M+X+Q7UNKEkROb3N6
KOqkqm57TH2H3eDJAkSnh6/DNFu0Qg==
-----END CERTIFICATE-----

这里贴了部分内容,是想要告诉大家:证书链文件的第一部分,和证书文件的内容是一模一样的。

如果 CA 还给你发了 chain.pem 文件,其实它的内容肯定就是证书链文件内容裁减掉第一部分的证书内容而已。

很多 CA 还会根据你的证书配置环境是 Nginx、IIS、Tomcat 等,给我们分为好几个不同的文件,但是说到底我们需要的其实就是一个证书链。

我上面贴的证书链就两部分内容,但是大家要知道,这个链是可以更长的。

关键词:CA 给我们颁发的证书,其实就是一个证书链文件

证书内容

接下来,我们来说说证书里面的内容到底是什么?

其实证书链上的每一个节点的内容都是类似的,我以 javadoop.com 的证书为例,将其进行 decode 后的结果如下:

Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            03:76:e6:d1:15:1e:bb:72:04:ae:f9:f5:d6:ad:0b:f9:ab:81
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        // 证书颁发机构
        Issuer: C = US, O = Let's Encrypt, CN = Let's Encrypt Authority X3
        // 证书的有效期
        Validity
            Not Before: Apr 20 07:30:33 2020 GMT
            Not After : Jul 19 07:30:33 2020 GMT
        // 证书申请信息
        Subject: CN = javadoop.com
        // 公钥
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:d2:34:73:fb:83:e3:f0:82:f0:c8:ce:ab:50:e7:
                    d4:a4:14:e9:e2:a3:f1:61:bb:7e:db:b1:c9:e7:01:
                    49:c4:9c:89:e8:f0:25:bf:0d:1d:e0:e3:8d:df:7e:
                    16:ea:ab:0c:a9:5a:04:fb:ef:e5:09:4d:6e:21:5c:
                    d8:e8:39:38:46:69:91:49:04:6a:e1:83:6c:8e:5f:
                    16:7b:a4:d5:45:6e:16:a2:81:12:65:7e:a5:dc:60:
                    05:73:23:91:59:b3:1c:13:0b:25:15:2b:c0:27:80:
                    e6:ce:f8:d9:85:c0:0e:96:74:36:1a:78:fd:4c:2f:
                    82:66:16:00:ea:42:65:c3:25:ea:df:0d:5e:67:97:
                    65:85:0f:17:87:41:8a:3d:df:d2:93:b7:04:2d:15:
                    49:11:67:77:5b:49:29:6d:13:4b:c5:4f:9b:aa:e4:
                    1d:69:2b:8b:b3:c2:08:47:bf:f7:19:28:af:54:8b:
                    f3:6d:33:ad:4b:21:5e:42:07:08:15:03:06:b8:e5:
                    bc:93:fc:14:2f:d0:6d:e7:a0:34:86:8e:63:16:f3:
                    7f:e0:09:cd:1a:6b:ab:87:2d:b9:26:5f:17:5f:72:
                    10:05:5f:d1:d8:96:ab:0b:db:b5:25:15:99:49:8a:
                    0c:99:a7:e7:02:22:aa:92:29:50:7d:d3:44:25:7a:
                    18:97
                Exponent: 65537 (0x10001)
        // 这部分内容我们忽略
        X509v3 extensions:
            X509v3 Key Usage: critical
                Digital Signature, Key Encipherment
            X509v3 Extended Key Usage: 
                TLS Web Server Authentication, TLS Web Client Authentication
            X509v3 Basic Constraints: critical
                CA:FALSE
            X509v3 Subject Key Identifier: 
                36:89:CF:2A:C8:0B:34:8F:9D:0D:F8:D8:DD:DF:4F:B6:89:19:77:DF
            X509v3 Authority Key Identifier: 
                keyid:A8:4A:6A:63:04:7D:DD:BA:E6:D1:39:B7:A6:45:65:EF:F3:A8:EC:A1

            Authority Information Access: 
                OCSP - URI:http://ocsp.int-x3.letsencrypt.org
                CA Issuers - URI:http://cert.int-x3.letsencrypt.org/

            X509v3 Subject Alternative Name: 
                DNS:javadoop.com, DNS:www.javadoop.com
            X509v3 Certificate Policies: 
                Policy: 2.23.140.1.2.1
                Policy: 1.3.6.1.4.1.44947.1.1.1
                  CPS: http://cps.letsencrypt.org

            CT Precertificate SCTs: 
                Signed Certificate Timestamp:
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证书中主要包含:

  • 证书颁发机构:用于寻找链中的下一个验证节点
  • 证书的有效期:比如浏览器要根据这个值来判断证书是否已过期
  • 证书申请信息:比如浏览器要判断改证书是否可用于当前访问的域名
  • 公钥:用于后续和服务端通信的秘钥,这个公钥和当初生成 CSR 时的公钥是一个东西,因为只有它是和服务器的私钥是一对的
  • 签名:用于验证证书内容没有被篡改

这里简单说一说这个证书里面的公钥和签名

前面在介绍生成 CSR 的时候,我们说过了,签名部分,是服务器使用私钥加密 hash 值得到的,同时在 CSR 中包含了公钥,这样 CA 在收到这个文件后,可以用 CSR 文件中的公钥来解密签名,进而做校验。

而这里不一样,这个证书是 CA 给我们的,自然这个签名也是 CA 使用它自己的私钥进行加密的,但是这里的公钥是我们服务器的公钥,显然不能用于解密签名。

那对于用户浏览器来说,在收到这个证书以后,怎么校验这个证书的签名呢?显然浏览器需要得到 CA 的公钥。下一节我们就将详细描述这个过程。

CA证书大致流程

(1)首先浏览器读取证书中的证书所有者、有效期等信息进行一一校验

(2)浏览器开始查找操作系统中已内置的受信任的证书发布机构CA,与服务器发来的证书中的颁发者CA比对,用于校验证书是否为合法机构颁发

(3)如果找不到,浏览器就会报错,说明服务器发来的证书是不可信任的。

(4)如果找到,那么浏览器就会从操作系统中取出 颁发者CA 的公钥,然后对服务器发来的证书里面的签名进行解密

(5)浏览器使用相同的hash算法计算出服务器发来的证书的hash值,将这个计算的hash值与证书中签名做对比

(6)对比结果一致,则证明服务器发来的证书合法,没有被冒充

(7)此时浏览器就可以读取证书中的公钥,用于后续加密了

HTTPS 验证过程

我们以一个实际的例子来分析,下面将使用 javadoop.com 这个域名的证书来分析。

首先,我们可以看到,这个证书链由 3 个证书组成。javadoop.com 证书由中间证书 Let's Encrypt Authority X3 签发,中间证书由 DST Root CA X3 签发,而 DST Root CA X3 是一个受信任的根证书。

流程如下:

step1:客户端向服务器端发出HTTPS请求,连接到服务器的443端口

step2:服务器端有一个密钥对,服务器端保留着私钥

step3:服务器端将公钥发送给客户端(为了保证公钥的合法性,发送一个CA证书,其中包括颁发机构,有效期,公钥,所有者,签名等等,)

step4:客户端收到服务器端证书,对证书内容校验,然后与自己本地所存储的ca证书所比对,通过计算证书的hash与签名所对比,验证服务器端数字证书的合法性,如果合法,客户端生成一个随机值(私钥client-key,客户端密钥),使用服务器端发来的公钥对client-key进行加密,客户端密钥变成密文,结束第一次http请求。

step5:客户端发起第二个http请求,将加密后的客户端密钥发送给服务器。

step6:服务器端使用自己的私钥解密,得到明文是客户端密钥,使用客户端密钥对数据进行加密,数据变为密文

step7:服务器端将加密后的密文发给客户端

step8:客户端收到密文后使用私钥进行对称解密,得到数据,结束第二个http请求。

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