程序员必备知识 “HTTPS”
曾几何时，只记得HTTPS的端口和HTTP的不同，一个是443，一个是80。以前做项目也是只晓得用第三方的jar包，只晓得怎么生成证书和使用方法与流程，对原理并不是很清楚。这里接着上一篇RSA算法，本篇就详细介绍HTTPS协议和相关的SSL/TLS加密协议。
什么是HTTPS
百科定义：HTTPS（全称：Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer），是以安全为目标的HTTP通道，简单讲是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL层，HTTPS的安全基础是SSL，因此加密的详细内容就需要SSL。 它是一个URI scheme（抽象标识符体系），句法类同http:体系。用于安全的HTTP数据传输。https:URL表明它使用了HTTP，但HTTPS存在不同于HTTP的默认端口及一个加密/身份验证层（在HTTP与TCP之间）。这个系统的最初研发由网景公司(Netscape)进行，并内置于其浏览器Netscape Navigator中，提供了身份验证与加密通讯方法。现在它被广泛用于万维网上安全敏感的通讯，例如交易支付方面。HTTPS和HTTP的区别一、https协议需要到ca申请证书，一般免费证书很少，需要交费。二、http是超文本传输协议，信息是明文传输，https 则是具有安全性的ssl加密传输协议。三、http和https使用的是完全不同的连接方式，用的端口也不一样，前者是80，后者是443。四、http的连接很简单，是无状态的；HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，比http协议安全。采用https的服务器必须从CA （Certificate Authority）申请一个用于证明服务器用途类型的证书。该证书只有用于对应的服务器的时候，客户端才信任此主机。所以所有的银行系统网站，关键部分应用都是https 的。客户通过信任该证书，从而信任了该主机。其实这样做效率很低，但是银行更侧重安全。这一点对局域网对内提供服务处的服务器没有任何意义。局域网中的服务器，采用的证书不管是自己发布的还是从公众的地方发布的，其客户端都是自己人，所以该局域网中的客户端也就肯定信任该服务器。数据的泄密和被篡改1． 一般意义上的https，就是服务器有一个证书。a) 主要目的是保证服务器就是他声称的服务器，这个跟第一点一样。b)服务端和客户端之间的所有通讯，都是加密的。i. 具体讲，是客户端产生一个对称的**，通过服务器的证书来交换**，即一般意义上的握手过程。ii. 接下来所有的信息往来就都是加密的。第三方即使截获，也没有任何意义，因为他没有**，当然篡改也就没有什么意义了。2． 少许对客户端有要求的情况下，会要求客户端也必须有一个证书。a) 这里客户端证书，其实就类似表示个人信息的时候，除了用户名/密码，还有一个CA 认证过的身份。因为个人证书一般来说是别人无法模拟的，所有这样能够更深的确认自己的身份。b) 目前大多数个人银行的专业版是这种做法，具体证书可能是拿U盘（即U盾）作为一个备份的载体。
SSL/TLS由来
不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明文传播，带来了三大风险。（1） 窃听风险（eavesdropping）：第三方可以获知通信内容。（2） 篡改风险（tampering）：第三方可以修改通信内容。（3） 冒充风险（pretending）：第三方可以冒充他人身份参与通信。SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的，希望达到：（1） 所有信息都是加密传播，第三方无法窃听。（2） 具有校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。（3） 配备身份证书，防止身份被冒充。互联网是开放环境，通信双方都是未知身份，这为协议的设计带来了很大的难度。而且，协议还必须能够经受所有匪夷所思的攻击，这使得SSL/TLS协议变得异常复杂。互联网加密通信协议的历史，几乎与互联网一样长。1994年，NetScape公司设计了SSL协议（Secure Sockets Layer）的1.0版，但是未发布。1995年，NetScape公司发布SSL 2.0版，很快发现有严重漏洞。1996年，SSL 3.0版问世，得到大规模应用。1999年，互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版。2006年和2008年，TLS进行了两次升级，分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。最新的变动是2011年TLS 1.2的修订版。目前，应用最广泛的是TLS 1.0，接下来是SSL 3.0。但是，主流浏览器都已经实现了TLS 1.2的支持。TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3。
SSL介绍
SSL（Secure Sockets Layer，安全套接层），及其继任者 TLS（Transport Layer Security，传输层安全）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层对网络连接进行加密。
SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层：a)SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。b)SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加***等。
SSL协议提供的服务主要有： 1）认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户机和服务器； 2）加密数据以防止数据中途被窃取； 3）维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不被改变。
SSL或者Secure Socket Layer，是一种允许web浏览器和web服务器通过一个安全的连接进行交流的技术。这意味着将被发送的数据在一端被翻译成密码，传送出去，然后在另一端解开密码，再进行处理。这是一个双向的过程，也就是浏览器和服务器都需要在发送数据之前对它们进行加密。
SSL协定的另一个重要方面是认证(Authentication)。这就是说，在你开始试图通过一个安全连接与一个Web服务器交流的时候，这个服务器会要求你的浏览器出示一组证件，通过“鉴定”的方式来证明这就是你所声明的网站。在某些情况下，服务器还会要求你的web浏览器的认证书，证明你就是你所说的那个人。这就是所知的“客户认证”，尽管实际情况中，更多地用在商务-对-商务(B2B)交易，而不是对个人用户。大多数有SSL功能的web服务器不要求客户认证(Client Authentication)。
SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法，也就是说，客户端先向服务器端索要公钥，然后用公钥加密信息，服务器收到密文后，用自己的私钥解密。但是，这里有两个问题。（1）如何保证公钥不被篡改？解决方法：将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的，公钥就是可信的。（2）公钥加密计算量太大，如何减少耗用的时间？解决方法：每一次对话（session），客户端和服务器端都生成一个”对话**”（session key），用它来加密信息。由于”对话**”是对称加密，所以运算速度非常快，而服务器公钥只用于加密”对话**”本身，这样就减少了加密运算的消耗时间。因此，SSL/TLS协议的基本过程是这样的：
（1） 客户端向服务器端索要并验证公钥。
（2） 双方协商生成"对话**"。
（3） 双方采用"对话**"进行加密通信。
上面过程的前两步，又称为”握手阶段”（handshake）。
“握手阶段”涉及四次通信，我们一个个来看。需要注意的是，”握手阶段”的所有通信都是明文的。
客户端发出请求（ClientHello）
首先，客户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。 （1） 支持的协议版本，比如TLS 1.0版。 （2） 一个客户端生成的随机数，稍后用于生成”会话**”(session secret)。 （3） 支持的加密方法，比如RSA公钥加密。 （4） 支持的压缩方法。
这里需要注意的是，客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只能包含一个网站，否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。对于虚拟主机的用户来说，这当然很不方便。2006年，TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。
服务器回应（SeverHello）
服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。
（1） 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。
（2） 一个服务器生成的随机数，稍后用于生成"会话**"(session secret)。
（3） 确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。
（4） 服务器证书。
除了上面这些信息，如果服务器需要确认客户端的身份，就会再包含一项请求，要求客户端提供”客户端证书”。比如，金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络，就会向正式客户提供USB**，里面就包含了一张客户端证书。
客户端回应
客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。 （1） 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。 （2） 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和**发送。 （3） 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称”pre-master key”。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的同一把”会话**”。至于为什么一定要用三个随机数，来生成”会话**”，dog250解释得很好：
不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的**才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的**的随机性。 对于RSA**交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个**导出器（Master Secret）最终导出一个对称**。 pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为**就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的**就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个*度，随机性增加的可不是一。
此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。
服务器的最后回应
服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的”会话**”。然后，向客户端最后发送下面信息。 （1）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和**发送。 （2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用”会话**”加密内容。
###Secret Keys产生与使用上面的分析和讲解主要是为了突出握手的过程，所以PreMaster secret，Master secret，session secret都是一代而过，但是对于Https，SSL/TLS深入的理解和掌握，这些Secret Keys是非常重要的部分。所以，准备把这些Secret Keys抽出来单独分析和讲解。
我们先来看看这些Secret Keys的的生成过程以及作用流程图：
reMaster secret是在客户端使用RSA或者Diffie-Hellman等加密算法生成的。它将用来跟服务端和客户端在Hello阶段产生的随机数结合在一起生成Master secret。在客户端使用服务单的公钥对PreMaster secret进行加密之后传送给服务端，服务端将使用私钥进行解密得到PreMaster secret。也就是说服务端和客户端都有一份相同的PreMaster secret和随机数。
PreMaster secret前两个字节是TLS的版本号，这是一个比较重要的用来核对握手数据的版本号，因为在Client Hello阶段，客户端会发送一份加密套件列表和当前支持的SSL/TLS的版本号给服务端，而且是使用明文传送的，如果握手的数据包被**之后，攻击者很有可能串改数据包，选择一个安全性较低的加密套件和版本给服务端，从而对数据进行**。所以，服务端需要对密文中解密出来对的PreMaster版本号跟之前Client Hello阶段的版本号进行对比，如果版本号变低，则说明被串改，则立即停止发送任何消息。
关于PreMaster Secret(Key)的计算请参考《Htttps SSL/TLS PreMaster/Master Secret(Key)计算》。
上面已经提到，由于服务端和客户端都有一份相同的PreMaster secret和随机数，这个随机数将作为后面产生Master secret的种子，结合PreMaster secret，客户端和服务端将计算出同样的Master secret。
Master secret是有系列的hash值组成的，它将作为数据加解密相关的secret的Key Material。Master secret最终解析出来的数据如下：
其中，write MAC key，就是session secret或者说是session key。Client write MAC key是客户端发数据的session secret，Server write MAC secret是服务端发送数据的session key。MAC(Message Authentication Code)，是一个数字签名，用来验证数据的完整性，可以检测到数据是否被串改。关于MAC的工作原理详见MAC。