HTTPS通信原理与实例分析
HTTPS简介
HTTP 协议（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）：是客户端浏览器或其他程序与Web服务器之间的应用层通信协议 。HTTPS（全称：HyperText Transfer Protocol over Secure Socket Layer），可以理解为HTTP+SSL/TLS， 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，用于安全的 HTTP 数据传输，通俗点说，就是把HTTPS数据放到了一个带锁的箱子里保护起来，这里的锁就相当于SSL或者TLS。
HTTPS和HTTP的区别：
1.HTTPS需要一个CA根证书，全球公认的CA证书一般都要收费，私人或者企业内部使用一般是自签证书，就是自己创建一个CA证书 。
2. 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。
3. 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。
HTTPS作用
1.建立一种安全的信息交互通道。
2.验证服务器或者客户端是否合法。
HTTPS服务器类型
HTTPS服务器分为单向/双向两种服务器类型。
1.单向是指，只是客户端验证服务器的合法性。
2.双向是指，客户端验证服务器合法性，服务器也会验证客户端的合法性。
一般公网里第二种类型比较少，只会在某些网上银行的服务器里出现。
HTTPS通信原理与实例分析
通信原理
HTTPS是HTTP over SSL/TLS，HTTP是应用层协议，TCP是传输层协议，在应用层和传输层之间，增加了一个安全套接层SSL/TLS，如下图所示。
如上图所示 HTTPS 相比 HTTP 多了一层 SSL/TLS，SSL/TLS层负责客户端和服务器之间的加解密算法协商、**交换、通信连接的建立。
HTTPS在传输数据之前需要客户端（浏览器）与服务端（网站）之间进行一次握手，在握手过程中将确立双方加密传输数据的密码信息。TLS/SSL协议不仅仅是一套加密传输的协议，更是一件经过艺术家精心设计的艺术品，TLS/SSL中使用了非对称加密，对称加密以及HASH算法。
通信流程和实例分析
本人在CentOS7.2虚拟机上,用Flask + Gunicorn简单的部署了一个Demo，并用tcpdump抓包工具抓取通信的数据包，在WIN7上用wireshark分析数据流。
1.客户端发起请求(client_hello)
以明文传输请求信息，包含版本信息，加密套件候选列表，压缩算法候选列表，随机数，扩展字段等信息，相关信息如下:
• 支持的最高TSL协议版本version，从低到高依次 SSLv2 SSLv3 TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2，当前基本不再使用低于 TLSv1 的版本;
• 客户端支持的加密套件 cipher suites 列表，如图所示，支持43个。 每个加密套件对应前面 TLS 原理中的四个功能的组合：认证算法 Au (身份验证)、**交换算法 KeyExchange(**协商)、对称加密算法 Enc (信息加密)和信息摘要 Mac(完整性校验);
• 支持的压缩算法 compression methods 列表，用于后续的信息压缩传输;
• 随机数 random_C，用于后续的**的生成;
• 扩展字段 extensions，支持协议与算法的相关参数以及其它辅助信息等，常见的 SNI 就属于扩展字段，后续单独讨论该字段的作用。
2.服务端收到客户端的请求后，返回结果(server_hello)
• server_hello, 服务端返回协商的信息结果，包括选择使用的协议版本 version，选择的加密套件 cipher suite，选择的压缩算法 compression method、随机数 random_S 等，其中随机数用于后续的**协商;
• server_certificates, 服务器端配置对应的证书链，包括证书的CN,ON,地域信息，还有创建与过期时间描述，用于身份验证与**交换;
• server_key_exchange，在发送Server Certificate证书消息之后，根据Server Hello选择的算法不同，并且证书里没有足够的数据交换premaster secret预主**，Server就会发送Server Key Exchange消息，交换协商参数，以便双方生成premaster secret预主**。
那么哪些情况会发送，哪些情况不会发送呢？ rfc5246 中有以下规定：
. DHE_DSS、DHE_RSA、DH_anon 算法会发送此消息
. RSA、DH_DSS、DH_RSA 算法不会发送此消息
并提供了大致的代码实现：
那么如server hello图所示，该服务器选择了ECDHE算法，所以需要传递server_key_exchange消息。
• server_hello_done，通知客户端 server_hello 信息发送结束;
3.证书校验
客户端验证证书的合法性，如果验证通过才会进行后续通信，否则根据错误情况不同做出提示和操作，合法性验证包括如下：
• [证书链]的可信性 trusted certificate path，方法如前文所述;
• 证书是否吊销 revocation，有两类方式离线 CRL 与在线 OCSP，不同的客户端行为会不同;
• 有效期 expiry date，证书是否在有效时间范围;
• 域名 domain，核查证书域名是否与当前的访问域名匹配，匹配规则后续分析;
4.client_key_exchange+change_cipher_spec+encrypted_handshake_message
• client_key_exchange，合法性验证通过之后，客户端计算产生随机数字 Pre-master，并用证书公钥加密，发送给服务器;
• 此时客户端已经获取全部的计算协商**需要的信息：两个明文随机数 random_C 和 random_S 与自己计算产生的 Pre-master，计算得到协商**;
enc_key=Fuc(random_C, random_S, Pre-Master)
• change_cipher_spec，客户端通知服务器后续的通信都采用协商的通信**和加密算法进行加密通信;
• encrypted_handshake_message，结合之前所有通信参数的 hash 值与其它相关信息生成一段数据，采用协商** session secret 与算法进行加密，然后发送给服务器用于数据与握手验证;
5.change_cipher_spec+encrypted_handshake_message
• New_session_ticket,会话记录，如果客户端和服务器之间曾经建立了连接，服务器会在 new_session_ticket 数据中携带加密的 session_ticket 信息，客户端保存;
• 服务器用私钥解密加密的 Pre-master 数据，基于之前交换的两个明文随机数 random_C 和 random_S，计算得到协商**:enc_key=Fuc(random_C, random_S, Pre-Master);
• 计算之前所有接收信息的 hash 值，然后解密客户端发送的 encrypted_handshake_message，验证数据和**正确性;
• change_cipher_spec, 验证通过之后，服务器同样发送 change_cipher_spec 以告知客户端后续的通信都采用协商的**与算法进行加密通信;
• encrypted_handshake_message, 服务器也结合所有当前的通信参数信息生成一段数据并采用协商** session secret 与算法加密并发送到客户端;
6.握手结束
客户端计算所有接收信息的 hash 值，并采用协商**解密 encrypted_handshake_message，验证服务器发送的数据和**，验证通过则握手完成;
7.注意
• 握手完成之后，双方开始加密通信；
• 服务器也可以要求验证客户端，即双向认证，可以在过程2要发送 client_certificate_request 信息，客户端在过程4中先发送 client_certificate与certificate_verify_message 信息，证书的验证方式基本相同，certificate_verify_message 是采用client的私钥加密的一段基于已经协商的通信信息得到数据，服务器可以采用对应的公钥解密并验证;
• 根据使用的**交换算法的不同，如 ECC 等，协商细节略有不同，总体相似;
• change cipher spec 实际可用于通知对端改版当前使用的加密通信方式，当前没有深入解析;
• alter message 用于指明在握手或通信过程中的状态改变或错误信息，一般告警信息触发条件是连接关闭，收到不合法的信息，信息解密失败，用户取消操作等，收到告警信息之后，通信会被断开或者由接收方决定是否断开连接。
加密算法概述
对称加密
有流式、分组两种，加密和解密都是使用的同一个**。
例如：DES、AES-GCM、ChaCha20-Poly1305等
非对称加密
加密使用的**和解密使用的**是不相同的，分别称为：公钥、私钥，公钥和算法都是公开的，私钥是保密的。非对称加密算法性能较低，但是安全性超强，由于其加密特性，非对称加密算法能加密的数据长度也是有限的。
例如：RSA、DSA、ECDSA、 DH、ECDHE
哈希算法
将任意长度的信息转换为较短的固定长度的值，通常其长度要比信息小得多，且算法不可逆。
例如：MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-256 等
数字签名
签名就是在信息的后面再加上一段内容（信息经过hash后的值），可以证明信息没有被修改过。hash值一般都会加密后（也就是签名）再和信息一起发送，以保证这个hash值不被修改。
如果大家还有兴趣，下面链接会详细解释。
扫盲 HTTPS 和 SSL/TLS 协议[3]：**交换（**协商）算法及其原理