计算机网络延申(一) HTTPS

这篇文章，我们将从 HTTP 明文传输开始，一步步讲解 HTTPS 是怎么在 HTTP 的基础上实现加密通信的

1、明文传输（HTTP）

一开始的时候，HTTP 设计的初衷只是解决了通信的问题，所以数据是明文传输的

在这种情况下，一些不怀好意的人很容易在双方不知情的情况下，窃取数据

要保证数据不被窃取，唯一的办法就是给传输的数据加密

这样即使别人窃取到数据，也不知道传输的内容，因为他获得的只是一堆看起来无意义的乱码

2、对称加密

（1）对称加密

通信双方约定一个**，这个**只有通信双方知道，用这个**加密的数据，只有用这个**才能够解密

（2）对称加密的问题

对称加密有一个问题，这个问题出现在通信过程的开始，那就是通信的双方要怎么约定**

假如**是通过网络传输的，那么很可能这个**在一开始就被别人窃取

3、非对称加密

（1）非对称加密

要通信的主机首先产生一对**（一个公钥和一个私钥），其中公钥是大家都知道的，私钥是只有才自己知道的

用公钥加密的数据，只有用对应的私钥才能解密，用私钥加密的数据，只有用对应的公钥才能解密

（2）非对称加密的问题

非对称加密也有一个问题，这个问题和对称加密的问题有点相似，就是公钥怎么安全地交到对方手上

假如也是通过网络传输，那么公钥有可能被替换（中间人攻击）

非对称加密解决了密码被窃取的问题，因为公钥是大家都知道的，不存在被谁窃取的问题

现在的问题在于怎么证明 “你就是你”（Alice 怎么知道和自己通信的是 Bob 而不是 Hacker）

4、数字签名

我们暂且抛开上面的问题不谈，先来讨论一下数字签名技术

数字签名的出现主要是为了解决两个问题，一是验证内容是否被篡改，二是确定内容是谁生成的

它具体是怎么做到的呢？不急，我们先来看一下使用数字签名的两个过程，生成签名和验证签名

• 生成签名

  发送方使用哈希算法对数据生成一段摘要，然后用自己的私钥对摘要加密，形成一个数字签名

  将数字签名附加在数据的后面，一起发送给接收方

• 验证签名

  接收方收到后，重新使用哈希算法对数据生成一段摘要 1，同时使用发送方的公钥解密数字签名得到摘要 2

  对比摘要 1 和摘要 2 是否相同，如果相同就说明内容没有被修改

怎么验证内容没有被修改，看完上面的两个过程相信大家也已经知道，那么确定内容是谁生成的又是怎么做到的呢

我们注意到一个细节，对摘要进行加密使用的是发送方的私钥，而私钥是自己才有的，这就是唯一性的证明

由于私钥只有自己知道，也就是说只有自己才能签名，而公钥是大家都知道的，所以大家都能验证签名

实际上，数字签名是常规的非对称加密的逆应用，在数字签名中，使用私钥加密，使用公钥解密

5、数字证书

好，我们重新回到之前的问题，怎么证明 “你就是你”，问题的本质其实是公钥怎么安全分发

这时候数字证书就可以派上用场，数字证书是由权威机构颁发给服务器的身份凭证，其实就相当于我们的身份证

服务器拿着身份证就可以证明 “我就是我，是独一无二的烟火”，并且通过数字证书我们还能安全的分发公钥

下面我们先来看看一个服务器是怎么申请证书的，以及客户端是怎么根据证书得到可信的公钥的

• 服务器申请证书

  服务器向权威机构（Certificate Authority，简称 CA）申请一个证书

  权威机构把服务器使用的公钥、服务器的信息、权威机构的信息等作为原始数据

  权威机构用哈希算法对原始数据计算一个哈希值，然后用自己的私钥加密原始数据，得到数字签名

  权威机构把数字签名附加在原始数据后，得到数字证书

  权威机构返回数字证书给服务器

• 客户端验证证书

  客户端收到服务器的数字证书

  客户端得到该数字证书的颁发机构的公钥，并用公钥解密数字签名，得到原始数据的哈希值

  客户端用哈希算法对数字证书的原始数据计算一个哈希值

  如果两个哈希值相同，说明数字证书没有被修改，这样就可以得到服务器的公钥

针对上面的两个过程，我们来回答几个问题

1、为什么数字证书不能伪造？

因为数字证书包含权威机构的数字签名，数字签名的特点就是只有自己才能签名，但是大家都能验证签名

2、为什么权威机构是可信的？

这个问题真要从密码学的角度的确难讲，但是这个道理就相当于在现实生活中我们为什么要相信银行一样

3、在验证证书时，需要使用到权威机构的公钥，这个公钥是怎么传输的？

又回到这个问题，公钥怎么安全分发，按照以前的思路，就是让另一个权威机构给这个权威机构颁发证书

那这就是一个无限递归，怎么搞呀？要想结束递归，那就要给递归设置初始条件

权威机构是一个树状分层的结构，高层的权威机构会给低层的权威机构颁发证书

某些顶层权威机构的证书会内置在操作系统或浏览器中，默认使用的人自动相信他们

6、对称加密 + 非对称加密 + 数字签名 + 数字证书（HTTPS）

兜兜转转，一路过来，终于到最后一步了

把我们之前讲的对称加密、非对称加密、数字签名、数字证书综合应用起来，就是 HTTPS 所使用的加密技术

最后，我们把这些东西串联起来，讲一下 HTTPS 通信的全过程

1. 客户端请求建立加密连接

2. 服务器给客户端发送证书

3. 客户端查看证书的有效日期，如果证书已经过期，那么提示失效，如果证书没有过期，继续下面步骤

4. 客户端查看证书的颁发机构

   如果客户端知道这个颁发结构，那么就会用对应的公钥验证证书，得到服务端的公钥

   若客户端不知道这个颁发机构，那么就会提示这个证书存在风险，让用户选择是否要相信这个证书

5. 如果验证通过，也就意味着客户端已经得到服务端的公钥

   那么客户端随机生成一个对称**，并用服务端的公钥加密，发送给服务端

6. 服务端收到后，用自己的私钥解密，得到对称**

7. 此时，双方都已知道对称** ，之后用它进行加密通信

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