HTTPS 是如何運(yùn)作的？它解決了什么問(wèn)題？

作者：SH的全棧筆記 2023-05-31 07:32:37

全稱為 Certificate Authority，它是一個(gè)機(jī)構(gòu)，可以將其理解為客戶端和服務(wù)器都可以信賴的一個(gè)第三方。開發(fā)人員會(huì)將服務(wù)器的真實(shí)公鑰提供給 CA，然后 CA 判斷服務(wù)器的身份之后，會(huì)對(duì)公鑰簽名，然后將其和 CA 證書綁定在一起。當(dāng)然 CA 證書包含的不僅僅只有簽名，還有序列號(hào)、用途、頒發(fā)者、有效時(shí)間之類的。

首先，HTTPS 并不是一個(gè)新的協(xié)議，而是 HTTP + SSL/TLS，即 SSL（Security Socket Layer）和 TLS（Transport Layer Security) 的縮寫。但其實(shí)作為 SSL 的繼任者，TLS 已經(jīng)完全替代了 SSL，只是大概還是習(xí)慣使用 SSL 這個(gè)名詞。為了嚴(yán)謹(jǐn)，后續(xù)都會(huì)繼續(xù)使用 TLS。

簡(jiǎn)單了解 HTTP

從何而來(lái)

要了解 HTTPS，自然我們要先了解 HTTP 協(xié)議，最初 HTTP 協(xié)議的出現(xiàn)是為了讓全球的研究者知識(shí)共享而發(fā)明出來(lái)的，它于 1990 年被發(fā)明出來(lái)，但這一版本的 HTTP 協(xié)議并沒有作為標(biāo)準(zhǔn)。

HTTP/0.9

Tim Berners-Lee 和他的團(tuán)隊(duì)提出這個(gè)最早的 HTTP/0.9 版本存在一些不明確的地方，例如：

沒有版本標(biāo)識(shí)，不像現(xiàn)在我們有 HTTP/0.9、HTTP/1.0、HTTP/1.1 等等，就連這個(gè) 0.9 都是后面才加上的
沒有請(qǐng)求頭，只有一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單普普通通的 GET 請(qǐng)求
響應(yīng)只支持 HTML 文檔本身，不支持其他的格式，比如圖片、視頻
沒有狀態(tài)碼，根本不知道請(qǐng)求是否成功，或者是因?yàn)槭裁丛蚴?/li>
短連接，也是就是后面 HTTP/1.1 和部分的 HTTP/1.0 提出 Keep-Alive 要解決的問(wèn)題

這就是最初的 HTTP，存在很多的缺陷，也難怪沒有成為標(biāo)準(zhǔn)。

HTTP/1.0

到了1996年5月，HTTP 提出了新的版本 HTTP/1.0，而它也成了 HTTP 第一個(gè)正式的版本，也被正式的標(biāo)準(zhǔn)化。它解決了 HTTP/0.9 沒有解決的問(wèn)題，例如：

引入了明確的版本號(hào)
定義了請(qǐng)求頭、響應(yīng)頭，這讓請(qǐng)求中能夠附件傳輸很多的元數(shù)據(jù)，這些頭都是基礎(chǔ)，不再贅述
支持了多種數(shù)據(jù)類型，例如圖片、音頻、視頻
引入了狀態(tài)碼
引入了緩存機(jī)制

我們現(xiàn)在之后后續(xù)的主流版本其實(shí)是 HTTP/1.1，這說(shuō)明當(dāng)時(shí)提出的 HTTP/1.0 其實(shí)還是存在部分的問(wèn)題。

HTTP/1.1

1997年1月，HTTP/1.1 發(fā)布，這也是在 HTTP/2.0 出來(lái)之前最為主流的版本，我們來(lái)看看它解決了什么問(wèn)題就知道 HTTP/1.0 存在的缺陷了。

引入了持久化連接機(jī)制
基于 Keep-Alive 長(zhǎng)連接，推出了管線化技術(shù)，提高了發(fā)送請(qǐng)求的速度
引入了更加靈活的緩存機(jī)制
分塊傳輸
范圍請(qǐng)求

所謂持久化連接機(jī)制，即服用底層的 TCP 連接。HTTP 底層通信使用的是 TCP，在 HTTP/1.1 之前都是發(fā)起一個(gè) HTTP 請(qǐng)求就會(huì)建立一個(gè) TCP 連接，傳輸數(shù)據(jù)之后再斷開。這波操作在 HTTP/1.0 那個(gè)時(shí)間是沒問(wèn)題的，HTTP 沒普及，傳輸?shù)膬?nèi)容也都是小容量的文本。但隨著 HTTP 的普及，傳輸?shù)膬?nèi)容變得也越來(lái)越來(lái)豐富，況且還新增了圖片、音視頻。像這樣頻繁的發(fā)起、斷開 TCP 連接會(huì)大大的增加頁(yè)面資源的加載速度，降低用戶的體驗(yàn)。所謂持久化連接也就是，只要任意一方?jīng)]有提出斷開 TCP 連接，就繼續(xù)復(fù)用這個(gè)連接，減少了創(chuàng)建連接帶來(lái)的開銷。

而管線化技術(shù)則是發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求不用等待其響應(yīng)，繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)請(qǐng)求。沒有管線化技術(shù)時(shí)，必須等待上一個(gè)請(qǐng)求響應(yīng)回來(lái)之后才能發(fā)送下一個(gè)請(qǐng)求，而這種機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)較慢的情況下會(huì)引發(fā)一個(gè)問(wèn)題——隊(duì)頭阻塞。比如，請(qǐng)求一張較大的圖片，偏偏網(wǎng)絡(luò)還慢，那么后續(xù)的請(qǐng)求都會(huì)被阻塞。但管線化技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題嗎？解決了一部分，沒有完全解決。采用管線化技術(shù)，請(qǐng)求雖然發(fā)出去了，但它是有序的，所以在等待響應(yīng)時(shí)，這一批里有響應(yīng)遲遲沒有回來(lái)，后續(xù)的請(qǐng)求仍然要等待。所以這個(gè)問(wèn)題并沒有完全解決。

HTTP/2.0

既然有問(wèn)題，那么后續(xù)就需要有新的版本來(lái)解決這些問(wèn)題。2015年5月，HTTP/2.0 正式標(biāo)準(zhǔn)化，之后慢慢開始大面積的普及，那么它又解決了哪些問(wèn)題呢？主要如下：

提出了多路復(fù)用，解決了 HTTP/1.1 中的隊(duì)頭阻塞問(wèn)題
使用了二進(jìn)制協(xié)議，而不是原來(lái)的文本協(xié)議
對(duì)頭部進(jìn)行壓縮，減少每個(gè) HTTP 請(qǐng)求的頭部大小，減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小
支持服務(wù)器推送，HTTP/2.0 允許服務(wù)器主動(dòng)推送資源到客戶端，減少客戶端的請(qǐng)求次數(shù)

當(dāng)然，相信你也知道，現(xiàn)在 HTTP/3.0 也出來(lái)了，其關(guān)鍵的改動(dòng)在于將底層傳輸層的協(xié)議從 TCP 切換到了 QUIC，其底層采用的是 UDP，這個(gè)后面有機(jī)會(huì)單獨(dú)寫一篇文章來(lái)介紹。

Why HTTPS？

HTTP 即使推出了很多個(gè)版本，但是仍然存在問(wèn)題，例如：

協(xié)議本身沒有加密，再加上底層使用的 TCP/IP 本身就在很多環(huán)節(jié)容易被竊聽，例如我們熟悉的 Wireshark
沒有驗(yàn)證通信方的身份，可能遭遇偽裝
無(wú)法校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否被篡改

混合加密

所以這才有了 HTTPS，也就是 HTTP + TLS。

在 HTTP 協(xié)議中，由它本身直接和 HTTP 通信，而在 HTTPS 協(xié)議中，HTTP 是和 TLS 進(jìn)行通信，相當(dāng)于給套了一層娃，加了個(gè)中間層。

那要如何進(jìn)行加密呢？

HTTPS 采用了混合加密的方式，大致的流程如下：

客戶端訪問(wèn)服務(wù)器，服務(wù)器會(huì)返回自己的公鑰
客戶端生成一個(gè)隨機(jī)密鑰，使用上一步獲取的公鑰對(duì)隨機(jī)密鑰進(jìn)行加密
將用服務(wù)器公鑰加密后的客戶端隨機(jī)密鑰發(fā)送給服務(wù)器
服務(wù)器用自己的私鑰進(jìn)行解密，拿到客戶端的隨機(jī)密鑰明文

到這里，客戶端和瀏覽器就將后續(xù)通信加解密要使用到的密鑰安全的進(jìn)行了傳輸，后續(xù)客戶端服務(wù)器的所有通信都會(huì)使用這個(gè)隨機(jī)密鑰。所謂的混合加密就是即使用了對(duì)稱加密，也使用了非對(duì)稱加密。

中間人攻擊

但是這個(gè)步驟有個(gè)比較明顯的問(wèn)題，即——中間人攻擊。

還是基于上面的這個(gè)步驟，客戶端以為自己在和服務(wù)器通信，實(shí)際上它在和中間人通信，然后中間人將服務(wù)器的真正公鑰 S 保存了下來(lái)，然后把中間人自己的公鑰 B 返回給了客戶端。

客戶端拿到了中間人的公鑰 B，然后使用公鑰 B 對(duì)其生成的隨機(jī)密鑰進(jìn)行加密，然后傳給中間人。中間人拿到了加密密文，使用自己的私鑰 B’ 進(jìn)行解密，到這里就拿到了客戶端的隨機(jī)密鑰。然后再用保存好的服務(wù)器真正公鑰 S 加密，將密文再傳給服務(wù)器。其流程如下圖所示：

中間人攻擊示意圖

這樣就完成了一波套娃，并且客戶端和服務(wù)器都沒有感知。這樣一來(lái)，一旦攻擊成功，后續(xù)的通信中間人都能夠通過(guò)前面步驟拿到的隨機(jī)密鑰進(jìn)行解密，然后篡改，再加密傳給服務(wù)器。

那該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？

在上面的流程中，其關(guān)鍵的問(wèn)題在于客戶端無(wú)法證明服務(wù)器返回的公鑰的正確性，它可能是中間人的公鑰，而不是服務(wù)器的。如果有某種方式能夠讓我們確認(rèn)，這個(gè)公鑰的的確確就是服務(wù)器的真實(shí)公鑰，上面的問(wèn)題就迎刃而解了。

而這就是 CA。

CA 證書

然后客戶端來(lái)請(qǐng)求公鑰時(shí)，服務(wù)器會(huì)直接把證書返回給客戶端。那么問(wèn)題又來(lái)了，你怎么能夠保證返回的證書不是由中間人返回的？加了個(gè) CA 就能夠解決這個(gè)問(wèn)題嗎？

當(dāng)然不是。

客戶端還會(huì)對(duì) CA 證書進(jìn)行校驗(yàn)，以此來(lái)保證：

CA 機(jī)構(gòu)值得信賴
服務(wù)器的公鑰真實(shí)有效

否則仍然會(huì)面臨中間人攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。那客戶端是如何驗(yàn)證這兩點(diǎn)的呢？

首先，在將服務(wù)器公鑰提供給 CA 時(shí)，CA 會(huì)使用自己的私鑰對(duì)服務(wù)器公鑰進(jìn)行簽名。注意，這里是私鑰，不是公鑰。然后客戶端拿到這個(gè)證書之后，會(huì)使用 CA 的公鑰（內(nèi)置在瀏覽器中）對(duì)其進(jìn)行解密，然后拿到 CA 側(cè)登記證書時(shí)計(jì)算的 Hash 值，然后客戶端會(huì)根據(jù)證書上的信息，使用同樣的算法計(jì)算出另一個(gè) Hash 值，然后將這兩個(gè) Hash 值對(duì)比，就能夠知道證書是否可信賴。當(dāng)然，這個(gè)只是其中的一個(gè)步驟，CA 的認(rèn)證還涉及到信任鏈的問(wèn)題，這里不展開。

當(dāng)然，CA 也不能解決全部的問(wèn)題。之前也出過(guò) CA 機(jī)構(gòu)被黑的事故，非法頒發(fā)了 Google 和 Twitter 的偽造證書。