摘要：本文嘗試一步步還原HTTPS的設(shè)計(jì)過程藤为，以理解為什么HTTPS最終會(huì)是這副模樣怪与。但是這并不代表HTTPS的真實(shí)設(shè)計(jì)過程。在閱讀本文時(shí)缅疟，你可以嘗試放下已有的對(duì)HTTPS的理解分别，這樣更利于“還原”過程。
我們先不了聊HTTP存淫，HTTPS耘斩，我們先從一個(gè)聊天軟件說起，我們要實(shí)現(xiàn)A能發(fā)一個(gè)hello消息給B：
如果我們要實(shí)現(xiàn)這個(gè)聊天軟件桅咆，本文只考慮安全性問題括授，要實(shí)現(xiàn)
A發(fā)給B的hello消息包，即使被中間人攔截到了岩饼，也無法得知消息的內(nèi)容
如何做到真正的安全荚虚？
這個(gè)問題，很多人馬上就想到了各種加密算法籍茧，什么對(duì)稱加密版述、非對(duì)稱加密、DES硕糊、RSA院水、XX腊徙、噼里啪啦~
而我想說简十，加密算法只是解決方案檬某，我們首先要做的是理解我們的問題域——什么是安全？
我個(gè)人的理解是：
A與B通信的內(nèi)容螟蝙，有且只有A和B有能力看到通信的真正內(nèi)容
好恢恼，問題域已經(jīng)定義好了（現(xiàn)實(shí)中當(dāng)然不止這一種定義）。對(duì)于解決方案胰默，很容易就想到了對(duì)消息進(jìn)行加密场斑。
題外話，但是只有這一種方法嗎牵署？我看未必漏隐，說不定在將來會(huì)出現(xiàn)一種物質(zhì)打破當(dāng)前世界的通信假設(shè)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的保密奴迅。
對(duì)于A與B這樣的簡(jiǎn)單通信模型青责，我們很容易做出選擇：
這就是對(duì)稱加密算法，其中圖中的密鑰S同時(shí)扮演加密和解密的角色取具。具體細(xì)節(jié)不是本文范疇脖隶。
只要這個(gè)密鑰S不公開給第三者，同時(shí)密鑰S足夠安全暇检，我們就解決了我們一開始所定問題域了产阱。因?yàn)槭澜缟嫌星抑挥蠥與B知道如何加密和解密他們之間的消息。
但是块仆，在WWW環(huán)境下构蹬，我們的Web服務(wù)器的通信模型沒有這么簡(jiǎn)單：
如果服務(wù)器端對(duì)所有的客戶端通信都使用同樣的對(duì)稱加密算法，無異于沒有加密悔据。那怎么辦呢庄敛？即能使用對(duì)稱加密算法，又不公開密鑰蜜暑？請(qǐng)讀者思考21秒鐘铐姚。??
答案是：Web服務(wù)器與每個(gè)客戶端使用不同的對(duì)稱加密算法：
如何確定對(duì)稱加密算法
慢著，另一個(gè)問題來了肛捍，我們的服務(wù)器端怎么告訴客戶端該使用哪種對(duì)稱加密算法隐绵？
當(dāng)然是通過協(xié)商。
但是拙毫，你協(xié)商的過程是沒有加密的依许，還是會(huì)被中間人攔截。那我們?cè)賹?duì)這個(gè)協(xié)商過程進(jìn)行對(duì)稱加密就好了缀蹄，那你對(duì)協(xié)商過程加密的加密還是沒有加密峭跳，怎么辦膘婶？再加密不就好了……好吧，進(jìn)行雞生蛋蛋生雞的問題了蛀醉。
如何對(duì)協(xié)商過程進(jìn)行加密
新問題來了悬襟，如何對(duì)協(xié)商過程進(jìn)行加密？密碼學(xué)領(lǐng)域中拯刁，有一種稱為“非對(duì)稱加密”的加密算法脊岳，特點(diǎn)是私鑰加密后的密文，只要是公鑰垛玻，都可以解密割捅，但是公鑰加密后的密文，只有私鑰可以解密帚桩。私鑰只有一個(gè)人有亿驾，而公鑰可以發(fā)給所有的人。
雖然服務(wù)器端向A账嚎、B……的方向還是不安全的莫瞬，但是至少A、B向服務(wù)器端方向是安全的醉锄。
好了乏悄，如何協(xié)商加密算法的問題，我們解決了：使用非對(duì)稱加密算法進(jìn)行對(duì)稱加密算法協(xié)商過程恳不。
這下檩小，你明白為什么HTTPS同時(shí)需要對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法了吧？
協(xié)商什么加密算法
要達(dá)到Web服務(wù)器針對(duì)每個(gè)客戶端使用不同的對(duì)稱加密算法烟勋，同時(shí)规求，我們也不能讓第三者知道這個(gè)對(duì)稱加密算法是什么，怎么辦卵惦？
使用隨機(jī)數(shù)阻肿，就是使用隨機(jī)數(shù)來生成對(duì)稱加密算法。這樣就可以做到服務(wù)器和客戶端每次交互都是新的加密算法沮尿、只有在交互的那一該才確定加密算法丛塌。
這下，你明白為什么HTTPS協(xié)議握手階段會(huì)有這么多的隨機(jī)數(shù)了吧畜疾。
如何得到公鑰赴邻？
細(xì)心的人可能已經(jīng)注意到了如果使用非對(duì)稱加密算法，我們的客戶端A啡捶，B需要一開始就持有公鑰姥敛，要不沒法開展加密行為啊。
這下瞎暑，我們又遇到新問題了彤敛，如何讓A与帆、B客戶端安全地得到公鑰？
我能想到的方案只有這些：
方案1. 服務(wù)器端將公鑰發(fā)送給每一個(gè)客戶端
方案2. 服務(wù)器端將公鑰放到一個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器墨榄，客戶端可以請(qǐng)求得到
我們選擇方案1玄糟，因?yàn)榉桨?又多了一次請(qǐng)求，還要另外處理公鑰的放置問題渠概。
公鑰被調(diào)包了怎么辦茶凳？又是一個(gè)雞生蛋蛋生雞問題嫂拴？
但是方案1有個(gè)問題：如果服務(wù)器端發(fā)送公鑰給客戶端時(shí)播揪，被中間人調(diào)包了，怎么辦筒狠？
我畫了張圖方便理解：
顯然猪狈，讓每個(gè)客戶端的每個(gè)瀏覽器默認(rèn)保存所有網(wǎng)站的公鑰是不現(xiàn)實(shí)的。
使用第三方機(jī)構(gòu)的公鑰解決雞生蛋蛋生雞問題
公鑰被調(diào)包的問題出現(xiàn)辩恼，是因?yàn)槲覀兊目蛻舳藷o法分辨返回公鑰的人到底是中間人雇庙，還是真的服務(wù)器。這其實(shí)就是密碼學(xué)中提的身份驗(yàn)證問題灶伊。
如果讓你來解決疆前，你怎么解決？如果你了解過HTTPS聘萨，會(huì)知道使用數(shù)字證書來解決竹椒。但是你想過證書的本質(zhì)是什么么？請(qǐng)放下你對(duì)HTTPS已有的知識(shí)米辐，自己嘗試找到解決方案胸完。
我是這樣解決的。既然服務(wù)器需要將公鑰傳給客戶端翘贮，這個(gè)過程本身是不安全赊窥，那么我們?yōu)槭裁床粚?duì)這個(gè)過程本身再加密一次？可是狸页，你是使用對(duì)稱加密锨能，還是非對(duì)稱加密？這下好了芍耘，我感覺又進(jìn)了雞生蛋蛋生雞問題了址遇。
問題的難點(diǎn)是如果我們選擇直接將公鑰傳遞給客戶端的方案，我們始終無法解決公鑰傳遞被中間人調(diào)包的問題齿穗。
所以傲隶，我們不能直接將服務(wù)器的公鑰傳遞給客戶端，而是第三方機(jī)構(gòu)使用它的私鑰對(duì)我們的公鑰進(jìn)行加密后窃页，再傳給客戶端跺株「幢簦客戶端再使用第三方機(jī)構(gòu)的公鑰進(jìn)行解密。
下圖就是我們?cè)O(shè)計(jì)的第一版“數(shù)字證書”乒省，證書中只有服務(wù)器交給第三方機(jī)構(gòu)的公鑰巧颈，而且這個(gè)公鑰被第三方機(jī)構(gòu)的私鑰加密了：
如果能解密，就說明這個(gè)公鑰沒有被中間人調(diào)包袖扛。因?yàn)槿绻虚g人使用自己的私鑰加密后的東西傳給客戶端砸泛，客戶端是無法使用第三方的公鑰進(jìn)行解密的。
話到此蛆封，我以為解決問題了唇礁。但是現(xiàn)實(shí)中HTTPS，還有一個(gè)數(shù)字簽名的概念惨篱，我沒法理解它的設(shè)計(jì)理由盏筐。
原來，我漏掉了一個(gè)場(chǎng)景：第三方機(jī)構(gòu)不可能只給你一家公司制作證書砸讳，它也可能會(huì)給中間人這樣有壞心思的公司發(fā)放證書琢融。這樣的，中間人就有機(jī)會(huì)對(duì)你的證書進(jìn)行調(diào)包簿寂，客戶端在這種情況下是無法分辨出是接收的是你的證書漾抬，還是中間人的。因?yàn)椴徽撝虚g人常遂，還是你的證書纳令，都能使用第三方機(jī)構(gòu)的公鑰進(jìn)行解密。像下面這樣：
第三方機(jī)構(gòu)向多家公司頒發(fā)證書的情況：
客戶端能解密同一家第三機(jī)構(gòu)頒發(fā)的所有證書：
最終導(dǎo)致其它持有同一家第三方機(jī)構(gòu)證書的中間人可以進(jìn)行調(diào)包：
數(shù)字簽名烈钞，解決同一機(jī)構(gòu)頒發(fā)的不同證書被篡改問題
要解決這個(gè)問題泊碑，我們首先要想清楚一個(gè)問題，辨別同一機(jī)構(gòu)下不同證書的這個(gè)職責(zé)毯欣，我們應(yīng)該放在哪馒过？
只能放到客戶端了。意思是酗钞，客戶端在拿到證書后腹忽，自己就有能力分辨證書是否被篡改了。如何才能有這個(gè)能力呢砚作？
我們從現(xiàn)實(shí)中找靈感窘奏。比如你是HR，你手上拿到候選人的學(xué)歷證書葫录，證書上寫了持證人着裹，頒發(fā)機(jī)構(gòu)，頒發(fā)時(shí)間等等米同，同時(shí)證書上骇扇，還寫有一個(gè)最重要的：證書編號(hào)摔竿！我們?cè)趺磋b別這張證書是的真?zhèn)文兀恐灰弥@個(gè)證書編號(hào)上相關(guān)機(jī)構(gòu)去查少孝，如果證書上的持證人與現(xiàn)實(shí)的這個(gè)候選人一致继低，同時(shí)證書編號(hào)也能對(duì)應(yīng)上，那么就說明這個(gè)證書是真實(shí)的稍走。
我們的客戶端能不能采用這個(gè)機(jī)制呢袁翁？像這樣：
可是，這個(gè)“第三方機(jī)構(gòu)”到底是在哪呢婿脸？是一個(gè)遠(yuǎn)端服務(wù)粱胜？不可能吧？如果是個(gè)遠(yuǎn)端服務(wù)盖淡，整個(gè)交互都會(huì)慢了年柠。所以，這個(gè)第三方機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證功能只能放在客戶端的本地了褪迟。
客戶端本地怎么驗(yàn)證證書呢？
客戶端本地怎么驗(yàn)證證書呢答憔？答案是證書本身就已經(jīng)告訴客戶端怎么驗(yàn)證證書的真?zhèn)巍?br> 也就是證書上寫著如何根據(jù)證書的內(nèi)容生成證書編號(hào)味赃。客戶端拿到證書后根據(jù)證書上的方法自己生成一個(gè)證書編號(hào)虐拓，如果生成的證書編號(hào)與證書上的證書編號(hào)相同心俗，那么說明這個(gè)證書是真實(shí)的。
同時(shí)蓉驹，為避免證書編號(hào)本身又被調(diào)包城榛，所以使用第三方的私鑰進(jìn)行加密。
這地方有些抽象态兴，我們來個(gè)圖幫助理解：
證書的制作如圖所示狠持。證書中的“編號(hào)生成方法MD5”就是告訴客戶端：你使用MD5對(duì)證書的內(nèi)容求值就可以得到一個(gè)證書編號(hào)。
當(dāng)客戶端拿到證書后瞻润，開始對(duì)證書中的內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證喘垂，如果客戶端計(jì)算出來的證書編號(hào)與證書中的證書編號(hào)相同，則驗(yàn)證通過：
但是第三方機(jī)構(gòu)的公鑰怎么跑到了客戶端的機(jī)器中呢绍撞？世界上這么多機(jī)器正勒。
其實(shí)呢，現(xiàn)實(shí)中傻铣，瀏覽器和操作系統(tǒng)都會(huì)維護(hù)一個(gè)權(quán)威的第三方機(jī)構(gòu)列表（包括它們的公鑰）章贞。因?yàn)榭蛻舳私邮盏降淖C書中會(huì)寫有頒發(fā)機(jī)構(gòu)，客戶端就根據(jù)這個(gè)頒發(fā)機(jī)構(gòu)的值在本地找相應(yīng)的公鑰非洲。
題外話：如果瀏覽器和操作系統(tǒng)這道防線被破了鸭限，就沒辦法就谜。想想當(dāng)年自己裝過的非常規(guī)XP系統(tǒng)，都害怕里覆。
說到這里丧荐，想必大家已經(jīng)知道上文所說的，證書就是HTTPS中數(shù)字證書喧枷，證書編號(hào)就是數(shù)字簽名虹统，而第三方機(jī)構(gòu)就是指數(shù)字證書簽發(fā)機(jī)構(gòu)（CA）。
CA如何頒發(fā)數(shù)字證書給服務(wù)器端的隧甚？
當(dāng)我聽到這個(gè)問題時(shí)车荔，我誤以為，我們的SERVER需要發(fā)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求到CA部門的服務(wù)器來拿這個(gè)證書戚扳。?? 到底是我理解能力問題忧便，還是。帽借。
其實(shí)珠增，問題應(yīng)該是CA如何頒發(fā)給我們的網(wǎng)站管理員，而我們的管理員又如何將這個(gè)數(shù)字證書放到我們的服務(wù)器上砍艾。
拿到證書后脆荷，我們就可以將證書配置到自己的服務(wù)器上了凝垛。那么如何配置？這是具體細(xì)節(jié)了蜓谋，留給大家google了梦皮。
也許我們需要整理一下思路
我們通過推算的方式嘗試還原HTTPS的設(shè)計(jì)過程。這樣桃焕，我們也就明白了為什么HTTPS比HTTP多那么多次的交互剑肯，為什么HTTPS的性能會(huì)差，以及找到HTTPS的性能優(yōu)化點(diǎn)覆旭。
而上面一大堆工作都是為了讓客戶端與服務(wù)器端安全地協(xié)商出一個(gè)對(duì)稱加密算法退子。這就是HTTPS中的SSL/TLS協(xié)議主要干的活。剩下的就是通信時(shí)雙方使用這個(gè)對(duì)稱加密算法進(jìn)行加密解密型将。
總結(jié)：
HTTPS的協(xié)議組成：HTTP協(xié)議和SSL/TLS協(xié)議寂祥。HTTP協(xié)議就不用講了，而SSL/TLS就是負(fù)責(zé)加密解密等安全處理的模塊七兜，所以HTTPS的核心在SSL/TLS上面丸凭。整個(gè)通信如下：
1、瀏覽器發(fā)起往服務(wù)器的443端口發(fā)起請(qǐng)求，請(qǐng)求攜帶了瀏覽器支持的加密算法和哈希算法惜犀。
2铛碑、服務(wù)器收到請(qǐng)求，選擇瀏覽器支持的加密算法和哈希算法虽界。
3汽烦、服務(wù)器下將數(shù)字證書返回給瀏覽器，這里的數(shù)字證書可以是向某個(gè)可靠機(jī)構(gòu)申請(qǐng)的莉御，也可以是自制的撇吞。
4、瀏覽器進(jìn)入數(shù)字證書認(rèn)證環(huán)節(jié)礁叔，這一部分是瀏覽器內(nèi)置的TLS完成的：
4.1 首先瀏覽器會(huì)從內(nèi)置的證書列表中索引牍颈，找到服務(wù)器下發(fā)證書對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)，如果沒有找到琅关，此時(shí)就會(huì)提示用戶該證書是不是由權(quán)威機(jī)構(gòu)頒發(fā)煮岁，是不可信任的。如果查到了對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)涣易，則取出該機(jī)構(gòu)頒發(fā)的公鑰画机。
4.2 用機(jī)構(gòu)的證書公鑰解密得到證書的內(nèi)容和證書簽名，內(nèi)容包括網(wǎng)站的網(wǎng)址都毒、網(wǎng)站的公鑰色罚、證書的有效期等。瀏覽器會(huì)先驗(yàn)證證書簽名的合法性账劲。簽名通過后，瀏覽器驗(yàn)證證書記錄的網(wǎng)址是否和當(dāng)前網(wǎng)址是一致的金抡，不一致會(huì)提示用戶瀑焦。如果網(wǎng)址一致會(huì)檢查證書有效期，證書過期了也會(huì)提示用戶梗肝。這些都通過認(rèn)證時(shí)榛瓮，瀏覽器就可以安全使用證書中的網(wǎng)站公鑰了。
4.3 瀏覽器生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)R侵俗，并使用網(wǎng)站公鑰對(duì)R進(jìn)行加密冻河。
5贞间、瀏覽器將加密的R傳送給服務(wù)器。
6粹懒、服務(wù)器用自己的私鑰解密得到R。
7顷级、服務(wù)器以R為密鑰使用了對(duì)稱加密算法加密網(wǎng)頁內(nèi)容并傳輸給瀏覽器凫乖。
8、瀏覽器以R為密鑰使用之前約定好的解密算法獲取網(wǎng)頁內(nèi)容。
備注1：前5步其實(shí)就是HTTPS的握手過程帽芽，這個(gè)過程主要是認(rèn)證服務(wù)端證書（內(nèi)置的公鑰）的合法性删掀。因?yàn)榉菍?duì)稱加密計(jì)算量較大，整個(gè)通信過程只會(huì)用到一次非對(duì)稱加密算法（主要是用來保護(hù)傳輸客戶端生成的用于對(duì)稱加密的隨機(jī)數(shù)私鑰）导街。后續(xù)內(nèi)容的加解密都是通過一開始約定好的對(duì)稱加密算法進(jìn)行的披泪。
備注2：SSL/TLS是HTTPS安全性的核心模塊，TLS的前身是SSL搬瑰，TLS1.0就是SSL3.1款票，TLS1.1是SSL3.2，TLS1.2則是SSL3.3跌捆。 SSL/TLS是建立在TCP協(xié)議之上徽职，因而也是應(yīng)用層級(jí)別的協(xié)議。其包括TLS Record Protocol和TLS Handshaking Protocols兩個(gè)模塊佩厚，后者負(fù)責(zé)握手過程中的身份認(rèn)證姆钉，前者則保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的完整性和私密性。
