HTTPS协议

顾名思义，就是在HTTP（超文本传输协议）的基础上再加一层TLS（传输层安全性协议）或者SSL（安全套接层），说白了就是为了应付HTTP是明文传输的缺点，容易被中间人窃听或者篡改，导致隐私和信息安全出现问题的解决方案。
HTTPS - 图1

通信过程

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1. Client Hello

握手第一步是客户端向服务端发送 Client Hello 消息，这个消息里包含了一个客户端生成的随机数 Random1、客户端支持的加密套件（Support Ciphers）和 SSL Version 等信息。

2. Server Hello

第二步是服务端向客户端发送 Server Hello 消息，这个消息会从 Client Hello 传过来的 Support Ciphers 里确定一份加密套件，这个套件决定了后续加密和生成摘要时具体使用哪些算法，另外还会生成一份随机数 Random2。注意，至此客户端和服务端都拥有了两个随机数（Random1+ Random2），这两个随机数会在后续生成对称秘钥时用到。

3. Certificate

这一步是服务端将自己的证书下发给客户端，让客户端验证自己的身份，客户端验证通过后取出证书中的公钥。

4. Certificate Verify

客户端收到服务端传来的证书后，先从 CA 验证该证书的合法性，验证通过后取出证书中的服务端公钥，再生成一个随机数 Random3，再用服务端公钥非对称加密 Random3 生成 PreMaster Key。

5. Client Key Exchange

上面客户端根据服务器传来的公钥生成了 PreMaster Key，Client Key Exchange 就是将这个 key 传给服务端，服务端再用自己的私钥解出这个 PreMaster Key 得到客户端生成的 Random3。至此，客户端和服务端都拥有 Random1 + Random2 + Random3，两边再根据同样的算法就可以生成一份秘钥，握手结束后的应用层数据都是使用这个秘钥进行对称加密。

为什么要使用三个随机数呢？这是因为 SSL/TLS 握手过程的数据都是明文传输的，并且多个随机数种子来生成秘钥不容易被暴力破解出来。客户端将 PreMaster Key 传给服务端的过程如下图所示：

6. Encrypted Handshake Message(Client)

这一步对应的是 Client Finish 消息，客户端将前面的握手消息生成摘要再用协商好的秘钥加密，这是客户端发出的第一条加密消息。服务端接收后会用秘钥解密，能解出来说明前面协商出来的秘钥是一致的。

7. Change Cipher Spec(Server)

这一步是服务端通知客户端后面再发送的消息都会使用加密，也是一条事件消息。

8. Encrypted Handshake Message(Server)

这一步对应的是 Server Finish 消息，服务端也会将握手过程的消息生成摘要再用秘钥加密，这是服务端发出的第一条加密消息。客户端接收后会用秘钥解密，能解出来说明协商的秘钥是一致的。

9. Application Data

到这里，双方已安全地协商出了同一份秘钥，所有的应用层数据都会用这个秘钥加密后再通过 TCP 进行可靠传输。

传输过程

HTTPS - 图3

HTTPS传输过程最多会比HTTP多7个RTT

1）正常的TCP连接三次握手，这不必说
2）然后链接会跳转到HTTPS的网站，毕竟协议都不同，考虑到不可能人会把网址打全，所以还需要跳转一步。
3）又是TCP连接，这里需要又一步TCP连接是因为HTTPS的传输端口不同（这个是传输层的，http是80，https是443）。
4）完成加密套件的协商和证书的身份确认，这次交互客户端和服务端会协商出相同的密钥交换算法、对称加密算法、内容一致性校验算法、证书签名算法等等。浏览器获取到证书之后，也要验证证书的有效性，是否过期是否撤销。
5）浏览器获取CA域名，如果没有命中CA域名的缓存，还需要进行DNS解析，又需要多一次交互。
6）解析成功解析ip之后，需要和CA网站进行tcp三次握手。
7）这里OCSP请求，全称是Online Certificate Status Protocol，在线证书状态协议，顾名思义用来获取证书状态的请求，这里的状态包括有效、过期、未知。并且可以宽限一段客户端访问证书的时间。
8）主要进行密钥协商。

CA证书

  • CA是Certificate Authority的缩写，也叫“证书授权中心”。它是负责管理和签发证书的第三方机构，作用是检查证书持有者身份的合法性，并签发证书，以防证书被伪造或篡改。
  • CA 证书就是CA颁发的证书。 CA证书也就我们常说的数字证书，包含证书拥有者的身份信息，CA机构的签名，公钥和私钥。身份信息用于证明证书持有者的身份；CA签名用于保证身份的真实性；公钥和私钥用于通信过程中加解密，从而保证通讯信息的安全性。

CA证书内容

  • 颁发者
  • 使用者
  • 版本
  • 签名算法
  • 签名哈希算法
  • 使用者
  • 公钥
  • 指纹
  • 指纹算法

加密算法

加密算法主要有对称加密和非对称加密。

  • 对称密钥加密是指加密和解密使用同一个密钥的方式，这种方式存在的最大问题就是密钥发送问题，即如何安全地将密钥发给对方 ;
  • 非对称加密是指使用一对非对称密钥，即 公钥 和 私钥 ，公钥可以随意发布，但私钥只有自己知道。 发送密文的一方使用对方的公钥进行加密处理，对方接收到加密信息后，使用自己的私钥进行解密。 由于非对称加密的方式不需要发送用来解密的私钥，所以可以保证安全性 ；但是和对称加密比起来，它比较慢 ，

用对称加密来传送消息，但对称加密所使用的密钥我们可以通过非对称加密的方式发送出去。

对称加密算法

指加密和解密使用相同密钥的加密算法。对称加密算法用来对敏感数据等信息进行加密，常用的算法包括DES、3DES、AES、DESX、Blowfish、、RC4、RC5、RC6。

  • DES（Data Encryption Standard）：数据加密标准，速度较快，适用于加密大量数据的场合。
  • 3DES（Triple DES）：是基于DES，对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密，强度更高。
  • AES（Advanced Encryption Standard）：高级加密标准，是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别高；

HTTPS - 图4

非对称加密算法

指加密和解密使用不同密钥的加密算法，也称为公私钥加密。假设两个用户要加密交换数据，双方交换公钥，使用时一方用对方的公钥加密，另一方即可用自己的私钥解密。常见的非对称加密算法：RSA、DSA（数字签名用）、ECC（移动设备用）、Diffie-Hellman、El Gamal。

  • RSA：由 RSA 公司发明，是一个支持变长密钥的公共密钥算法，需要加密的文件块的长度也是可变的；
  • DSA（Digital Signature Algorithm）：数字签名算法，是一种标准的 DSS（数字签名标准）；
  • ECC（Elliptic Curves Cryptography）：椭圆曲线密码编码学。

ECC和RSA相比，在许多方面都有对绝对的优势，主要体现在以下方面：

  • 抗攻击性强。相同的密钥长度，其抗攻击性要强很多倍。
  • 计算量小，处理速度快。ECC总的速度比RSA、DSA要快得多。
  • 存储空间占用小。ECC的密钥尺寸和系统参数与RSA、DSA相比要小得多，意味着它所占的存贮空间小得多。这对于加密算法在IC卡上的应用具有特别重要的意义。
  • 带宽要求低。当对长消息进行加解密时，三类密码系统有相同的带宽要求，但应用于短消息时ECC带宽要求却低得多。带宽要求低使ECC在无线网络领域具有广泛的应用前景。

散列算法（Hash算法—-单向加密算法）

散列是信息的提炼，通常其长度要比信息小得多，且为一个固定长度。加密性强的散列一定是不可逆的，这就意味着通过散列结果，无法推出任何部分的原始信息。任何输入信息的变化，哪怕仅一位，都将导致散列结果的明显变化，这称之为雪崩效应。散列还应该是防冲突的，即找不出具有相同散列结果的两条信息。具有这些特性的散列结果就可以用于验证信息是否被修改。

Hash算法：特别的地方在于它是一种单向算法，用户可以通过Hash算法对目标信息生成一段特定长度的唯一的Hash值，却不能通过这个Hash值重新获得目标信息。因此Hash算法常用在不可还原的密码存储、信息完整性校验等。

单向散列函数一般用于产生消息摘要，密钥加密等，常见的Hash算法：MD2、MD4、MD5、HAVAL、SHA、SHA-1、HMAC、HMAC-MD5、HMAC-SHA1。

  • MD5（Message Digest Algorithm 5）：是RSA数据安全公司开发的一种单向散列算法，非可逆，相同的明文产生相同的密文。
  • SHA（Secure Hash Algorithm）：可以对任意长度的数据运算生成一个160位的数值；

SHA-1与MD5的比较
因为二者均由MD4导出，SHA-1和MD5彼此很相似。相应的，他们的强度和其他特性也是相似，但还有以下几点不同：

  • 对强行供给的安全性：最显著和最重要的区别是SHA-1摘要比MD5摘要长32 位。使用强行技术，产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对MD5是2^(128)数量级的操作，而对SHA-1则是2^(160)数量级的操作。这样，SHA-1对强行攻击有更大的强度。对密码分析的安全性：由于MD5的设计，易受密码分析的攻击，SHA-1显得不易受这样的攻击。
  • 速度：在相同的硬件上，SHA-1的运行速度比MD5慢。

加密算法的选择

  • 由于非对称加密算法的运行速度比对称加密算法的速度慢很多，当我们需要加密大量的数据时，建议采用对称加密算法，提高加解密速度。
  • 对称加密算法不能实现签名，因此签名只能非对称算法。
  • 由于对称加密算法的密钥管理是一个复杂的过程，密钥的管理直接决定着他的安全性，因此当数据量很小时，我们可以考虑采用非对称加密算法。
  • 在实际的操作过程中，我们通常采用的方式是：采用非对称加密算法管理对称算法的密钥，然后用对称加密算法加密数据，这样我们就集成了两类加密算法的优点，既实现了加密速度快的优点，又实现了安全方便管理密钥的优点。

参考博客：
HTTPS加密（握手）过程
HTTPS 详解一：附带最精美详尽的 HTTPS 原理图