作為一個(gè)有追求的程序員，了解行業(yè)發(fā)展趨勢和擴(kuò)充自己的計(jì)算機(jī)知識儲備都是很有必要的，特別是一些計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)方面的內(nèi)容，就比如本篇文章要講的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面的知識。本文將為大家詳細(xì)梳理一下 HTTPS 的實(shí)現(xiàn)原理。

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圖片來自 Pexels

近年來，隨著用戶和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)安全意識的提高和 HTTPS 成本的下降，HTTPS 已經(jīng)越來越普及。

很多互聯(lián)網(wǎng)巨頭也在力推 HTTPS，比如：

• 谷歌的 Chrome 瀏覽器在訪問 HTTP 網(wǎng)站時(shí)會在地址欄顯示不安全的提醒。
• 微信要求所有的小程序必須使用 HTTPS 傳輸協(xié)議。
• 蘋果也要求所有在 App Store 上架的應(yīng)用必須采用 HTTPS 。

國內(nèi)外的大部分主流網(wǎng)站也都已遷移至 HTTPS，可見 HTTPS 全面取代 HTTP 只是時(shí)間問題。

說了這么多，究竟什么是 HTTPS?它與 HTTP 相比有什么優(yōu)缺點(diǎn)?其底層實(shí)現(xiàn)原理又是怎樣的呢?下面就為你一一解答，先來看一下 HTTP 的弊端吧。

HTTP 的最大弊端：不安全

HTTP 之所以被 HTTPS 取代，最大的原因就是不安全，至于為什么不安全，看了下面這張圖就一目了然了。

HTTP 數(shù)據(jù)傳輸過程

由圖可見，HTTP 在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，所有的數(shù)據(jù)都是明文傳輸，自然沒有安全性可言，特別是一些敏感數(shù)據(jù)，比如用戶密碼和信用卡信息等，一旦被第三方獲取，后果不堪設(shè)想。

這里可能有人會說，我在前端頁面對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密不就行了，比如 MD5 加鹽加密。

這么想就太簡單了。首先 MD5 并不是加密算法，其全稱是 Message Digest Algorithm MD5，意為信息摘要算法，是一種不可逆的哈希算法，也就是說經(jīng)過前端 MD5 處理過的數(shù)據(jù)在服務(wù)器端是無法復(fù)原的。

這里以密碼舉例，前端把用戶密碼通過 MD5 進(jìn)行處理，并把得到的哈希值發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器由于無法復(fù)原密碼，就會直接用這個(gè)哈希值處理用戶請求。

所以第三方在獲取這個(gè)哈希值后，可以繞過前端登錄頁面直接訪問服務(wù)器，造成安全問題。

另外，MD5 算法本身的安全性也存在缺陷，這里就不展開談了?？傊?MD5，SHA-1 之類的哈希算法并不能讓 HTTP 變得更安全。

要想讓 HTTP 更安全，只能使用真正的加密算法，因?yàn)榧用芩惴梢杂妹荑€加密或還原數(shù)據(jù)，只要確保密鑰不被第三方獲取，那就能確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩恕?/p>

而這正是 HTTPS 的解決方案，那下面就來了解一下加密算法吧。

加密算法

HTTPS 解決數(shù)據(jù)傳輸安全問題的方案就是使用加密算法，具體來說是混合加密算法，也就是對稱加密和非對稱加密的混合使用，這里有必要先了解一下這兩種加密算法的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)。

對稱加密

對稱加密，顧名思義就是加密和解密都是使用同一個(gè)密鑰，常見的對稱加密算法有 DES、3DES 和 AES 等。

其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：算法公開、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高，適合加密比較大的數(shù)據(jù)。

缺點(diǎn)：交易雙方需要使用相同的密鑰，也就無法避免密鑰的傳輸，而密鑰在傳輸過程中無法保證不被截獲，因此對稱加密的安全性得不到保證。

每對用戶每次使用對稱加密算法時(shí)，都需要使用其他人不知道的惟一密鑰，這會使得發(fā)收信雙方所擁有的鑰匙數(shù)量急劇增長，密鑰管理成為雙方的負(fù)擔(dān)。

對稱加密算法在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上使用較為困難，主要是因?yàn)槊荑€管理困難，使用成本較高。

本文不對具體的加密算法做詳細(xì)介紹，如果直接將對稱加密算法用在 HTTP 中，會是下面的效果：

對稱加密數(shù)據(jù)傳輸過程

從圖中可以看出，被加密的數(shù)據(jù)在傳輸過程中是無規(guī)則的亂碼，即便被第三方截獲，在沒有密鑰的情況下也無法解密數(shù)據(jù)，也就保證了數(shù)據(jù)的安全。

但是有一個(gè)致命的問題，那就是既然雙方要使用相同的密鑰，那就必然要在傳輸數(shù)據(jù)之前先由一方把密鑰傳給另一方，那么在此過程中密鑰就很有可能被截獲，這樣一來加密的數(shù)據(jù)也會被輕松解密。

那如何確保密鑰在傳輸過程中的安全呢?這就要用到非對稱加密了。

非對稱加密

非對稱加密，顧名思義，就是加密和解密需要使用兩個(gè)不同的密鑰：公鑰(public key)和私鑰(private key)。

公鑰與私鑰是一對，如果用公鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，只有用對應(yīng)的私鑰才能解密;如果用私鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，那么只有用對應(yīng)的公鑰才能解密。

非對稱加密算法實(shí)現(xiàn)機(jī)密信息交換的基本過程是：甲方生成一對密鑰并將其中的一把作為公鑰對外公開;得到該公鑰的乙方使用公鑰對機(jī)密信息進(jìn)行加密后再發(fā)送給甲方;甲方再用自己保存的私鑰對加密后的信息進(jìn)行解密。

如果對公鑰和私鑰不太理解，可以想象成一把鑰匙和一個(gè)鎖頭，只是全世界只有你一個(gè)人有這把鑰匙，你可以把鎖頭給別人。

別人可以用這個(gè)鎖把重要的東西鎖起來，然后發(fā)給你，因?yàn)橹挥心阋粋€(gè)人有這把鑰匙，所以只有你才能看到被這把鎖鎖起來的東西。

常用的非對稱加密算法是 RSA 算法，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

• 優(yōu)點(diǎn)：算法公開，加密和解密使用不同的鑰匙，私鑰不需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，安全性很高。
• 缺點(diǎn)：計(jì)算量比較大，加密和解密速度相比對稱加密慢很多。

由于非對稱加密的強(qiáng)安全性，可以用它完美解決對稱加密的密鑰泄露問題，效果圖如下：

客戶端通過非對稱加密把密鑰 KEY 發(fā)送給服務(wù)器

在上述過程中，客戶端在拿到服務(wù)器的公鑰后，會生成一個(gè)隨機(jī)碼(用 KEY 表示，這個(gè) KEY 就是后續(xù)雙方用于對稱加密的密鑰)，然后客戶端使用公鑰把 KEY 加密后再發(fā)送給服務(wù)器。

服務(wù)器使用私鑰將其解密，這樣雙方就有了同一個(gè)密鑰 KEY，然后雙方再使用 KEY 進(jìn)行對稱加密交互數(shù)據(jù)。

在非對稱加密傳輸 KEY 的過程中，即便第三方獲取了公鑰和加密后的 KEY，在沒有私鑰的情況下也無法破解 KEY(私鑰存在服務(wù)器，泄露風(fēng)險(xiǎn)極小)，也就保證了接下來對稱加密的數(shù)據(jù)安全。

而上面這個(gè)流程圖正是 HTTPS 的雛形，HTTPS 正好綜合了這兩種加密算法的優(yōu)點(diǎn)，不僅保證了通信安全，還保證了數(shù)據(jù)傳輸效率。

HTTPS 原理詳解

先看一下維基百科對 HTTPS 的定義：

Hypertext Transfer Protocol Secure (HTTPS) is an extension of the Hypertext Transfer Protocol (HTTP). It is used for secure communication over a computer network, and is widely used on the Internet. In HTTPS, the communication protocol is encrypted using Transport Layer Security (TLS) or, formerly, its predecessor, Secure Sockets Layer (SSL). The protocol is therefore also often referred to as HTTP over TLS, or HTTP over SSL.

HTTPS(Hypertext Transfer Protocol Secure)是基于 HTTP 的擴(kuò)展，用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全通信，已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用。

在 HTTPS 中，原有的 HTTP 協(xié)議會得到 TLS(安全傳輸層協(xié)議)或其前輩 SSL(安全套接層)的加密。因此 HTTPS 也常指 HTTP over TLS 或 HTTP over SSL。

可見 HTTPS 并非獨(dú)立的通信協(xié)議，而是對 HTTP 的擴(kuò)展，保證了通信安全，二者關(guān)系如下：

HTTP 和 HTTPS 的關(guān)系

也就是說 HTTPS=HTTP+SSL / TLS。

接下來就是最重要的 HTTPS 原理解析了，老規(guī)矩先上圖：

HTTPS 加密、解密、驗(yàn)證及數(shù)據(jù)傳輸過程

看上去眼花繚亂，不要怕，且聽我細(xì)細(xì)道來。HTTPS 的整個(gè)通信過程可以分為兩大階段：證書驗(yàn)證和數(shù)據(jù)傳輸階段，數(shù)據(jù)傳輸階段又可以分為非對稱加密和對稱加密兩個(gè)階段。

具體流程按圖中的序號講解：

①客戶端請求 HTTPS 網(wǎng)址，然后連接到 server 的 443 端口(HTTPS 默認(rèn)端口，類似于 HTTP 的 80 端口)。

②采用 HTTPS 協(xié)議的服務(wù)器必須要有一套數(shù)字 CA(Certification Authority)證書，證書是需要申請的，并由專門的數(shù)字證書認(rèn)證機(jī)構(gòu)(CA)通過非常嚴(yán)格的審核之后頒發(fā)的電子證書(當(dāng)然了是要錢的，安全級別越高價(jià)格越貴)。

頒發(fā)證書的同時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)私鑰和公鑰。私鑰由服務(wù)端自己保存，不可泄漏。公鑰則是附帶在證書的信息中，可以公開的。

證書本身也附帶一個(gè)證書電子簽名，這個(gè)簽名用來驗(yàn)證證書的完整性和真實(shí)性，可以防止證書被篡改。

③服務(wù)器響應(yīng)客戶端請求，將證書傳遞給客戶端，證書包含公鑰和大量其他信息，比如證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)信息，公司信息和證書有效期等。

Chrome 瀏覽器點(diǎn)擊地址欄的鎖標(biāo)志再點(diǎn)擊證書就可以看到證書詳細(xì)信息。

B 站 CA 證書

④客戶端解析證書并對其進(jìn)行驗(yàn)證。如果證書不是可信機(jī)構(gòu)頒布，或者證書中的域名與實(shí)際域名不一致，或者證書已經(jīng)過期，就會向訪問者顯示一個(gè)警告，由其選擇是否還要繼續(xù)通信。

就像下面這樣：

瀏覽器安全警告

如果證書沒有問題，客戶端就會從服務(wù)器證書中取出服務(wù)器的公鑰 A。然后客戶端還會生成一個(gè)隨機(jī)碼 KEY，并使用公鑰 A 將其加密。

⑤客戶端把加密后的隨機(jī)碼 KEY 發(fā)送給服務(wù)器，作為后面對稱加密的密鑰。

⑥服務(wù)器在收到隨機(jī)碼 KEY 之后會使用私鑰 B 將其解密。經(jīng)過以上這些步驟，客戶端和服務(wù)器終于建立了安全連接，完美解決了對稱加密的密鑰泄露問題，接下來就可以用對稱加密愉快地進(jìn)行通信了。

⑦服務(wù)器使用密鑰(隨機(jī)碼 KEY)對數(shù)據(jù)進(jìn)行對稱加密并發(fā)送給客戶端，客戶端使用相同的密鑰(隨機(jī)碼 KEY)解密數(shù)據(jù)。

⑧雙方使用對稱加密愉快地傳輸所有數(shù)據(jù)。

好了，以上就是 HTTPS 的原理詳解了，如此精美的圖搭配這么詳細(xì)的過程解析，你再搞不懂就說不過去了吧哈哈。

總結(jié)

再來總結(jié)一下 HTTPS 和 HTTP 的區(qū)別以及 HTTPS 的缺點(diǎn)吧。

HTTPS 和 HTTP 的區(qū)別：

• 最最重要的區(qū)別就是安全性，HTTP 明文傳輸，不對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密安全性較差。HTTPS (HTTP+SSL/TLS)的數(shù)據(jù)傳輸過程是加密的，安全性較好。
• 使用 HTTPS 協(xié)議需要申請 CA 證書，一般免費(fèi)證書較少，因而需要一定費(fèi)用。證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)如：Symantec、Comodo、DigiCert 和 GlobalSign 等。
• HTTP 頁面響應(yīng)速度比 HTTPS 快，這個(gè)很好理解，由于加了一層安全層，建立連接的過程更復(fù)雜，也要交換更多的數(shù)據(jù)，難免影響速度。
• 由于 HTTPS 是建構(gòu)在 SSL / TLS 之上的 HTTP 協(xié)議，所以，要比 HTTP 更耗費(fèi)服務(wù)器資源。
• HTTPS 和 HTTP 使用的是完全不同的連接方式，用的端口也不一樣，前者是 443，后者是 80。

HTTPS 的缺點(diǎn)：

• 在相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，HTTPS 相比 HTTP 無論是響應(yīng)時(shí)間還是耗電量都有大幅度上升。
• HTTPS 的安全是有范圍的，在黑客攻擊、服務(wù)器劫持等情況下幾乎起不到作用。
• 在現(xiàn)有的證書機(jī)制下，中間人攻擊依然有可能發(fā)生。
• HTTPS 需要更多的服務(wù)器資源，也會導(dǎo)致成本的升高。

作者：IamHYN

編輯：陶家龍

出處：https://segmentfault.com/a/1190000021494676