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 本文嘗試一步步還原HTTPS的設(shè)計(jì)過程，以理解為什么HTTPS最終會(huì)是這副模樣。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)，你可以嘗試放下已有的對(duì)HTTPS的理解，這樣更利于“還原”過程。

我們先不了聊HTTP，HTTPS，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，本文只考慮安全性問題，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，也無法得知消息的內(nèi)容。

如何做到真正安全

這個(gè)問題，很多人馬上就想到了各種加密算法，什么對(duì)稱加密、非對(duì)稱加密、DES、RSA、XX、噼里啪啦~

而我想說，加密算法只是解決方案，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，有且只有A和B有能力看到通信的真正內(nèi)容。好，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，很容易就想到了對(duì)消息進(jìn)行加密。

題外話，但是只有這一種方法嗎?我看未必，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。

對(duì)于A與B這樣的簡(jiǎn)單通信模型，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。具體細(xì)節(jié)不是本文范疇。

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，我們就解決了我們一開始所定問題域了。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，在WWW環(huán)境下，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。那怎么辦呢?即能使用對(duì)稱加密算法，又不公開密鑰?請(qǐng)讀者思考21秒鐘。

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：

但是，你協(xié)商的過程是沒有加密的，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，那你對(duì)協(xié)商過程加密的加密還是沒有加密，怎么辦?再加密不就好了……好吧，進(jìn)行雞生蛋蛋生雞的問題了。

如何對(duì)協(xié)商過程加密

新問題來了，如何對(duì)協(xié)商過程進(jìn)行加密?密碼學(xué)領(lǐng)域中，有一種稱為“非對(duì)稱加密”的加密算法，特點(diǎn)是私鑰加密后的密文，只要是公鑰，都可以解密，但是公鑰加密后的密文，只有私鑰可以解密。私鑰只有一個(gè)人有，而公鑰可以發(fā)給所有的人。

雖然服務(wù)器端向A、B……的方向還是不安全的，但是至少A、B向服務(wù)器端方向是安全的。好了，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。

這下，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，同時(shí)，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?

使用隨機(jī)數(shù)，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、只有在交互的那一刻才確定加密算法。

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。

如何得到公鑰

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，B需要一開始就持有公鑰，要不沒法開展加密行為啊。這下，我們又遇到新問題了：如何讓A、B客戶端安全地得到公鑰?

我能想到的方案只有這些：

1：服務(wù)器端將公鑰發(fā)送給每一個(gè)客戶端

2：服務(wù)器端將公鑰放到一個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器，客戶端可以請(qǐng)求得到

我們選擇方案1，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。公鑰被調(diào)包了怎么辦?又是一個(gè)雞生蛋蛋生雞問題?

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)，被中間人調(diào)包了，怎么辦?

我畫了張圖方便理解：

顯然，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)，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，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。

如果讓你來解決，你怎么解決?如果你了解過HTTPS，會(huì)知道使用數(shù)字證書來解決。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)，自己嘗試找到解決方案。

我是這樣解決的。既然服務(wù)器需要將公鑰傳給客戶端，這個(gè)過程本身是不安全，那么我們?yōu)槭裁床粚?duì)這個(gè)過程本身再加密一次?可是，你是使用對(duì)稱加密，還是非對(duì)稱加密?這下好了，我感覺又進(jìn)了雞生蛋蛋生雞問題了。

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。

所以，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，再傳給客戶端。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”，證書中只有服務(wù)器交給第三方機(jī)構(gòu)的公鑰，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。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，客戶端是無法使用第三方的公鑰進(jìn)行解密的。

話到此，我以為解決問題了。但是現(xiàn)實(shí)中HTTPS，還有一個(gè)數(shù)字簽名的概念，我沒法理解它的設(shè)計(jì)理由。

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，它也可能會(huì)給中間人這樣有壞心思的公司發(fā)放證書。這樣的，中間人就有機(jī)會(huì)對(duì)你的證書進(jìn)行調(diào)包，客戶端在這種情況下是無法分辨出是接收的是你的證書，還是中間人的。因?yàn)椴徽撝虚g人，還是你的證書，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

要解決這個(gè)問題，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)，我們應(yīng)該放在哪?

只能放到客戶端了。意思是，客戶端在拿到證書后，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?

我們從現(xiàn)實(shí)中找靈感。比如你是HR，你手上拿到候選人的學(xué)歷證書，證書上寫了持證人，頒發(fā)機(jī)構(gòu)，頒發(fā)時(shí)間等等，同時(shí)證書上，還寫有一個(gè)最重要的：證書編號(hào)!我們?cè)趺磋b別這張證書是的真?zhèn)文?只要拿著這個(gè)證書編號(hào)上相關(guān)機(jī)構(gòu)去查，如果證書上的持證人與現(xiàn)實(shí)的這個(gè)候選人一致，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。

我們的客戶端能不能采用這個(gè)機(jī)制呢?像這樣：

可是，這個(gè)“第三方機(jī)構(gòu)”到底是在哪呢?是一個(gè)遠(yuǎn)端服務(wù)?不可能吧?如果是個(gè)遠(yuǎn)端服務(wù)，整個(gè)交互都會(huì)慢了。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。

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?/p>

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)。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)，如果生成的證書編號(hào)與證書上的證書編號(hào)相同，那么說明這個(gè)證書是真實(shí)的。

同時(shí)，為避免證書編號(hào)本身又被調(diào)包，所以使用第三方的私鑰進(jìn)行加密。這地方有些抽象，我們來個(gè)圖幫助理解：證書的制作如圖所示。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，開始對(duì)證書中的內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，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?世界上這么多機(jī)器。

其實(shí)呢，現(xiàn)實(shí)中，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)。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。

說到這里，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，證書編號(hào)就是數(shù)字簽名，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

當(dāng)我聽到這個(gè)問題時(shí)，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。到底是我理解能力問題，還是。。

其實(shí)，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。

我們?nèi)绾蜗駽A申請(qǐng)呢?每個(gè)CA機(jī)構(gòu)都大同小異，我在網(wǎng)上找了一個(gè)：

拿到證書后，我們就可以將證書配置到自己的服務(wù)器上了。那么如何配置?這是具體細(xì)節(jié)了，留給大家google了。

也許我們需要整理下思路

我們通過推算的方式嘗試還原HTTPS的設(shè)計(jì)過程。這樣，我們也就明白了為什么HTTPS比HTTP多那么多次的交互，為什么HTTPS的性能會(huì)差，以及找到HTTPS的性能優(yōu)化點(diǎn)。

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。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。

以下是一張HTTPS協(xié)議的真實(shí)交互圖(從網(wǎng)上copy的，忘了從哪了，如果侵權(quán)麻煩告知)：

能不能用一句話總結(jié)HTTPS?答案是不能，因?yàn)镠TTPS本身實(shí)在太復(fù)雜。但是我還是嘗試使用一段話來總結(jié)HTTPS:HTTPS要使客戶端與服務(wù)器端的通信過程得到安全保證，必須使用對(duì)稱加密算法，但是協(xié)商對(duì)稱加密算法的過程，需要使用非對(duì)稱加密算法來保證安全，然而直接使用非對(duì)稱加密的過程本身也不安全，會(huì)有中間人篡改公鑰的可能性，所以客戶端與服務(wù)器不直接使用公鑰，而是使用數(shù)字證書簽發(fā)機(jī)構(gòu)頒發(fā)的證書來保證非對(duì)稱加密過程本身的安全。這樣通過這些機(jī)制協(xié)商出一個(gè)對(duì)稱加密算法，就此雙方使用該算法進(jìn)行加密解密。從而解決了客戶端與服務(wù)器端之間的通信安全問題。