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前言

本人平时学习及收集内容，欢迎参入一起讨论。

关于作者

一个工作八年的草根程序员。

内容

一、什么是 HTTPS

HTTPS 并非是应用层的一种新协议。只是 HTTP 通信接口部分用 SSL(Secure Socket Layer)和 TLS 协议代替而已。

简单理解就是 https=http+加密+认证+完整性保护

如下图所示：

SSL 与 TLS 介绍

  • SSL（Secure Socket Layer，安全套接字层）：1994 年为 Netscape 所研发，SSL 协议位于 TCP/IP 协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。

  • TLS（Transport Layer Security，传输层安全）：其前身是 SSL，它最初的几个版本（SSL 1.0、SSL 2.0、SSL 3.0）由网景公司开发，1999 年从 3.1 开始被 IETF 标准化并改名，发展至今已经有 TLS 1.0、TLS 1.1、TLS 1.2 三个版本。SSL3.0 和 TLS1.0 由于存在安全漏洞，已经很少被使用到。TLS 1.3 改动会比较大，目前还在草案阶段，目前使用最广泛的是 TLS 1.1、TLS 1.2。

二、为什么需要 https

HTTP 是明文传输的，也就意味着，介于发送端、接收端中间的任意节点都可以知道你们传输的内容是什么。这些节点可能是路由器、代理等。

HTTP 传输面临的风险有：

  • 窃听风险：黑客可以获知通信内容。
  • 篡改风险：黑客可以修改通信内容。
  • 冒充风险：黑客可以冒充他人身份参与通信。

三、加密方式

  • 对称加密
  • 非对称加密

3.1 对称加密

对称加密的意思就是，加密数据用的密钥，跟解密数据用的密钥是一样的。

对称加密的优点在于加密、解密效率通常比较高。缺点在于，数据发送方、数据接收方需要协商、共享同一把密钥，并确保密钥不泄露给其他人。此外，对于多个有数据交换需求的个体，两两之间需要分配并维护一把密钥，这个带来的成本基本是不可接受的。

3.2 非对称加密

非对称加密的意思就是，加密数据用的密钥（公钥），跟解密数据用的密钥（私钥）是不一样的。其实就是字面上的意思——公开的密钥，谁都可以查到。因此非对称加密也叫做公开密钥加密。相对应的，私钥就是非公开的密钥，一般是由网站的管理员持有。简单的说就是，通过公钥加密的数据，只能通过私钥解开。通过私钥加密的数据，只能通过公钥解开。

四、HTTPS 过程

  1. 客户端发送 HTTPS 请求给服务器端；
  2. 服务器端发送 CA 证书和公钥 PublicKey 给客户端,注意这个公钥用的是非对称密钥,只有服务器端才有 PublicKey 对应的 PrivateKey；
  3. 客户端生成一个会话的密钥 SessionKey,注意这个 SessionKey 是对称密钥,加密解密都是同一个秘钥；
  4. 客户端用公钥 PublicKey 来对会话秘钥 SessionKey 进行加密生成 EncryptKey 传递给服务器；
  5. 服务器端收到这个加密后的 EncryptKey 后用 PrivateKey 解密就可以得到这个 SessionKey 了；
  6. 服务器端收到这个加密后的 EncryptKey 需要回复一个确认消息给客户端；
  7. 客户端用这个 SessionKey 来对后续需要发送的 Message 来进行加密，就是 EncryptMessage，然后发送给服务器端；
  8. 服务器端收到这个 EncryptMessage 后就需要拿刚才解密的 SessionKey 来进行解密；就可以得到 Message 了；
  9. 服务器端根据客户端的请求来进行返回一系列的 Response 响应；

五、证书

  • 数字签名
  • CA
  • 证书的种类
  • ssl 证书的格式
  • ssl 证书内容
  • 如何辨别非法证书

5.1 数字签名

简单的来说，“摘要”就是对传输的内容，通过 hash 算法计算出一段固定长度的串。然后，在通过 CA 的私钥对这段摘要进行加密，加密后得到的结果就是“数字签名”。

明文 --> hash运算 --> 摘要 --> 私钥加密 --> 数字签名

5.2 CA

CA(Certificate Authority)，即证书认证机构，它的作用就是提供证书（即服务器证书，由域名、公司信息、序列号和签名信息组成）加强服务端和客户端之间信息交互的安全性，以及证书运维相关服务。任何个体/组织都可以扮演 CA 的角色，难的是你要能得到全世界各大操作系统、浏览器等的默认信任，能得到他们的默认信任，你也可以自己开一家 CA 公司了，这类证书通常叫做根证书。浏览器默认信任的 CA 大厂商有很多，比如 Symantec 赛门铁克、Comodo、Godaddy、GolbalSign(百度微博等都是它签发的) 和 Digicert。

  1. 证书的颁发：接收、验证用户(包括下级认证中心和最终用户)的数字证书的申请。可以受理或拒绝
  2. 证书的更新：认证中心可以定期更新所有用户的证书，或者根据用户的请求来更新用户的证书
  3. 证书的查询：查询当前用户证书申请处理过程；查询用户证书的颁发信息，这类查询由目录服务器 ldap 来完成
  4. 证书的作废：由于用户私钥泄密等原因，需要向认证中心提出证书作废的请求；证书已经过了有效期，认证中心自动将该证书作废。认证中心通过维护证书作废列表 (Certificate Revocation List,CRL) 来完成上述功能。
  5. 证书的归档：证书具有一定的有效期，证书过了有效期之后就将作废，但是我们不能将作废的证书简单地丢弃，因为有时我们可能需要验证以前的某个交易过程中产生的数字签名，这时我们就需要查询作废的证书。

5.3 证书的种类

SSL 证书按大类一般可分为DV SSL、OV SSL、EV SSL证书，又叫域名型、企业型、增强型证书：

  • DV SSL(Domain Validation)，域名型 SSL 证书，证书颁布机构只对域名的所有者进行在线检查，只要你能证明你是这个域名的所有者就可以给你颁发证书，不会校验网站的资质，哪怕你是黄赌毒网站也可以，个人网站、非盈利项目、开源项目等域名型证书足矣；
  • OV SSL(Organization Validation)，企业型 SSL 证书，需要购买者提交组织机构资料和单位制空权信等在官方注册的凭证，证书颁发机构在签发 SSL 证书前不仅仅要检验域名所有权，还必须对这些资料的真实合法性进行多方查验，只能通过验证的才能颁发 SSL 证书；
  • EV SSL(Extended Validations)，增强型 SSL 证书(EV SSL)，验证流程加具体详细，验证步骤更多，这样一来证书所绑定的网站就更加的可靠、可信。它跟普通SSL证书的区别是浏览器的地址栏变绿，如果是不受信的 SSL 证书则拒绝显示，如果是钓鱼网站，地址栏则会变成红色，以警示用户。

5.4 ssl 证书的格式

1. 证书版本号(Version)
版本号指明X.509证书的格式版本，现在的值可以为:
    1) 0: v1
    2) 1: v2
    3) 2: v3
也为将来的版本进行了预定义

2. 证书序列号(Serial Number)
序列号指定由CA分配给证书的唯一的"数字型标识符"。当证书被取消时，实际上是将此证书的序列号放入由CA签发的CRL中，
这也是序列号唯一的原因。

3. 签名算法标识符(Signature Algorithm)
签名算法标识用来指定由CA签发证书时所使用的"签名算法"。算法标识符用来指定CA签发证书时所使用的:
    1) 公开密钥算法
    2) hash算法
example: sha256WithRSAEncryption
须向国际知名标准组织(如ISO)注册

4. 签发机构名(Issuer)
此域用来标识签发证书的CA的X.500 DN(DN-Distinguished Name)名字。包括:
    1) 国家(C)
    2) 省市(ST)
    3) 地区(L)
    4) 组织机构(O)
    5) 单位部门(OU)
    6) 通用名(CN)
    7) 邮箱地址

5. 有效期(Validity)
指定证书的有效期，包括:
    1) 证书开始生效的日期时间
    2) 证书失效的日期和时间
每次使用证书时，需要检查证书是否在有效期内。

6. 证书用户名(Subject)
指定证书持有者的X.500唯一名字。包括:
    1) 国家(C)
    2) 省市(ST)
    3) 地区(L)
    4) 组织机构(O)
    5) 单位部门(OU)
    6) 通用名(CN)
    7) 邮箱地址

7. 证书持有者公开密钥信息(Subject Public Key Info)
证书持有者公开密钥信息域包含两个重要信息:
    1) 证书持有者的公开密钥的值
    2) 公开密钥使用的算法标识符。此标识符包含公开密钥算法和hash算法。
8. 扩展项(extension)
X.509 V3证书是在v2的基础上一标准形式或普通形式增加了扩展项，以使证书能够附带额外信息。标准扩展是指
由X.509 V3版本定义的对V2版本增加的具有广泛应用前景的扩展项，任何人都可以向一些权威机构，如ISO，来
注册一些其他扩展，如果这些扩展项应用广泛，也许以后会成为标准扩展项。

9. 签发者唯一标识符(Issuer Unique Identifier)
签发者唯一标识符在第2版加入证书定义中。此域用在当同一个X.500名字用于多个认证机构时，用一比特字符串
来唯一标识签发者的X.500名字。可选。

10. 证书持有者唯一标识符(Subject Unique Identifier)
持有证书者唯一标识符在第2版的标准中加入X.509证书定义。此域用在当同一个X.500名字用于多个证书持有者时，
用一比特字符串来唯一标识证书持有者的X.500名字。可选。

11. 签名算法(Signature Algorithm)
证书签发机构对证书上述内容的签名算法
example: sha256WithRSAEncryption

12. 签名值(Issuer's Signature)
证书签发机构对证书上述内容的签名值

5.5 ssl 证书内容

  1. 颁发证书的机构的名字--CA
  2. 证书内容本身的数字签名（用 CA 私钥加密）
  3. 证书持有者的公钥
  4. 证书签名用到的 hash 算法

5.6 如何辨别非法证书

完全伪造的证书

  1. 证书颁发的机构是伪造的：浏览器不认识，直接认为是危险证书
  2. 证书颁发的机构是确实存在的，于是根据 CA 名，找到对应内置的 CA 根证书、CA 的公钥。
  3. 用 CA 的公钥，对伪造的证书的摘要进行解密，发现解不了。认为是危险证书

篡改过的证书

  1. 检查证书，根据 CA 名，找到对应的 CA 根证书，以及 CA 的公钥。
  2. 用 CA 的公钥，对证书的数字签名进行解密，得到对应的证书摘要 AA
  3. 根据证书签名使用的 hash 算法，计算出当前证书的摘要 BB
  4. 对比 AA 跟 BB，发现不一致--> 判定是危险证书

验证过程如图：

5.7 自发签名证书

这里不具体讲了，可以参考：HTTPS 从认识到线上实战全记录、HTTPS 自建 CA 及自签名证书不完全指南（实战篇）

六、HTTPS 性能损耗

HTTPS 原理与优势：身份验证、信息加密与完整性校验等，且未对 TCP 和 HTTP 协议做任何修改。但通过增加新协议以实现更安全的通信必然需要付出代价，HTTPS 协议的性能损耗主要体现如下：

  • 增加延时
  • 消耗较多的CPU资源

6.1 增加延时

分析前面的握手过程，一次完整的握手至少需要两端依次来回两次通信，至少增加延时 2 RTT，利用会话缓存从而复用连接，延时也至少 1 RTT*。

6.2 消耗较多的CPU资源

除数据传输之外，HTTPS 通信主要包括对对称加解密、非对称加解密(服务器主要采用私钥解密数据)；压测 TS8 机型的单核 CPU：对称加密算法 AES-CBC-256 吞吐量 600Mbps，非对称 RSA 私钥解密 200 次/s。不考虑其它软件层面的开销，10G 网卡为对称加密需要消耗 CPU 约 17 核，24 核 CPU 最多接入 HTTPS 连接 4800；

静态节点当前 10G 网卡的 TS8 机型的 HTTP 单机接入能力约为 10w/s，如果将所有的 HTTP 连接变为 HTTPS 连接，则明显 RSA 的解密最先成为瓶颈。因此，RSA 的解密能力是当前困扰 HTTPS 接入的主要难题。

参考资料

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