HTTP 协议仅仅制定了互联网传输的标准，简化了直接使用 TCP 协议进行通信的难度。

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less is more 的概念本身很好，但是过于简单也会承担一些后果：

①通信使用明文，内容可能会窃听

HTTP 本身不具备加密的功能，所以也无法做到对通信整体(使用 HTTP 协议通信的请求和响应的内容)进行加密。即，HTTP 报文使用明文(指未经过加密的报文)方式发送。

②报文是否是正经用户发出的报文无法得知，可能被篡改

HTTP 协议无法证明通信的报文完整性，因此，在请求或响应送出之后直到对方接收之前的这段时间内，即使请求或响应的内容遭到篡改，也没有办法获悉。

换句话说，没有任何办法确认，发出的请求/响应和接收到的请求/响应是前后相同的。

③不验证发送方身份，可能遭遇伪装

HTTP 协议中的请求和响应不会对通信方进行确认。在 HTTP 协议通信时，由于不存在确认通信方的处理步骤，任何人都可以发起请求。

另外，服务器只要接收到请求，不管对方是谁都会返回一个响应(但也仅限于发送端的 IP 地址和端口号没有被 Web 服务器设定限制访问的前提下)。

HTTP 协议无法验证通信方身份，任何人都可以伪造虚假服务器欺骗用户，实现钓鱼欺诈，用户无法察觉。

因为有以上问题且随着时代发展，黑客的技术能力也越来越强，非加密的 HTTP 请求很容易引起相关的网络安全问题，对于安全性能的攻防控制需求也越来越强烈。

什么是安全

既然 HTTP 不安全，那什么样的通信过程才是安全的呢?

通常认为，如果通信过程具备了四个特性，就可以认为是安全的：

  • 机密性(Secrecy/Confidentiality)：是指对数据的保密，只能由可信的人访问，对其他人是不可见的秘密，简单来说就是不能让不相关的人看到不该看的东西。

  • 完整性(Integrity，也叫一致性)：是指数据在传输过程中没有被窜改，不多也不少，完完整整地保持着原状。

  • 身份认证(Authentication)：是指确认对方的真实身份，也就是证明你真的是你，保证消息只能发送给可信的人。如果通信时另一方是假冒的网站，那么数据再保密也没有用，黑客完全可以使用冒充的身份套出各种信息，加密和没加密一样。

  • 不可否认(Non-repudiation/Undeniable)，也叫不可抵赖，意思是不能否认已经发生过的行为，不能说话不算数，耍赖皮。

使用前三个特性，可以解决安全通信的大部分问题，但如果缺了不可否认，那通信的事务真实性就得不到保证，有可能出现老赖。

比如，小明借了小红一千元，没写借条，第二天矢口否认，小红也确实拿不出借钱的证据，只能认倒霉。

另一种情况是小明借钱后还了小红，但没写收条，小红于是不承认小明还钱的事，说根本没还，要小明再掏出一千元。

所以，只有同时具备了机密性、完整性、身份认证、不可否认这四个特性，通信双方的利益才能有保障，才能算得上是真正的安全。

HTTPS 解决什么问题

HTTPS 为 HTTP 增加了刚才所说的四大安全特性。

HTTPS 其实是一个非常简单的协议，RFC 文档只有短短的 7 页，里面规定了新的协议名 HTTPS，默认端口号 443。

至于其他的什么请求，应答模式、报文结构、请求方法、URI、头字段、连接管理等等都完全沿用 HTTP，没有任何新的东西。

也就是说，除了协议名 HTTP 和端口号 80 这两点不同，HTTPS 协议在语法、语义上和 HTTP 完全一样，优缺点也照单全收(当然要除去明文和不安全 )。

HTTPS 凭什么就能做到机密性、完整性这些安全特性呢?

秘密就在于 HTTPS 名字里的 S，它把 HTTP 下层的传输协议由 TCP/IP 换成了 SSL/TLS，由 HTTP over TCP/IP 变成了 HTTP over SSL/TLS，让 HTTP 运行在了安全的 SSL/TLS 协议上，收发报文不再使用 Socket API，而是调用专门的安全接口。

HTTPS 本身并没有什么惊世骇俗的本事，全是靠着后面的 SSL/TLS 撑腰。只要学会了 SSL/TLS，HTTPS 自然就手到擒来。

HTTPS 协议的主要功能基本都依赖于 TLS/SSL 协议，TLS/SSL 的功能实现主要依赖于三类基本算法：散列函数 、对称加密和非对称加密，利用非对称加密实现身份认证和密钥协商，对称加密算法采用协商的密钥对数据加密，基于散列函数验证信息的完整性。

什么是 SSL/TLS

现在我们就来看看 SSL/TLS，它到底是个什么来历。

SSL 即安全套接层(Secure Sockets Layer)，在 OSI 模型中处于第 5 层(会话层)，由网景公司于 1994 年发明，有 v2 和 v3 两个版本，而 v1 因为有严重的缺陷从未公开过。

SSL 发展到 v3 时已经证明了它自身是一个非常好的安全通信协议，于是互联网工程组 IETF 在 1999 年把它改名为 TLS(传输层安全，Transport Layer Security)，正式标准化，版本号从 1.0 重新算起，所以 TLS1.0 实际上就是 SSLv3.1。

到今天 TLS 已经发展出了三个版本，分别是 2006 年的 1.1、2008 年的 1.2 和去年(2018)的 1.3，每个新版本都紧跟密码学的发展和互联网的现状，持续强化安全和性能，已经成为了信息安全领域中的权威标准。

目前应用的最广泛的 TLS 是 1.2，而之前的协议(TLS1.1/1.0、SSLv3/v2)都已经被认为是不安全的，各大浏览器即将在 2020 年左右停止支持，所以接下来的讲解都针对的是 TLS1.2。

TLS 由记录协议、握手协议、警告协议、变更密码规范协议、扩展协议等几个子协议组成，综合使用了对称加密、非对称加密、身份认证等许多密码学前沿技术。

浏览器和服务器在使用 TLS 建立连接时需要选择一组恰当的加密算法来实现安全通信，这些算法的组合被称为密码套件(cipher suite，也叫加密套件)。

TLS 的密码套件命名非常规范，格式很固定。基本的形式是密钥交换算法+签名算法+对称加密算法+摘要算法。

比如刚才的密码套件的意思就是：握手时使用 ECDHE 算法进行密钥交换，用 RSA 签名和身份认证，握手后的通信使用 AES 对称算法，密钥长度 256 位，分组模式是 GCM，摘要算法 SHA384 用于消息认证和产生随机数。

OpenSSL

说到 TLS，就不能不谈到 OpenSSL，它是一个著名的开源密码学程序库和工具包，几乎支持所有公开的加密算法和协议，已经成为了事实上的标准，许多应用软件都会使用它作为底层库来实现 TLS 功能，包括常用的 Web 服务器 Apache、Nginx 等。

OpenSSL 是从另一个开源库 SSLeay 发展出来的，曾经考虑命名为 OpenTLS，但当时(1998 年)TLS 还未正式确立，而 SSL 早已广为人知，所以最终使用了 OpenSSL 的名字。

OpenSSL 目前有三个主要的分支，1.0.2 和 1.1.0 都将在今年(2019)年底不再维护，最新的长期支持版本是 1.1.1。

由于 OpenSSL 是开源的，所以它还有一些代码分支，比如 Google 的 BoringSSL、OpenBSD 的 LibreSSL。

这些分支在 OpenSSL 的基础上删除了一些老旧代码，也增加了一些新特性，虽然背后有大金主，但离取代 OpenSSL 还差得很远。

机密性实现：加密

实现机密性最常用的手段是加密(encrypt)，就是把消息用某种方式转换成谁也看不懂的乱码，只有掌握特殊钥匙的人才能再转换出原始文本。

这里的钥匙就叫做密钥(key)，加密前的消息叫明文(plain text/clear text)，加密后的乱码叫密文(cipher text)，使用密钥还原明文的过程叫解密(decrypt)。

所有的加密算法都是公开的，任何人都可以去分析研究，而算法使用的密钥则必须保密。

这个关键的密钥又是什么呢?由于 HTTPS、TLS 都运行在计算机上，所以密钥就是一长串的数字，但约定俗成的度量单位是位(bit)，而不是字节(byte)。

比如，说密钥长度是 128，就是 16 字节的二进制串，密钥长度 1024，就是 128 字节的二进制串。

按照密钥的使用方式，加密可以分为两大类：

  • 对称加密

  • 非对称加密

对称加密

很好理解，就是指加密和解密时使用的密钥都是同一个，是对称的，只要保证了密钥的安全，那整个通信过程就可以说具有了机密性。

举个例子，你想要登录某网站，只要事先和它约定好使用一个对称密码，通信过程中传输的全是用密钥加密后的密文，只有你和网站才能解密。

黑客即使能够窃听，看到的也只是乱码，因为没有密钥无法解出明文，所以就实现了机密性。

TLS 里有非常多的对称加密算法可供选择，比如 RC4、DES、3DES、AES、ChaCha20 等，但前三种算法都被认为是不安全的，通常都禁止使用，目前常用的有 AES-128、AES-192、AES-256 和 ChaCha20。

DES 的全称是 Data Encryption Standard(数据加密标准) ，它是用于数字数据加密的对称密钥算法。

尽管其 56 位的短密钥长度使它对于现代应用程序来说太不安全了，但它在加密技术的发展中具有很大的影响力。

AES 的意思是高级加密标准(Advanced Encryption Standard)，AES-128，AES-192 和 AES-256 都是属于 AES 。

密钥长度可以是 128、192 或 256。它是 DES 算法的替代者，安全强度很高，性能也很好，而且有的硬件还会做特殊优化，所以非常流行，是应用最广泛的对称加密算法。

ChaCha20 是 Google 设计的另一种加密算法，密钥长度固定为 256 位，纯软件运行性能要超过 AES，曾经在移动客户端上比较流行，但 ARMv8 之后也加入了 AES 硬件优化，所以现在不再具有明显的优势。

分组模式

对称算法还有一个分组模式的概念，它可以让算法用固定长度的密钥加密任意长度的明文，把小秘密(即密钥)转化为大秘密(即密文)。

最早有 ECB、CBC、CFB、OFB 等几种分组模式，但都陆续被发现有安全漏洞，所以现在基本都不怎么用了。

最新的分组模式被称为 AEAD(Authenticated Encryption with Associated Data)，在加密的同时增加了认证的功能，常用的是 GCM、CCM 和 Poly1305。

把上面这些组合起来，就可以得到 TLS 密码套件中定义的对称加密算法。

比如，AES128-GCM，意思是密钥长度为 128 位的 AES 算法，使用的分组模式是 GCM;ChaCha20-Poly1305 的意思是 ChaCha20 算法，使用的分组模式是 Poly1305。

非对称加密

对称加密看上去好像完美地实现了机密性，但其中有一个很大的问题：如何把密钥安全地传递给对方，术语叫密钥交换。

因为在对称加密算法中只要持有密钥就可以解密。如果你和网站约定的密钥在传递途中被黑客窃取，那他就可以在之后随意解密收发的数据，通信过程也就没有机密性可言了。

这个问题该怎么解决呢?一般来说除非是双方私下约定好了密钥，如果是每次通信都会发生变化的密钥是不能在通信过程中带给对端，这样你就陷入了要给密钥加一次密的尴尬境地。所以，就出现了非对称加密(也叫公钥加密算法)。

它有两个密钥，一个叫公钥(public key)，一个叫 私钥(private key)。两个密钥是不同的，不对称，公钥可以公开给任何人使用，而私钥必须严格保密。

公钥和私钥有个特别的单向 性，虽然都可以用来加密解密，但公钥加密后只能用私钥解密，反过来，私钥加密后也只能用公钥解密。

非对称加密可以解决密钥交换的问题。网站秘密保管私钥，在网上任意分发公钥，你想要登录网站只要用公钥加密就行了，密文只能由私钥持有者才能解密。

而黑客因为没有私钥，所以就无法破解密文。

非对称加密算法的设计要比对称算法难得多，在 TLS 里只有很少的几种，比如 DH、DSA、RSA、ECC 等。

RSA 可能是其中最著名的一个，几乎可以说是非对称加密的代名词，它的安全性基于整数分解的数学难题，使用两个超大素数的乘积作为生成密钥的材料，想要从公钥推算出私钥是非常困难的。

10 年前 RSA 密钥的推荐长度是 1024，但随着计算机运算能力的提高，现在 1024 已经不安全，普遍认为至少要 2048 位。

ECC(Elliptic Curve Cryptography)是非对称加密里的后起之秀，它基于椭圆曲线离散对数的数学难题，使用特定的曲线方程和基点生成公钥和私钥，子算法 ECDHE 用于密钥交换，ECDSA 用于数字签名。

ECDHE 即使用椭圆曲线(ECC)的 DH 算法，优点是能用较小的素数(256 位)实现 RSA 相同的安全等级。

缺点是算法实现复杂，用于密钥交换的历史不长，没有经过长时间的安全攻击测试。

目前比较常用的两个曲线是 P-256(secp256r1，在 OpenSSL 称为 prime256v1)和 x25519。

P-256 是 NIST(美国国家标准技术研究所)和 NSA(美国国家安全局)推荐使用的曲线，而 x25519 被认为是最安全、最快速的曲线。

比起 RSA，ECC 在安全强度和性能上都有明显的优势。160 位的 ECC 相当于 1024 位的 RSA，而 224 位的 ECC 则相当于 2048 位的 RSA。

因为密钥短，所以相应的计算量、消耗的内存和带宽也就少，加密解密的性能就上去了，对于现在的移动互联网非常有吸引力。

混合加密

看到这里你是不是认为可以抛弃对称加密，只用非对称加密来实现机密性呢?

很遗憾，虽然非对称加密没有 密钥交换 的问题，但因为它们都是基于复杂的数学难题，运算速度很慢，即使是 ECC 也要比 AES 差上好几个数量级。

如果仅用非对称加密，虽然保证了安全，但通信速度有如乌龟、蜗牛，实用性就变成了零。

是不是能够把对称加密和非对称加密结合起来呢，两者互相取长补短，即能高效地加密解密，又能安全地密钥交换。

这就是现在 TLS 里使用的混合加密方式，其实说穿了也很简单：在通信刚开始的时候使用非对称算法，比如 RSA、ECDHE，首先解决密钥交换的问题。

然后用随机数产生对称算法使用的 「会话密钥」(session key)，再用公钥加密。因为会话密钥很短，通常只有 16 字节或 32 字节，所以慢一点也无所谓。

对方拿到密文后用私钥解密，取出会话密钥。这样，双方就实现了对称密钥的安全交换，后续就不再使用非对称加密，全都使用对称加密。

这样混合加密就解决了对称加密算法的密钥交换问题，而且安全和性能兼顾，完美地实现了机密性。

完整性

摘要算法

实现完整性的手段主要是摘要算法(Digest Algorithm)，也就是常说的散列函数、哈希函数(Hash Function)。

你可以把摘要算法近似地理解成一种特殊的压缩算法，它能够把任意长度的数据压缩成固定长度、而且独一无二的摘要字符串，就好像是给这段数据生成了一个数字指纹。

换一个角度，也可以把摘要算法理解成特殊的单向加密算法，它只有算法，没有密钥，加密后的数据无法解密，不能从摘要逆推出原文。

摘要算法实际上是把数据从一个 大空间映射到了小空间，所以就存在冲突(collision，也叫碰撞)的可能性，就如同现实中的指纹一样，可能会有两份不同的原文对应相同的摘要。

好的摘要算法必须能够抵抗冲突，让这种可能性尽量地小。因为摘要算法对输入具有单向性和雪崩效应，输入的微小不同会导致输出的剧烈变化，所以也被 TLS 用来生成伪随机数(PRF，pseudo random function)。

你一定在日常工作中听过、或者用过 MD5(Message-Digest 5)、SHA-1(Secure Hash Algorithm 1)，它们就是最常用的两个摘要算法，能够生成 16 字节和 20 字节长度的数字摘要。

但这两个算法的安全强度比较低，不够安全，在 TLS 里已经被禁止使用了。目前 TLS 推荐使用的是 SHA-1 的后继者：SHA-2。

SHA-2 实际上是一系列摘要算法的统称，总共有 6 种，常用的有 SHA224、SHA256、SHA384，分别能够生成 28 字节、32 字节、48 字节的摘要。

摘要算法保证了数字摘要和原文是完全等价的。所以，我们只要在原文后附上它的摘要，就能够保证数据的完整性。

比如，你发了条消息：有内鬼，终止交易，然后再加上一个 SHA-2 的摘要。网站收到后也计算一下消息的摘要，把这两份指纹做个对比，如果一致，就说明消息是完整可信的，没有被修改。

如果黑客在中间哪怕改动了一个标点符号，摘要也会完全不同，网站计算比对就会发现消息被窜改，是不可信的。

不过摘要算法不具有机密性，如果明文传输，那么黑客可以修改消息后把摘要也一起改了，网站还是鉴别不出完整性。

所以，真正的完整性必须要建立在机密性之上，在混合加密系统里用会话密钥加密消息和摘要，这样黑客无法得知明文，也就没有办法动手脚了。

这有个术语，叫哈希消息认证码(HMAC)。

数字签名

加密算法结合摘要算法，我们的通信过程可以说是比较安全了。但这里还有漏洞，就是通信的两个端点(endpoint)。

就像一开始所说的，黑客可以伪装成网站来窃取信息。而反过来，他也可以伪装成你，向网站发送支付、转账等消息，网站没有办法确认你的身份，钱可能就这么被偷走了。

现实生活中，解决身份认证的手段是签名和印章，只要在纸上写下签名或者盖个章，就能够证明这份文件确实是由本人而不是其他人发出的。

回想一下上面的介绍在 TLS 里有什么东西和现实中的签名、印章很像，只能由本人持有，而其他任何人都不会有呢?只要用这个东西，就能够在数字世界里证明你的身份。

没错，这个东西就是非对称加密里的私钥，使用私钥再加上摘要算法，就能够实现数字签名，同时实现身份认证和不可否认。

数字签名的原理其实很简单，就是把公钥私钥的用法反过来，之前是公钥加密、私钥解密，现在是私钥加密、公钥解密。

但又因为非对称加密效率太低，所以私钥只加密原文的摘要，这样运算量就小的多，而且得到的数字签名也很小，方便保管和传输。

签名和公钥一样完全公开，任何人都可以获取。但这个签名只有用私钥对应的公钥才能解开，拿到摘要后，再比对原文验证完整性，就可以像签署文件一样证明消息确实是你发的。

刚才的这两个行为也有专用术语，叫做签名和验签。

只要你和网站互相交换公钥，就可以用签名和验签来确认消息的真实性，因为私钥保密，黑客不能伪造签名，就能够保证通信双方的身份。

比如，你用自己的私钥签名一个消息马冬梅你别跑。网站收到后用你的公钥验签，确认身份没问题，于是也用它的私钥签名消息十年翻身同学会，拆散一对是一对。

你收到后再用它的公钥验一下，也没问题，这样你和网站就都知道对方不是假冒的，后面就可以用混合加密进行安全通信了。

数字证书和 CA：身份认证

到现在，综合使用对称加密、非对称加密和摘要算法，我们已经实现了安全的四大特性，是不是已经完美了呢?

不是的，这里还有一个公钥的信任问题。因为谁都可以发布公钥，我们还缺少防止黑客伪造公钥的手段，也就是说，怎么来判断这个公钥就是你的公钥呢?

我们可以用类似密钥交换的方法来解决公钥认证问题，用别的私钥来给公钥签名，显然，这又会陷入俄罗斯套娃。

但这次实在是没招了，要终结这个死循环，就必须引入外力，找一个公认的可信第三方，让它作为信任的起点，递归的终点，构建起公钥的信任链。

这个第三方就是我们常说的CA(Certificate Authority，证书认证机构)。它就像网络世界里的公安局、教育部、公证中心，具有极高的可信度，由它来给各个公钥签名，用自身的信誉来保证公钥无法伪造，是可信的。

CA 对公钥的签名认证也是有格式的，不是简单地把公钥绑定在持有者身份上就完事了，还要包含序列号、用途、颁发者、有效时间等等，把这些打成一个包再签名，完整地证明公钥关联的各种信息，形成数字证书(Certificate)。

知名的 CA 全世界就那么几家，比如 DigiCert、VeriSign、Entrust、Let’s Encrypt 等，它们签发的证书分 DV、OV、EV 三种，区别在于可信程度。

DV 是最低的，只是域名级别的可信，背后是谁不知道。EV 是最高的，经过了法律和审计的严格核查，可以证明网站拥有者的身份(在浏览器地址栏会显示出公司的名字，例如 Apple、GitHub 的网站)。

不过，CA 怎么证明自己呢?这还是信任链的问题。

小一点的 CA 可以让大 CA 签名认证，但链条的最后，也就是「Root CA」，就只能自己证明自己了，这个就叫 「自签名证书」(Self-Signed Certificate)或者 「根证书」(Root Certificate)。

你必须相信，否则整个证书信任链就走不下去了。

有了这个证书体系，操作系统和浏览器都内置了各大 CA 的根证书，上网的时候只要服务器发过来它的证书，就可以验证证书里的签名。

顺着证书链(Certificate Chain)一层层地验证，直到找到根证书，就能够确定证书是可信的，从而里面的公钥也是可信的。

证书体系的弱点

证书体系(PKI，Public Key Infrastructure)虽然是目前整个网络世界的安全基础设施，但绝对的安全是不存在的，它也有弱点，还是关键的信任二字。

如果 CA 失误或者被欺骗，签发了错误的证书，虽然证书是真的，可它代表的网站却是假的。

还有一种更危险的情况，CA 被黑客攻陷，或者 CA 有恶意，因为它(即根证书)是信任的源头，整个信任链里的所有证书也就都不可信了。

这两种事情并不是耸人听闻，都曾经实际出现过。所以需要再给证书体系打上一些补丁。

针对第一种，开发出了 CRL(证书吊销列表，Certificate revocation list)和 OCSP(在线证书状态协议，Online Certificate Status Protocol)，及时废止有问题的证书。

对于第二种因为涉及的证书太多，就只能操作系统或者浏览器从根上下狠手了，撤销对 CA 的信任，列入黑名单，这样它颁发的所有证书就都会被认为是不安全的。

我们来看一下 Github 的数字证书长什么样子：

证书上的信息可以得知：类型是 EV，拥有最高权威认证;过期时间;证书所属组织;证书签发机构。

TLS 协议的组成

当你在浏览器地址栏里键入 HTTPS 开头的 URI，再按下回车，会发生什么呢?浏览器首先要从 URI 里提取出协议名和域名。

因为协议名是 HTTPS，所以浏览器就知道了端口号是默认的 443，它再用 DNS 解析域名，得到目标的 IP 地址，然后就可以使用三次握手与网站建立 TCP 连接了。

在 HTTP 协议里，建立连接后，浏览器会立即发送请求报文。但现在是 HTTPS 协议，它需要再用另外一个握手过程，在 TCP 上建立安全连接，之后才是收发 HTTP 报文。

这个握手过程与 TCP 有些类似，是 HTTPS 和 TLS 协议里最重要、最核心的部分。

在讲 TLS 握手之前，先简单介绍一下 TLS 协议的组成。

TLS 包含几个子协议，你也可以理解为它是由几个不同职责的模块组成，比较常用的有：记录协议、警报协议、握手协议、变更密码规范协议等。

记录协议(Record Protocol)规定了 TLS 收发数据的基本单位：记录(record)。

它有点像是 TCP 里的 segment，所有的其他子协议都需要通过记录协议发出。

但多个记录数据可以在一个 TCP 包里一次性发出，也并不需要像 TCP 那样返回 ACK。

警报协议(Alert Protocol)的职责是向对方发出警报信息，有点像是 HTTP 协议里的状态码。

比如，protocol_version 就是不支持旧版本，bad_certificate 就是证书有问题，收到警报后另一方可以选择继续，也可以立即终止连接。

握手协议(Handshake Protocol)是 TLS 里最复杂的子协议，要比 TCP 的 SYN/ACK 复杂的多，浏览器和服务器会在握手过程中协商 TLS 版本号、随机数、密码套件等信息，然后交换证书和密钥参数，最终双方协商得到会话密钥，用于后续的混合加密系统。

变更密码规范协议(Change Cipher Spec Protocol)，它非常简单，就是一个通知，告诉对方，后续的数据都将使用加密保护。那么反过来，在它之前，数据都是明文的。

下面的这张图简要地描述了 TLS 的握手过程，其中每一个框都是一个记录，多个记录组合成一个 TCP 包发送。

所以，最多经过两次消息往返(4 个消息)就可以完成握手，然后就可以在安全的通信环境里发送 HTTP 报文，实现 HTTPS 协议。

在 TCP 完成三次握手建立连接之后， HTTPS 开始加密认证握手流程。TLS 的握手过程如下：

以上过程我们可以使用 wireShark 抓包工具看到。

在 TCP 建立连接之后，浏览器会首先发一个 client_hello 消息，里面有客户端的版本号、支持的密码套件，还有一个随机数(Client Random)，用于后续生成会话密钥：

可以看到客户端发送给服务端他所支持的密码套件有 16 套之多，另外客户端使用的 TLS 版本是 1.2。

服务器收到 Client Hello 后，会返回一个 Server Hello 消息。把版本号对一下，也给出一个随机数(Server Random)。

然后从客户端的列表里选一个作为本次通信使用的密码套件。在这里它选择了 Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)。

然后服务器为了证明自己的身份，就把证书也发给了客户端(Server Certificate)。

接下来是一个关键的操作，因为服务器选择了 ECDHE 算法，所以它会在证书后发送 Server Key Exchange 消息，里面是椭圆曲线的公钥(Server Params)，用来实现密钥交换算法，再加上自己的私钥签名认证。

Handshake Protocol: Server Key Exchange     EC Diffie-Hellman Server Params         Curve Type: named_curve (0x03)         Named Curve: x25519 (0x001d)         Pubkey: 3b39deaf00217894e...         Signature Algorithm: rsa_pkcs1_sha512 (0x0601)         Signature: 37141adac38ea4...

这相当于说：刚才我选的密码套件有点复杂，所以再给你个算法的参数，和刚才的随机数一样有用别丢了。为了防止别人冒充，我又盖了个章。

之后是 Server Hello Done 消息，服务器说：我的信息就是这些，打招呼完毕。

这样第一个消息往返就结束了(两个 TCP 包)，结果是客户端和服务器通过明文共享了三个信息：Client Random、Server Random 和 Server Params。

客户端这时也拿到了服务器的证书，那这个证书是不是真实有效的呢?下面客户端就开始鉴定证书的真伪。校验过程如下：

①首先读取证书所有者有效期等信息进行校验，查找内置的收信人证书发布机构 CA 与证书 CA 相对比，校验是否是合法机构颁发。

这一步会做如下操作：

  • 证书链的可信性 (trusted certificate path)校验，发行服务器证书的 CA 是否可靠。

  • 证书是否吊销 (revocation)，有两类方式离线 CRL 与在线 OCSP，不同的客户端行为会不同。

  • 有效期 (expiry date)，证书是否在有效时间范围。

  • 域名 (domain)，核查证书域名是否与当前的访问域名匹配，匹配规则后续分析。

②第一步检验通过之后产生随机数 Pre-master，并用证书公钥加密，发送给服务器，作为以后对称加密的密钥。

客户端向服务器发送 Client Key Exchange。最后客户端与服务器互发 Change Cipher Spec，Encrypted Handshake Message：

接下来服务器接收到客户端发送的 Pre-master，解密出被加密的 Pre-master，然后通知客户端：握手阶段结束，随后所有的通信将使用对称加密的方式进行。

双向认证

上面已经讲完了 TLS 握手，从上面的流程不难看出只是客户端认证了服务器的身份，而服务器是没有认证客户端身份的，我们简称单向认证。

通常单向认证通过后已经建立了安全通信，用账号、密码等简单的手段就能够确认用户的真实身份。

但为了防止账号、密码被盗，有的时候(比如网上银行)还会使用 U 盾给用户颁发客户端证书，实现双向认证，这样会更加安全。

双向认证的流程也没有太多变化，只是在 Server Hello Done 之后，Client Key Exchange 之前，客户端要发送 Client Certificate 消息，服务器收到后也把证书链走一遍，验证客户端的身份。

不过 TLS1.2 已经是 10 年前(2008 年)的老协议了，虽然历经考验但毕竟 岁月不饶人，在安全、性能等方面已经跟不上如今的互联网。

经过四年近 30 个草案的反复打磨，TLS1.3 在 2018 年推出，再次确立了信息安全领域的新标准。

最大化兼容性

由于 1.1、1.2 等协议已经出现了很多年，很多应用软件、中间代理(官方称为MiddleBox)只认老的记录协议格式，更新改造很困难，甚至是不可行(设备僵化)。

在早期的试验中发现，一旦变更了记录头字段里的版本号，也就是由 0x303(TLS1.2)改为 0x304(TLS1.3)的话，大量的代理服务器、网关都无法正确处理，最终导致 TLS 握手失败。

为了保证这些被广泛部署的老设备能够继续使用，避免新协议带来的冲击，TLS1.3 不得不做出妥协，保持现有的记录格式不变，通过伪装来实现兼容，使得 TLS1.3 看上去像是 TLS1.2。

那么，该怎么区分 1.2 和 1.3 呢?

这要用到一个新的扩展协议(Extension Protocol)，它有点 补充条款 的意思，通过在记录末尾添加一系列的扩展字段来增加新的功能，老版本的 TLS 不认识它可以直接忽略，这就实现了后向兼容。

在记录头的 Version 字段被兼容性固定的情况下，只要是 TLS1.3 协议，握手的 Hello 消息后面就必须有 supported_versions 扩展，它标记了 TLS 的版本号，使用它就能区分新旧协议。

你可以看一下 Client Hello 消息后面的扩展，只是因为服务器不支持 1.3，所以就后向兼容降级成了 1.2。

TLS1.3 利用扩展实现了许多重要的功能，比如supported_groups、key_share、signature_algorithms、server_name等，这些等后面用到的时候再说。

强化安全

TLS1.2 在十来年的应用中获得了许多宝贵的经验，陆续发现了很多的漏洞和加密算法的弱点，所以 TLS1.3 就在协议里修补了这些不安全因素。

比如：

  • 伪随机数函数由 PRF 升级为 HKDF(HMAC-based Extract-and-Expand Key Derivation Function)。

  • 明确禁止在记录协议里使用压缩。

  • 废除了 RC4、DES 对称加密算法。

  • 废除了 ECB、CBC 等传统分组模式。

  • 废除了 MD5、SHA1、SHA-224 摘要算法。

  • 废除了 RSA、DH 密钥交换算法和许多命名曲线。

经过这一番减肥瘦身之后，TLS1.3 里只保留了 AES、ChaCha20 对称加密算法，分组模式只能用 AEAD 的 GCM、CCM 和 Poly1305。

摘要算法只能用 SHA256、SHA384，密钥交换算法只有 ECDHE 和 DHE，椭圆曲线也被砍到只剩 P-256 和 x25519 等 5 种。

算法精简后带来了一个意料之中的好处：原来众多的算法、参数组合导致密码套件非常复杂，难以选择，而现在的 TLS1.3 里只有 5 个套件，无论是客户端还是服务器都不会再犯选择困难症了。

这里还要特别说一下废除 RSA 和 DH 密钥交换算法的原因。在 RSA 密钥交换中，共享密钥由客户端生成，然后客户端利用服务器的公钥(从证书中提取)将共享密钥加密并将其发送到服务器。

DH 算法由 Diffie 和 Hellman 于 1976 年发明，即所谓的 Diffie-Hellman 密钥交换。

在 Diffie-Hellman 中，客户端和服务器都从创建 DH 参数对开始。然后，他们将其 DH 参数的公共部分发送给另一方。

当双方都收到对方方的公共参数时，它们将它与自己的私钥组合在一起，最终计算出同一个值：前主密钥。然后，服务器使用数字签名来确保交换未被篡改。

如果客户端和服务器都为每次密钥交换选择一个新的 DH 参数，则该密钥交换称为 “Ephemeral”(DHE)。

DH 是一个功能强大的工具，但并非所有 DH 参数都可以 “安全” 使用。DH 的安全性取决于称为数学中离散对数问题的难度。

如果可以解决一组参数的离散对数问题，就可以提取私钥并破坏协议的安全性。

一般来说，使用的数字越大，解决离散对数问题就越困难。因此，如果您选择较小的 DH 参数，就有可能遭受攻击。

上两种模式都会使客户端和服务器具有共享密钥，但 RSA 模式有一个严重的缺点，这是因为它不具有前向安全(Forward Secrecy)。

假设有这么一个很有耐心的黑客，一直在长期收集混合加密系统收发的所有报文。

如果加密系统使用服务器证书里的 RSA 做密钥交换，一旦私钥泄露或被破解(使用社会工程学或者巨型计算机)，那么黑客就能够使用私钥解密出之前所有报文的 Pre-Master，再算出会话密钥，破解所有密文。

而 ECDHE 算法在每次握手时都会生成一对临时的公钥和私钥，每次通信的密钥对都是不同的，也就是一次一密，即使黑客花大力气破解了这一次的会话密钥，也只是这次通信被攻击，之前的历史消息不会受到影响，仍然是安全的。

所以现在主流的服务器和浏览器在握手阶段都已经不再使用 RSA，改用 ECDHE，而 TLS1.3 在协议里明确废除 RSA 和 DH 则在标准层面保证了前向安全。

RSA 密钥交换在一段时间内一直存在问题，其原因不仅仅是因为它支持前向保密。而是因为想要正确的实现 RSA 密钥交换也是不容易的。

1998 年，Daniel Bleichenbacher 在 SSL 中使用 RSA 加密时发现了一个漏洞并创建了所谓的 “百万消息攻击”。

它允许攻击者通过发送数百万条消息或一些特定的消息给服务器，根据服务器响应的不同错误码计算加密密钥，进而解密消息。

多年来，这种攻击得到了改进，在某些情况下只需要数千次就可破解，这使得在笔记本电脑上都可以破解。

最近发现，许多大型网站(包括 facebook.com)在 2017 年也受到 Bleichenbacher 变种漏洞的影响，即 ROBOT 攻击。

为了降低非前向加密连接和 Bleichenbacher 漏洞所带来的风险，RSA 加密已从 TLS 1.3 中删除，将 Diffie-Hellman Ephemeral 作为唯一的密钥交换机制。

提升性能

HTTPS 建立连接时除了要做 TCP 握手，还要做 TLS 握手，在 1.2 中会多花两个消息往返(2-RTT)，可能导致几十毫秒甚至上百毫秒的延迟，在移动网络中延迟还会更严重。

现在因为密码套件大幅度简化，也就没有必要再像以前那样走复杂的协商流程了。

TLS1.3 压缩了以前的 Hello 协商过程，删除了 Key Exchange 消息，把握手时间减少到了 1-RTT，效率提高了一倍。

那么它是怎么做的呢?其实具体的做法还是利用了扩展。

客户端在 Client Hello 消息里直接用 supported_groups 带上支持的曲线，比如 P-256、x25519，用 key_share 带上曲线对应的客户端公钥参数，用 signature_algorithms 带上签名算法。

服务器收到后在这些扩展里选定一个曲线和参数，再用 key_share 扩展返回服务器这边的公钥参数，就实现了双方的密钥交换，后面的流程就和 1.2 基本一样了。

除了标准的 1-RTT 握手，TLS1.3 还引入了 0-RTT 握手，用 pre_shared_key 和 early_data 扩展，在 TCP 连接后立即就建立安全连接发送加密消息，不过这需要有一些前提条件，限于篇幅这里暂且不讲解。

HTTPS 使用成本

HTTPS 截止到目前为止国内的大中型企业基本都支持并已经使用。

一般来讲，使用 HTTPS 前大家可能会非常关注如下问题：

  • 证书费用以及更新维护：费用主要是证书的申请，而且现在也有了免费的证书机构，比如著名的 mozilla 发起的免费证书项目：let’s encrypt 就支持免费证书安装和自动更新。

  • HTTPS 降低用户访问速度：HTTPS 对速度会有一定程度的降低，但是只要经过合理优化和部署，HTTPS 对速度的影响完全可以接受。

在很多场景下，HTTPS 速度完全不逊于 HTTP，如果使用 SPDY，HTTPS 的速度甚至还要比 HTTP 快。

作者：rickiyang

编辑：陶家龙

出处：转载自微信公众号 rickiyang