写一篇通俗易懂的HTTPS讲解

今天先发布一篇和Android无关的技术文章。


https这项技术现在已经应用得非常广泛了。随着苹果、Google等各大互联网领头企业纷纷在自己的操作系统、浏览器等主流产品中强制要求使用https，http的淘汰也正式进入了倒计时。


其实https对于客户端开发人员来说并没有什么需要特别注意的地方，因为代码和写http请求时并没有什么两样。但也正是因为这个原因，导致许多客户端开发人员对https并不了解，只知道它是安全的加密网络传输，对其具体的工作原理却一无所知。


那么客户端开发人员到底需不需要了解https呢？我认为还是有一定必要的，掌握了https的工作原理可以帮助你更加有效地理解并解决一些工作当中遇到的问题。另外，有很多公司也喜欢在面试的时候问一些https相关的问题，如果你完全不了解的话，在这里就很容易会被刷掉。


我自己当初在学习https的时候查阅了很多网上的资料，但是绝大多数的文章写得都不是那么易懂，让不少人对https产生了一些畏惧。我认为要想理解https的工作原理，并不一定非得要知道它方方面面的细节（网上许多文章就是因为写得太细，导致很难懂），其实只要掌握它的整体工作流程，以及搞清楚为什么它能够保证网络通信的安全就可以了。因此，今天我就给大家带来一篇最好懂的https讲解。


在正式开始讲解https之前我们还得先搞清楚两个概念：什么是对称加密，以及什么是非对称加密？这两个概念都是属于加密学中的基础知识，其实非常好懂。


对称加密比较简单，就是客户端和服务器共用同一个密钥，该密钥可以用于加密一段内容，同时也可以用于解密这段内容。对称加密的优点是加解密效率高，但是在安全性方面可能存在一些问题，因为密钥存放在客户端有被窃取的风险。对称加密的代表算法有：AES、DES等。


而非对称加密则要复杂一点，它将密钥分成了两种：公钥和私钥。公钥通常存放在客户端，私钥通常存放在服务器。使用公钥加密的数据只有用私钥才能解密，反过来使用私钥加密的数据也只有用公钥才能解密。非对称加密的优点是安全性更高，因为客户端发送给服务器的加密信息只有用服务器的私钥才能解密，因此不用担心被别人破解，但缺点是加解密的效率相比于对称加密要差很多。非对称加密的代表算法有：RSA、ElGamal等。


掌握了这两个概念之后，我们就可以开始学习https了。这里先提前抛出一个问题，同时也是面试时可能经常会问到的一个问题：https为了保证数据传输的安全，使用的是对称加密还是非对称加密呢？


学完本篇文章之后你就能知道答案了。


首先我们来看一下，传统的http方式在网络传输时存在哪些问题。


由于我们在传输数据时信息都是明文的，因此很容易出现数据被监听和窃取的情况。示意图如下：




另外，传输的数据还有可能被一些别有用心的人篡改，导致浏览器与网站收发的内容不一致。示意图如下：




也就是说，使用http传输数据至少存在着数据被监听以及数据被篡改这两大风险，因此http是一种不安全的传输协议。


那么解决方案大家肯定都知道是使用https，但是我们先尝试着自己思考一下该如何保证http传输的安全性，进而也就能一步步地理解https的工作原理了。


既然数据以明文的形式在网络上传输是不安全的，那么我们显然要对数据进行加密才行。刚才提到了，加密方式主要有两种，对称加密和非对称加密。对称加密的优点是加解密效率高，而我们在网络上传输数据是非常讲究效率的，因此这里很明显应该使用对称加密。示意图如下：




可以看到，由于我们在网络上传输的数据都是密文，所以不怕被监听者获取到，因为他们无法得知原文是什么。而浏览器收到密文之后，只需要使用和网站相同的密钥来对数据进行解密就可以了。


这种工作机制看上去好像确实保证了数据传输的安全性，但是却存在一个巨大的漏洞：浏览器和网站怎样商定使用什么密钥呢？


这绝对是一个计算机界的难题，浏览器和网站要使用相同的密钥才能正常对数据进行加解密，但是如何让这个密钥只让它们俩知晓，而不被任何监听者知晓呢？你会发现不管怎么商定，浏览器和网站的首次通信过程必定是明文的。这就意味着，按照上述的工作流程，我们始终无法创建一个安全的对称加密密钥。


所以，只使用对称加密看来是永远无法解决这个问题了，这个时候我们需要将非对称加密引入进来，协助解决无法安全创建对称加密密钥的问题。


那么为什么非对称加密就可以解决这个问题呢？我们还是通过示意图的方式来理解一下：




可以看到，如果我们想要安全地创建一个对称加密的密钥，可以让浏览器这边来随机生成，但是生成出来的密钥不能直接在网络上传输，而是要用网站提供的公钥对其进行非对称加密。由于公钥加密后的数据只能使用私钥来解密，因此这段数据在网络上传输是绝对安全的。而网站在收到消息之后，只需要使用私钥对其解密，就获取到浏览器生成的密钥了。


另外，使用这种方式，只有在浏览器和网站首次商定密钥的时候需要使用非对称加密，一旦网站收到了浏览器随机生成的密钥之后，双方就可以都使用对称加密来进行通信了，因此工作效率是非常高的。


那么，上述的工作机制你认为已经非常完善了吗？其实并没有，因为我们还是差了非常关键的一步，浏览器该怎样才能获取到网站的公钥呢？虽然公钥是属于公开的数据，在网络上传输不怕被别人监听，但是如果公钥被别人篡改了怎么办？示意图如下：




也就是说，只要我们从网络上去获取任何网站的公钥，就必然存在着公钥被篡改的风险。而一旦你使用了假的公钥来对数据进行加密，那么就可以被别人以假的私钥进行解密，后果不堪设想。


方案设计到这里好像已经进入了死胡同，因为无论如何我们都无法安全地获取到一个网站的公钥，而我们显然也不可能将世界上所有网站的公钥都预置在操作系统当中。


这个时候，就必须引入一个新的概念来打破僵局了：CA机构。


CA机构专门用于给各个网站签发数字证书，从而保证浏览器可以安全地获得各个网站的公钥。那么CA机构是如何完成这个艰巨的任务的呢？下面开始一步步解析。


首先，我们作为一个网站的管理员需要向CA机构进行申请，将自己的公钥提交给CA机构。CA机构则会使用我们提交的公钥，再加上一系列其他的信息，如网站域名、有效时长等，来制作证书。


证书制作完成后，CA机构会使用自己的私钥对其加密，并将加密后的数据返回给我们，我们只需要将获得的加密数据配置到网站服务器上即可。


然后，每当有浏览器请求我们的网站时，首先会将这段加密数据返回给浏览器，此时浏览器会用CA机构的公钥来对这段数据解密。


如果能解密成功，就可以得到CA机构给我们网站颁发的证书了，其中当然也包括了我们网站的公钥。你可以在浏览器的地址栏上，点击网址左侧的小锁图标来查看证书的详细信息，如下图所示。




得到了公钥之后，接下来的流程就和刚才示意图中所描述的一样了。


而如果无法解密成功，则说明此段加密数据并不是由一个合法的CA机构使用私钥加密而来的，有可能是被篡改了，于是会在浏览器上显示一个著名的异常界面，如下图所示。




那么你可能会问了，有了CA机构之后就真的安全了吗？我们在浏览器端要使用CA机构的公钥来解密数据，那么又该如何安全地获取到CA机构的公钥呢？


这个问题就很好解决了，因为世界上的网站是无限多的，而CA机构总共就那么几家。任何正版操作系统都会将所有主流CA机构的公钥内置到操作系统当中，所以我们不用额外获取，解密时只需遍历系统中所有内置的CA机构的公钥，只要有任何一个公钥能够正常解密出数据，就说明它是合法的。


Windows系统的内置证书如下：




但是即使使用CA机构的公钥能够正常解密出数据，目前的流程也还是存在问题的。因为每一家CA机构都会给成千上万的网站制作证书，假如攻击者知道abc.com使用的是某家CA机构的证书，那么他也可以同样去这家CA机构申请一个合法的证书，然后在浏览器请求abc.com时对返回的加密证书数据进行替换。示意图如下：




可以看到，由于攻击者申请的证书也是由正规CA机构制作的，因此这段加密数据当然可以成功被解密。


也正是因为这个原因，所有CA机构在制作的证书时除了网站的公钥外，还要包含许多其他数据，用来辅助进行校验，比如说网站的域名就是其中一项重要的数据。


同样是刚才的例子，如果证书中加入了网站的域名，那么攻击者就只能无功而返了。因此，即使加密数据可以被成功解密，但是最终解密出来的证书中包含的域名和浏览器正在请求的域名对不上，那么此时浏览器仍然会显示异常界面。示意图如下：




好了，方案设计到这里，其实我们的网络传输就已经做到足够的安全了。当然，这其实也就是https的工作原理。


那么回到一开始的问题：https使用的是对称加密还是非对称加密呢？答案也很明显了，https使用的是对称加密与非对称加密相结合的方式。


当然，如果你想继续深入研究，https中还有许许多多的细节值得去挖掘。但是继续写下去的话，这篇文章可能就不再是最好懂的https讲解了，所以我觉得写到这里刚刚好。


假如你和我一样，主要从事的是客户端方向的开发，那么了解这么多https的知识已经足够应对常见的面试以及工作中遇到的问题了。