Http协议之Https&SSL/TLS&DNS

Posted 2022-12-11 杨哲丶

上一篇文章我们介绍了Http的一些方面，这时候我们继续来探讨剩下的一些知识点，http协议面试的时候还会被问到不少方面，比如 Https，SSL/TSL 加密，Dns解析问题，那我们继续探讨下去吧。

网络通信安全问题

不使用SSL/TLS的HTTP通信，就是不加密的通信。所有信息明文传播，带来了三大风险。

1. 窃听风险（eavesdropping）：第三方可以获知通信内容。
2. 篡改风险（tampering）：第三方可以修改通信内容。
3. 冒充风险（pretending）：第三方可以冒充他人身份参与通信。

SSL/TLS协议是为了解决这三大风险而设计的，希望达到：

1. 所有信息都是加密传播，第三方无法窃听。
2. 具有校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。
3. 配备身份证书，防止身份被冒充。

互联网是开放环境，通信双方都是未知身份，这为协议的设计带来了很大的难度。而且，协议还必须能够经受所有匪夷所思的攻击，这使得SSL/TLS协议变得异常复杂。

Https 解决通信安全问题

HTTPS 实际上是 HTTP Security 的简称，从本质上说 https 还是 http，只不过对于 https，在传输层多了一步加密。传统的 http 通信，http 属于应用层协议，那么它本质上是 TCP/IP 协议的表现层而已，那么 TCP 处于传输层，IP 处于网络层。

HTTPS 是在被打包传输之前多了一步加密，它使用的协议是SSL/TSL，现在很少说SSL，按照国际标准应该是TSL，TSL 是Transport Layer Security的简称，那么下面我们介绍 SSL/TSL 加密方式。

SSL/TSL加密

SSL/TLS协议的基本思路是采用公钥加密法，也就是说，客户端先向服务器端索要公钥，然后用公钥加密信息，服务器收到密文后，用自己的私钥解密。

但是在这里会碰到两个问题：

• 如何保证公钥不被篡改？

解决方法：将公钥放在数字证书中。只要证书是可信的，公钥就是可信的。

• 公钥加密计算量太大，如何减少耗用的时间？

解决方法：每一次对话（session），客户端和服务器端都生成一个”对话密钥”（session
key），用它来加密信息。由于”对话密钥”是对称加密，所以运算速度非常快，而服务器公钥只用于加密”对话密钥”本身，这样就减少了加密运算的消耗时间。

因此，SSL/TLS协议的基本过程是这样的：

1. 客户端向服务器端索要并验证公钥

2. 双方协商生成”对话密钥”

3. 双方采用”对话密钥”进行加密通信

上面过程的前两步，又称为”握手阶段”（handshake）。

四次握手的过程

“握手阶段”涉及四次通信，我们一个个来看。需要注意的是，”握手阶段”的所有通信都是明文的。

客户端发出请求（ClientHello）

首先，客户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。
在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。

1. 支持的协议版本，比如TLS 1.0版。
2. 一个客户端生成的随机数，稍后用于生成”对话密钥”。
3. 支持的加密方法，比如RSA公钥加密。
4. 支持的压缩方法。

这里需要注意的是，客户端发送的信息之中不包括服务器的域名。也就是说，理论上服务器只能包含一个网站，否则会分不清应该向客户端提供哪一个网站的数字证书。这就是为什么通常一台服务器只能有一张数字证书的原因。
对于虚拟主机的用户来说，这当然很不方便。2006年，TLS协议加入了一个Server Name Indication扩展，允许客户端向服务器提供它所请求的域名。

服务器回应（SeverHello）

服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容。

1. 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。

2. 一个服务器生成的随机数，稍后用于生成”对话密钥”。

3. 确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。

4. 服务器证书。

除了上面这些信息，如果服务器需要确认客户端的身份，就会再包含一项请求，要求客户端提供”客户端证书”。比如，金融机构往往只允许认证客户连入自己的网络，就会向正式客户提供USB密钥，里面就包含了一张客户端证书。

客户端回应

客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。

如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。

1. 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。
2. 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
3. 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。

上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称”pre-master key”。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的同一把”会话密钥”。

至于为什么一定要用三个随机数，来生成”会话密钥”，dog250解释得很好：
“不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。
对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。
pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的可不是一。”

此外，如果前一步，服务器要求客户端证书，客户端会在这一步发送证书及相关信息。

服务器的最后回应

服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的”会话密钥”。然后，向客户端最后发送下面信息。

1. 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
2. 服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。

至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用”会话密钥”加密内容。

Dns 解析

概念

DNS域名解析是互联网上非常重要的一项服务，上网冲浪（还有人在用这个词吗？）伴随着大量DNS服务来支撑，而对于网站运营来说，DNS域名解析的稳定可靠，意味着更多用户的喜欢，更好的SEO效果和更大的访问流量。我们先了解一下什么是DNS：

DNS，就是Domain Name System的缩写，翻译过来就是域名系统，是互联网上作为域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库。DNS能够使用户更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。通过域名，最终得到该域名对应的IP地址的过程叫做域名解析（或主机名解析）。

实现过程

下面这张图，详细说明了一个DNS域名解析的全过程：

网络客户端就是我们平常使用的电脑，打开浏览器，输入一个域名。比如输入www.163.com，这时，你使用的电脑会发出一个DNS请求到本地DNS服务器。本地DNS服务器一般都是你的网络接入服务器商提供，比如中国电信，中国移动。

查询www.163.com的DNS请求到达本地DNS服务器之后，本地DNS服务器会首先查询它的缓存记录，如果缓存中有此条记录，就可以直接返回结果。如果没有，本地DNS服务器还要向DNS根服务器进行查询。

根DNS服务器没有记录具体的域名和IP地址的对应关系，而是告诉本地DNS服务器，你可以到域服务器上去继续查询，并给出域服务器的地址。

本地DNS服务器继续向域服务器发出请求，在这个例子中，请求的对象是.com域服务器。.com域服务器收到请求之后，也不会直接返回域名和IP地址的对应关系，而是告诉本地DNS服务器，你的域名的解析服务器的地址。

最后，本地DNS服务器向域名的解析服务器发出请求，这时就能收到一个域名和IP地址对应关系，本地DNS服务器不仅要把IP地址返回给用户电脑，还要把这个对应关系保存在缓存中，以备下次别的用户查询时，可以直接返回结果，加快网络访问。

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参考：
1. SSL/TLS协议运行机制的概述
2. 一张图看懂DNS域名解析全过程