都2022年了，还不会对称加密和非对称加密算法？

Posted 2022-02-08 JavaEdge.

0 前言

下单做一次支付，若还是使用HTTP协议，可能会被黑客盯上。
你发送个请求，买娃娃，但该网络包被截获，于是在服务器回复你之前，黑客先假装自己就是电商网站，然后给你回复一个假消息：“好呀，来把银行卡号、密码拿来。”
这时你真把银行卡密码发给它，就中招了。

怎么解决这种问题？

一般想法就是加密：

• 对称加密
  加密、解密使用相同密钥。因此，要保证安全性，密钥就要做好保密。
• 非对称加密
  加密使用的密钥和解密使用的密钥不同：
  • 一把作为公开的公钥
  • 另一把作为谁都不给的私钥
    公钥加密的信息，只有私钥才能解密。私钥加密的信息，只有公钥才能解密。

因为对称加密算法相比非对称加密算法来说，效率较高，性能也好，所以常用对称加密。

1 对称加密

假设你和电商网站约定一个密钥，你发请求时候用该密钥进行加密，电商网站用同样密钥进行解密。
就算黑客中途截获你的请求，但它没有密钥，破解不了。

但双方如何约定密钥？

若密钥在互联网上传输，很可能被截获，黑客可以假装不知，静静地等你们两个交互。你们之间互通的任何消息，它都能截获并且查看，等于你把银行卡账号和密码发出来。

我们经常能看到，特工破译的密码会有个密码本，截获无线电台，通过密码本就能将原文破解出来。
怎么把密码本给对方呢？那就只能通过线下传输。

比如，你和电商网站偷偷约定时间地点，它给你一个纸条，写着你们两个的密钥，然后说以后就用这个密钥在互联网购物了。
你们接头时，也要先约定一个口号，如“天王盖地虎”，口号对上，才把纸条给对方。
但“天王盖地虎”也还是对称加密密钥，也存在如何把“天王盖地虎”约定成口号的问题。而且谍战剧中一对一接头还可以，但互联网用户太多，显然行不通。

2 非对称加密

所以，只要是对称加密，就会陷入死循环，只能依赖非对称加密。

• 非对称加密的私钥放在电商网站，不会在互联网上传输，保证该秘钥的私密性
• 但对应私钥的公钥，可在互联网随意传播，只要电商网站把这个公钥给你，你们就能愉快互通

比如你用公钥加密，说“我要买娃娃”，黑客在中间就算截获这个报文，因为它没有私钥，解不开，所以该报文能顺利到达电商网站，电商网站再用私钥解密这个报文，然后回复，“那给我银行卡和支付密码吧”。

其实还是有问题的。回复的这句话，是电商网站拿私钥加密的，互联网上人人都可以把它打开，当然包括黑客。

那电商网站可以拿公钥加密吗？

不能，因为它自己的私钥只有自己知道，谁也解不开。

而且黑客也能模拟发送“我要买娃娃”，因为它也拿得到电商网站的公钥。
所以一对公钥私钥远远不够，客户端也要有自己的公钥和私钥，并且客户端要把自己的公钥，给电商网站。

这样，客户端给电商网站发送时，用电商网站的公钥加密。
而电商网站给客户端发消息时，使用客户端的公钥。这样就算有黑客企图模拟客户端获取一些信息或半路截获回复信息，由于没有私钥，就无法打开这些信息。

数字证书

不对称加密也面临同样问题，如何将不对称加密的公钥给对方：

• 放在一个公网地址上，让对方下载
• 在建立连接时，传给对方

俩方案有相同的问题：作为一个普通用户，如何甄别别人给你的公钥是对的。
会不会有人冒充电商网站，发给你一个它的公钥。接下来，你和它所有的互通，看起来都是没有任何问题的。毕竟每个人都可以创建自己的公钥和私钥。

例如，我自个儿搭建了一个网站xxxsite，先创建私钥：

openssl genrsa -out xxxsiteprivate.key 1024

然后，再根据这个私钥，创建对应的公钥。

openssl rsa -in xxxsiteprivate.key -pubout -outcliu8sitepublic.pem

这时候就需要权威部门介入，就像每个人都可以自己打印简历，说自己是谁，但最后还是要有公安局证明的比如身份证，才能证明你是你。这个由权威部门颁发的称为证书（Certificate）。

证书

里面有啥：

• 公钥
  最重要的
• 证书的所有者
  就像身份证上有你的姓名和身份证号，说明这个身份证是你的
• 证书的发布机构和证书的有效期
  就像身份证上的机构是哪个区公安局，有效期到xx年

如何生成证书？

会不会有人假冒权威机构颁发证书呢？就像有假身份证一样。
生成证书需要发起一个证书请求，然后将该请求发给一个权威机构去认证，这个权威机构称为CA（ Certificate Authority）。

证书请求可以通过这个命令生成。

openssl req -key xxxsiteprivate.key -new -out cliu8sitecertificate.req

将这个请求发给权威机构，权威机构会给这个证书卡一个章，我们称为签名算法。
怎么签名才能保证是真的权威机构签名的呢？
用只掌握在权威机构里的东西签名才行，这就是CA的私钥。

签名算法

对信息做一个Hash计算，得到一个Hash值，该过程是不可逆的，即无法通过Hash值得出原信息内容。
把信息发送出去时，把这个Hash值加密后，作为一个签名和信息一起发出去。

权威机构给证书签名的命令是这样的。

openssl x509 -req -in xxxsitecertificate.req -CA cacertificate.pem 
	-CAkey caprivate.key -out xxxsitecertificate.pem

该命令会返回Signature ok，xxxsitecertificate.pem就是签过名的证书。CA用自己的私钥给电商网站的公钥签名，就相当于给电商网站背书，形成了外卖网站的证书。

该证书的内容：

openssl x509 -in xxxsitecertificate.pem -noout -text 

• Issuer
  证书是谁颁发的
• Subject
  证书颁发给谁
• Validity
  证书期限
• Public-key
  公钥内容
• Signature Algorithm
  签名算法

你不会从电商网站得到一个公钥，而是会得到一个证书，该证书有个发布机构CA，你只要得到这个发布机构CA的公钥，去解密电商网站证书的签名，解密成功，Hash也对的上，就说明这个电商网站的公钥没问题。

想验证证书，就需要CA的公钥，但怎么确定CA的公钥就是对的？

所以，CA的公钥也需要更牛的CA给它签名，然后形成CA的证书。
要想知道某CA的证书是否可靠，要看CA的上级证书的公钥，能不能解开这个CA的签名。
就像你不信区公安局，可以打电话问市公安局，让市公安局确认区公安局合法性。层层上去，直到全球皆知的几个著名大CA，称为root CA，做最后背书。

HTTPS的工作模式

非对称加密在性能上不如对称加密，能将结合二者优点呢？
如，公钥私钥主要用于传输对称加密的秘钥，而真正的双方大数据量的通信都是通过对称加密进行的。
可以的！这就是HTTPS协议的总体思路。

登录一个电商网站时，由于是HTTPS，客户端会发送Client Hello消息到服务器，以明文传输TLS版本信息、加密套件候选列表、压缩算法候选列表等信息。还有一个随机数，在协商对称密钥的时候使用。

这就类似在说：“您好，我想购物，但你要保密我买的啥。这是我的加密套路，再给你个随机数，你留着。”

然后，电商网站返回Server Hello消息，告诉客户端，服务器选择使用的协议版本、加密套件、压缩算法等，还有一个随机数，用于后续的密钥协商。

这就像在说：“您好，保密没问题，你的加密套路还挺多，咱们就按套路2吧，我这里也有个随机数，你也留着。”

然后，电商网站会给你一个服务器端的证书，然后说：“Server Hello Done，我这里就这些信息了。”

你当然不相信这个证书，于是你从自己信任的CA仓库中，拿CA的证书里面的公钥去解密电商网站的证书：成功，则说明电商网站可信。
这个过程中，你可能会不断追溯当前CA的上级，直到一个授信的CA。

证书验证完后，觉得这个电商网站可信，于是客户端计算产生随机数字Pre-master，发送Client Key Exchange，用证书中的公钥加密，再发送给服务器，服务器可以通过私钥解密出来。

至此，无论是客户端or服务器，都有三个随机数：自己的、对端的及刚生成的Pre-Master随机数。
通过这三个随机数，可以在客户端和服务器产生相同的对称密钥。

有了对称密钥，客户端就可以说：“Change Cipher Spec，咱们以后都采用协商的通信密钥和加密算法进行加密通信了。”

然后发送一个Encrypted Handshake Message，将已商定好的参数等，采用协商密钥进行加密，发送给服务器用于数据与握手验证。

同样，服务器也可以发送Change Cipher Spec：“没问题，咱们以后都采用协商的通信密钥和加密算法进行加密通信了”，并且也发送Encrypted Handshake Message的消息试试。当双方握手结束之后，就可以通过对称密钥进行加密传输了。

该过程除了加密解密之外，其他过程和HTTP一样，过程也非常复杂。

上面过程只包含HTTPS的单向认证，即客户端验证服务端的证书，是大部分场景，也能在更加严格安全要求的情况下，启用双向认证，双方互相验证证书。

重放与篡改

有了加密和解密，黑客截获了包也打不开了，但它能发送N次。这个往往通过Timestamp和Nonce随机数联合起来，然后做一个不可逆的签名来保证。

Nonce随机数保证唯一，或者Timestamp和Nonce合起来保证唯一，同样的，请求只接受一次，于是服务器多次受到相同Timestamp和Nonce，则视为无效即可。

如果有人想篡改Timestamp和Nonce，还有签名保证不可篡改性，如果改了用签名算法解出来，就对不上了，可以丢弃了。

总结

加密分对称加密和非对称加密。对称加密效率高，但是解决不了密钥传输问题；非对称加密可以解决这个问题，但是效率不高。

非对称加密需要通过证书和权威机构来验证公钥的合法性。

HTTPS是综合了对称加密和非对称加密算法的HTTP协议。既保证传输安全，也保证传输效率。