浅谈HTTPS和SSL/TLS协议的背景和基础

Posted 2020-08-04 无情风91

相关背景知识
要说清楚HTTPS协议的实现原理，至少要需要如下几个背景知识。
大致了解几个基础术语(HTTPS、SSL、TLS)的含义
大致了解HTTP和TCP的关系(尤其是"短连接"和"长连接")
大致了解加密算法的概念(尤其是"对称加密和非对称加密")
大致了解CA证书的用途

考虑到很多的技术菜鸟不可能了解到上述的背景，我想用最简单的文字描述一下。如果你自己认为自己不是菜鸟，请略过此文，直接看"HTTP协议的需求"。

HTTPS:
首先，HTTP是一个网络协议，是专门用来帮你传输WEB内容的，关于这个协议，就算你不知道，至少听说过吧。
比如说:http://www.baidu.com。http就是协议部分，大部分的网站就是通过HTTP协议来传输WEB页面、以及WEB页面上的各种东西。

SSL、TLS:SSL是杨文"Secure Sockets Layer"的缩写，中文叫"安全套接层"。有网景公司设计。顺便插一句，网景公司不关发明了SSL，还发明了很多WEB基础的设施(CSS样式和JS脚本)。
为啥发明SSL这个协议呢？因为原来互联网使用的HTTP协议是用明文写的，存在很多的缺点，比如说传输内容会被偷窥。和篡改。发明SSL协议，就是说为了解决这个问题。
到了1999年，SSL因为应用广乏，已经成为了互联网的标准，IETF就是在那年把SSL标准化的。标准化之后的名称改为TLS。叫做"传输层安全协议"。
很多的相关文章吧这两者并称为(SSL/TLS)。因为这两者可以看成是同一个东西的不同的阶段。
3.HTTPS是啥意思？
解释完HTTP和SSL/TLS，现在就可以来解释HTTPS了。咱们通常说HTTPS协议。说变了就是HTTP协议和SSL/TLS协议的组合。
你可以把HTTPS大致理解为-"HTTP over SSL"和"HTTP over TLS"(反正SSL和TLS差不多)
说说HTTP的特点
作为背景知识姐好啊，还需要再稍微读一下HTTP协议的本身的特点。HTTP本省有很多特点，考虑到篇幅有限，我制度那些和HTTPS相关的特点。
1.HTTP的版本和历史
如今我们用的HTTP协议，这个版本号是2.0。之前还有三个版本1.1和0.9和1.0。其中0.9倍广乏使用。1.0也是。
HTTP和TCP关系
简单来说，TCP协议就是HTTP协议的基础-HTTP协议需要依赖TCP协议来传输数据。
在网络的分层中，TCP被称为"传输层协议",HTTP被称为"应用层协议"。
有很多的常用的应用协议是以TCP为基础的,比如说"FTP、SMTP、POP、IMAP"等。
TCP被称为"面向连接"的传输层协议。关于他的具体的细节，我就不张开了。你只需要知道：传输层主要有两个协议：TCP和UDP。TCP比UDP更加的可靠。你可以把TCP协议想象成某个水管。发送端这边进水，先发送的数据线到达。（UDP不能保证这一点）。
TCP是克劳连接，不丢包。UDP不能保证。
3.HTTP协议如何使用TCP连接？
HTTP对TCP连接的使用，分为两种方式："短连接","长连接"(持续连接)，杨文叫做keep alive。
假设一个网页，里面有很多的图片和css文件和js文件。
在短连接的模式下，浏览器将会先发出一个TCP连接，拿到这个网页的html源代码(拿到HTML之后，这个TCP连接就关闭了)。然后，浏览器开始分析这个网站的源码，知道这个页面包含很多的外部的资源。图片、资源、css、js。然后针对每一个外部资源，在分别发起一个TCP连接，把这些文件获取到本地（同样的，没抓取一个外部资源后，相应的TCP就会断开）
相反，如果是"长连接"的方式，浏览器也会先发起一个TCP连接去赚取页面，单是抓取页面之后，该TCP连接并不会立即关闭，而是暂时先保持着，然后浏览器分析HTML源码之后，发现有很多的外部资源，就用刚才的那个TCP连接去抓取这个页面外部资源。

在HTTP1.0，默认使用的是"短连接"，那个时候是WEB诞生初期，网页相对比较简单，"单链接"的问题不大。

到了1995年底开始自定HTTP1.1草案的是，网页开始变的复杂，(脚本和样式越来越多)，这个时候再用短连接的方式，效率太低了。因为TCP连接是有时间成本的CPU成本的。所以在HTTP1.1中，默认采用的是keep-alive。
关于keep-alive的更多的介绍，可以百度。
1.啥是加密和解密：通俗来说，你可以把"加密"和"解密"理解成某种互逆的数学过程。就好比加法和减法的运算。乘法和除法的运算。"加密"的过程就是把明文变成"密文"。反之，"解密"就是把密文转化成明文。
这两个过程中，需要有一个关键的东西：秘钥。
2.啥是"对称加密"
所谓的"对称加密技术"。意思是"加密"和"解密"使用相同的秘钥。这个比较好理解。
就好比你用7zip或者winrar创建一个带密码的加密压缩吧。当你再次要把这个压缩包文件解开的时候，你需要输入相同的密码。在这个例子中，密码口号就相当于刚才说的秘钥。
3.啥是非对称加密
所谓的"非对称加密技术"。意思就是"加密"和"解密"使用。这玩意比较那理解。也比较难想象。当年的"非对称加密"的发明。还被誉为"密码学"历史的一次革命。
犹豫篇幅有限，对"非对称加密"这个话题，我就不详述了。
4.各自有啥优缺点
看完这个定义，很显然，"非对称加密"能干的事情比"对称加密"要多。这是"非对称加密"的优点。但是"非对称加密"的实现，通常需要涉及到"复杂数学问题"。所以，"非对称加密"的性能通常要差很多。
这两者的优缺点，也影响到SSL协议的涉及。
HTTPS学医的需求是啥
现在是正题了。先啦说说当初涉及HTTPS是为了满足那些需求的？
很多介绍HTTPS的文章一上来就是说很多的细节。个人觉得：这不是一个号的做法。
因为是现有HTTP再有HTTPS。所以，HTTPS的设计者肯定要考虑到对源头的HTTP的兼容性。
这里所说的兼容性包含很多的方面。比如说有的WEB应用要竟可能的迁移到HTTPS；再比如说对浏览器厂商来说，改动要尽可能的小。基于"兼容性"方面的考虑，很容易得出如下几个结论：
1.HTTPS还是要给予TCP来传输
(如果改成UDP作为传输层)，无论是WEB服务器还是浏览器客户端，都得大改，改动太大了。
单独使用一个新的协议，吧HTTP协议包裹起来。
所谓的HTTP over SSL，实际上是在原有的基础上家里一层SSL的封装。HTTP协议原有的GET、POST之类的机制，原封不动。
打个比方。如果原来的HTTP是塑料水管没在包一层金属水管，一来原来的塑料水管照常运行，而来，用金属加固的，不容易抽破。
前面说了，HTTPS相当于"HTTP over SSL"。
如果SSL这个协议在"可扩展性"方面上涉及足够NB，那么除了能和HTTP搭配，还能干和其他的应用层协议搭配。不是很完美吗？
现在看来，当初设计SSL的人确实比较NB之外，如今SSL/TLS可以和很多的常用的应用层搭配，来强化这个协议的安全性。

接着刚才的比方，如果把SSL、TLS是做是一根用来加固的金属管，他不仅可以用来加密输水的管道，还可以用来加固输煤气的管道。
保密性
HTTP需要做到足够好的保密性。
说道保密性，说先需要能够对抗嗅探sniffer。所谓的嗅探，通俗的就是监视你的网络传输流量，如果你是使用明文的HTTP上网的话，那么监视着通过嗅探，就知道你在访问的那些网络的那些页面了。
嗅探是最低级的攻击手法。除了嗅探，HTTPS还需要对抗其他的一些稍微高级的攻击手法，比如"重放攻击"。
完整性：除了保密性，还有一个同样重要的目标是确保完整性。
在发明这个HTTPS之前，由于HTTP是明文的，不但容易被嗅探，还容易被篡改。
举个栗子：
比如咱们的网络运营商（ISP）都比较流氓，经常有网友抱怨说访问某个网站是没有广告的，竟然会跳出很多中国电信的广告。为啥会这样子呢？应为你的网络流量需要经过ISP的线路才能到达公网。如果你使用的明文的HTTP，ISP很容易就在你的访问的页面中植入广告。
所以，当初设计HTTPS的时候，还有一个需求是"确保HTTP协议的内容不被篡改"。
当谈到HTTPS的需求的时候，"真实性"经常被忽略。其实"真实性"的重要程度不亚于前面的"保密性"和"完整性"。
举个栗子：
你因为使用网银，需要访问该网银的WEB网站。那么，你如何确保你访问的网站确实是你想要访问的网站呢？
有些同学说：通过看域名，因为DNS系统本身是不可靠的，尤其在设计SSL的那个年代，脸你看到的网站的域名未必是真是的。
所以，HTTPS协议必须是有某个机制来确保"真实性"的需求。
性能：
再来说最好一个需求--性能
引入HTTP之后，不能导致性能变得太差，否则的话，谁还用啊。
为了确保性能，SSL的设计者至少要考虑如下几点：
如何选择加密算法
如何兼顾HTTP采用的"短连接"TCP方式
SSL是在1995年之前开始设计的，那个时候的HTTP版本还是1.0，默认使用的是"短连接"的TCP方式，默认不适用keep-alive。
小结：以上就是设计SSL协议的时候，必须要兼顾的各种需求。
设计HTTP协议的主要难点
设计HTTPS这个协议，有好几个难点。
我个人认为最大的难点在于"秘钥交换"
在传统的密码学场景中，假设张三要和李四建立一个加密通讯的渠道，双方事先要约定好使用哪种加密算法。同事也要约定好使用的秘钥是山？在这种场景中，加密算法的乐行让旁人知道，没太大关系，但是秘钥千万不能躺叛忍知道，一旦旁人知道，自然可以破解通讯的密文，得到明文。
当你访问某个公网的网站，你的浏览器和网站的服务器之间，如果要建立加密通讯，必然要商量好双方使用啥算法。啥秘钥。在网络的通讯术语中。这个过程叫做"三次握手"。
在握手过程中，因为加密方式没有协商好，所以握手阶段必定是明文的。既然是明文，自然就有被第三方偷窥的可能。然后，还要考虑到双方之间间隔一个互联网，什么样的都有可能发生。
因此，在握手过程中，如何做到安全的交换秘钥信息，而不是让周围的第三方看到，这个就是设计HTTP最大的难点。连接了这些，你才能知道，为啥当初要把协议设计成这样子。