HTTPS连接过程

HTTP协议通信过程中使用未经加密的明文，安全性无法得到保证。比如在Web页面中输入信用卡号，如果这条通信线路遭到窃听，那么信用卡号就暴露了。

为了统一解决上述这些问题，需要在HTTP上再加入加密处理和认证等机制。我们把添加了加密及认证机制的HTTP称为HTTPS（HTTP Secure）。

宏观

HTTPS的整个连接过程是相当复杂的，网络、加密等均有涉及，所以我们先从宏观上看一下HTTPS是如何连接的，然后对连接过程中的点进行细化，请看下图

1. 客户端和服务器的协商过程，主要用来确定SSL版本、使用的加密算法、秘钥长度等
2. 协商过程中，服务端会发送公开秘钥证书给客户端，客户端用认证机关的公开密钥确认证书的有效性，然后取出公开秘钥
3. 客户端使用获得到的公开密钥，对客户端生成的通信加密中使用的一种被称为Pre-master secret的随机密码串进行加密，发送给服务端
4. 服务端使用私有秘钥对发来的数据进行解密，取出Pre-master secret
5. 服务端和客户端根据Pre-master secret生成master_secret，master_secret的计算公式为PRF(pre_master_secret, "master secret", ClientHello.random + ServerHello.random)，其中 ClientHello.random和ServerHello.random在协商过程中服务端和客户端完成交换，再通过该master_secret来产生对称加密的key
6. 客户端和服务端使用对称加密的key进行后续数据的发送

细节

SSL和TLS

SSL（Secure Sockets Layer，安全套接字层）协议最初是网景公司为了保障网上交易安全而开发的，该协议通过加密来保护客户个人资料，通过认证和完整性检查来确保交易安全。为达到这个目标，SSL协议在直接位于TCP上一层的应用层被实现。

SSL和TLS有什么关系呢？

IETF后来在标准化SSL协议时，将其改名为Transport Layer Security（TLS，传输层安全）。很多人会混用TLS和SSL，但严格来讲它们并不相同，因为它们指代的协议版本不同。

通常，HTTP直接和TCP通信。当使用SSL时，则演变成先和SSL通信，再由SSL和TCP通信了。简言之，所谓HTTPS，其实就是身披SSL协议这层外壳的HTTP。

在采用SSL后，HTTP就拥有了HTTPS的加密、证书和完整性保护这些功能。

SSL是独立于HTTP的协议，所以不光是HTTP协议，其他运行在应用层的SMTP和Telnet等协议均可配合SSL协议使用。可以说SSL是当今世界上应用最为广泛的网络安全技术。

TLS在可靠的传输层（TCP）之上运行，这意味着首先必须完成TCP的“三次握手“。

对称加密和非对称加密

对称加密：也叫共享秘钥加密，加密和解密同用一个密钥。服务端将秘钥发送给客户端的过程中，容易被劫持，失去安全效果。

非对称加密：也叫公开秘钥加密，非对称加密有两把秘钥，一把叫做私有密钥（private key），另一把叫做公开密钥（public key）。顾名思义，私有密钥不能让其他任何人知道，而公开密钥则可以随意发布，任何人都可以获得。发送密文的一方使用公开密钥进行加密处理，对方收到被加密的信息后，再使用自己的私有密钥进行解密。

HTTPS在交换pre_master_secret的过程中，使用的是非对称加密，主要目的是安全的协商出对称加密秘钥。

HTTPS获取到对称加密秘钥后，使用对称加密算法加密发送出的数据。

认证机关

公开秘钥存在一些问题，客户端如何知道收到的公开密钥确实是服务端的公开秘钥，传输中没有被攻击者替换掉？

这时候就需要数字证书认证机构（CA，Certificate Authority）和颁发的公开密钥证书。

服务器的运营人员向数字证书认证机构提出公开密钥的申请。数字证书认证机构在判明提出申请者的身份之后，会对已申请的公开密钥做数字签名，然后分配这个已签名的公开密钥，并将该公开密钥放入公钥证书后绑定在一起。

服务端将证书发给客户端，客户端用数字证书认证机构的公开密钥，对那张证书上的数字签名进行验证，一旦验证通过，客户端便可明确两件事：一，认证服务器的公开密钥的是真实有效的数字证书认证机构。二，服务器的公开密钥是值得信赖的。

客户端如何拿到数字证书认证机构的公开密钥？多数浏览器开发商发布版本时，会事先在内部植入常用认证机关的公开密钥。

HTTPS的安全通信流程

了解完宏观和细节，我们来看一下HTTPS完整的通信流程，这个流程是从TCP握手之后开始的

步骤1：客户端通过发送Client Hello报文开始SSL通信。报文中包含客户端支持的SSL的指定版本、加密组件（Cipher Suite）列表（所使用的加密算法及密钥长度等）。

步骤2：服务器可进行SSL通信时，会以Server Hello报文作为应答。和客户端一样，在报文中包含SSL版本以及加密组件。服务器的加密组件内容是从接收到的客户端加密组件内筛选出来的。

步骤3：之后服务器发送Certificate报文。报文中包含公开密钥证书。

步骤4：最后服务器发送Server Hello Done报文通知客户端，最初阶段的SSL握手协商部分结束。

步骤5：SSL第一次握手结束之后，客户端以Client Key Exchange报文作为回应。报文中包含通信加密中使用的一种被称为Pre-master secret的随机密码串。该报文已用步骤3中的公开密钥进行加密。

步骤6：接着客户端继续发送Change CipherSpec报文。该报文会提示服务器，在此报文之后的通信会采用Pre-master secret密钥加密。

步骤7：客户端发送Finished报文。该报文包含连接至今全部报文的整体校验值。这次握手协商是否能够成功，要以服务器是否能够正确解密该报文作为判定标准。

步骤8：服务器同样发送Change Cipher Spec报文。

步骤9：服务器同样发送Finished报文。

步骤10：服务器和客户端的Finished报文交换完毕之后，SSL连接就算建立完成。当然，通信会受到SSL的保护。从此处开始进行应用层协议的通信，即发送HTTP请求。

步骤11：应用层协议通信，即发送HTTP响应。

步骤12：最后由客户端断开连接。断开连接时，发送close_notify报文。上图做了一些省略，这步之后再发送TCP FIN报文来关闭与TCP的通信。

严肃版的通信流程如下图所示

总结

HTTPS的连接过程还是挺复杂的，本文只是简单的介绍了整个框架，里面还有诸多的细节值得去探讨。至于探讨到什么深度，完全看自己的需要，毕竟对于一些工作，不懂HTTPS也能做。

资料

1. Web性能权威指南
2. 图解HTTP
3. https的pre-master-secret到master-secret的过程？

最后

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往期文章回顾：

技术

1. HTTPS连接过程
2. 限流实现2
3. 秒杀系统
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5. 微服务之服务框架和注册中心
6. Beego框架使用
7. 浅谈微服务
8. TCP性能优化
9. 限流实现1
10. Redis实现分布式锁
11. Golang源码BUG追查
12. 事务原子性、一致性、持久性的实现原理
13. CDN请求过程详解
14. 常用缓存技巧
15. 如何高效对接第三方支付
16. Gin框架简洁版
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1. 项目流程管理
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