[计算机网络]---Https协议

简介: [计算机网络]---Https协议

一、https协议

HTTPS 也是⼀个应⽤层协议. 是在 HTTP 协议的基础上引⼊了⼀个加密层. HTTP 协议内容都是按照⽂本的⽅式明⽂传输的. 这就导致在传输过程中出现⼀些被篡改的情况

1、什么是加密

  • 加密就是把 明⽂ (要传输的信息)进⾏⼀系列变换, ⽣成 密⽂ .
  • 解密就是把 密⽂ 再进⾏⼀系列变换, 还原成 明⽂ .

这里我们要对a进行加密,那么我们就以200为key为密钥,a^key就会得到一个b这里面的内容给被人看就是乱码的,这就进行了加密,在发送到网络中可以保证起安全性,接收方在对密文进行解密就可以得到想要的内容。

2、为什么要加密

我们在网站上下载一个天天动听,当我们下载完成后发现变成了qq浏览器。

这是为什么?

  • 由于我们通过⽹络传输的任何的数据包都会经过运营商的⽹络设备(路由器, 交换机等), 那么运营商的⽹ 络设备就可以解析出你传输的数据内容, 并进⾏篡改. 点击 "下载按钮", 其实就是在给服务器发送了⼀个 HTTP 请求, 获取到的 HTTP 响应其实就包含了该 APP 的下载链接. 运营商劫持之后, 就发现这个请求是要下载天天动听, 那么就⾃动的把交给⽤⼾的响应 给篡改成 "QQ浏览器" 的下载地址了.

所以:因为http的内容是明⽂传输的,明⽂数据会经过路由器、wifi热点、通信服务运营商、代理服务 器等多个物理节点,如果信息在传输过程中被劫持,传输的内容就完全暴露了。劫持者还可以篡改传 输的信息且不被双⽅察觉,这就是 中间⼈攻击 ,所以我们才需要对信息进⾏加密

3、几种加密方式

对称加密

  • 采⽤单钥密码系统的加密⽅法,同⼀个密钥可以同时⽤作信息的加密和解密,这种加密⽅法称为对 称加密,也称为单密钥加密,特征:加密和解密所⽤的密钥是相同的 。
  • 常⻅对称加密算法(了解):DES、3DES、AES、TDEA、Blowfish、RC2等 。
  • 特点:算法公开、计算量⼩、加密速度快、加密效率⾼

对称加密其实就是通过同⼀个 "密钥" , 把明⽂加密成密⽂, 并且也能把密⽂解密成明⽂.

上面我们进行逆或加密就是对称加密

⾮对称加密

  • 需要两个密钥来进⾏加密和解密,这两个密钥是公开密钥(public key,简称公钥)和私有密钥 (private key,简称私钥)。
  • 常⻅⾮对称加密算法(了解):RSA,DSA,ECDSA。
  • 特点:算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥但是由于其算法复杂,⽽使得加密解密速度没有对 称加密解密的速度快。

公钥和私钥是配对的. 最⼤的缺点就是运算速度⾮常慢,⽐对称加密要慢很多.

.这⾥举⼀个简单的⽣活上的例⼦:

A 要给 B ⼀些重要的⽂件, 但是 B 可能不在. 于是 A 和 B 提前做出约定: B 说: 我桌⼦上有个盒⼦, 然后我给你⼀把锁, 你把⽂件放盒⼦⾥⽤锁锁上, 然后我回头拿着钥匙来开锁 取⽂件. 在这个场景中, 这把锁就相当于公钥, 钥匙就是私钥. 公钥给谁都⾏(不怕泄露), 但是私钥只有 B ⾃⼰持 有. 持有私钥的⼈才能解密.

二、https加密过程探究

在进行网络通信的过程中,我们要解决二个问题,数据被监听,数据被篡改。

上面我们通过加密方式一定程度上可以解决监听问题,但是怎么知道我们的数据没有被更改呢?

1、数据摘要 && 数据指纹

  • 数字指纹(数据摘要),其基本原理是利⽤单向散列函数(Hash函数)对信息进⾏运算,⽣成⼀串固定⻓度 的数字摘要。数字指纹并不是⼀种加密机制,但可以⽤来判断数据有没有被窜改。
  • 摘要常⻅算法:有MD5、SHA1、SHA256、SHA512等,算法把⽆限的映射成有限,因此可能会有 碰撞(两个不同的信息,算出的摘要相同,但是概率⾮常低)。
  • 摘要特征:和加密算法的区别是,摘要严格意义不是加密,因为没有解密,只不过从摘要很难反推 原信息,通常⽤来进⾏数据对⽐

为什么要数据摘要?

不知道大家在百度网盘上传输过资料吗?百度的服务器是如何做到不重复存放上传的文件呢?

对应一个非常大的文件,我们进行hash算法,就生成一个固定的字符串,我们可以对比百度网盘中是否存放了自己上传的文件,如果有就不在存放,这就节省了不必要的资源损耗。、

2、数据签名

摘要经过加密,就得到数字签名

数字签名是一种用于验证数字信息完整性、真实性和不可否认性的技术手段。它通常用于确保数据在传输或存储过程中不被篡改,并且可以追溯到发送者。

数字签名的过程涉及使用某种加密算法对原始数据进行哈希运算,并使用发送者的私钥对哈希值进行加密,生成数字签名。接收者可以使用发送者的公钥对数字签名进行解密,并对原始数据进行哈希运算,然后将解密后的签名与计算出的哈希值进行比对,以验证数据的完整性和真实性。

数字签名具有以下特性:

  1. 完整性: 数字签名可以确保数据在传输或存储过程中没有被篡改。
  2. 真实性: 数字签名可以证明数据确实来自于签名者。
  3. 不可否认性: 签名者不能否认已签名的数据,因为签名是由其私钥生成的,只有拥有相应私钥的签名者才能生成有效签名。

上面我们知道数据摘要和数据签名。为了探究https协议,下面我们进行不同加密方探索

3、⽅案 1 - 只使⽤对称加密

从理论上如果通信双⽅都各⾃持有同⼀个密钥X,且没有别⼈知道,这两⽅的通信安全当然是可以被保证的,但是我们很容易理解服务器会有密钥,但是我们怎么把这个密钥给客户端呢?

直接发送就会容易让中间人(黑客)劫持,从而让加密形同虚设。

那我们加密密钥x发送不可以?那客户端如何进行解密呢?不是还需要密钥,这是陷入了是先有鸡还是先有蛋的问题。

所以单纯的用对称加密是不可靠的。

4、 ⽅案 2 - 只使⽤⾮对称加密

鉴于⾮对称加密的机制,如果服务器先把公钥以明⽂⽅式传输给浏览器,之后浏览器向服务器传数据 前都先⽤这个公钥加密好再传,从客⼾端到服务器信道似乎是安全的(有安全问题),因为只有服务器有 相应的私钥能解开公钥加密的数据。

但是服务器到浏览器的这条路怎么保障安全?

如果服务器⽤它的私钥加密数据传给浏览器,那么浏览器⽤公钥可以解密它,⽽这个公钥是⼀开始通 过明⽂传输给浏览器的,若这个公钥被中间⼈劫持到了,那他也能⽤该公钥解密服务器传来的信息 了。

5、⽅案 3 - 双⽅都使⽤⾮对称加密

  • 1服务端拥有公钥S与对应的私钥S',客⼾端拥有公钥C与对应的私钥C'。
  • 2. 客⼾和服务端交换公钥。
  • 3. 客⼾端给服务端发信息:先⽤S对数据加密,再发送,只能由服务器解密,因为只有服务器有私钥 S'。
  • 4. 服务端给客⼾端发信息:先⽤C对数据加密,在发送,只能由客⼾端解密,因为只有客⼾端有私钥 C'。

存在问题:

  • 非常慢
  • 然后存在安全问题

这里非常慢我可以理解,要进行推送公钥导致效率低下,但是怎么会存在安全问题。

大家可以想如果在C客户端和S服务器间存在一个中间人 ,在C明文推送的时候,进行拦截后将自己的公钥A发送给服务器,这时候服务器是不能判断公钥是否为客户端发送,然后他用公钥A进行加密,中间人不就可以用自己的密钥解密了。所以说是不安全的。

6、⽅案 4 - ⾮对称加密 + 对称加密

  • 服务端具有⾮对称公钥S和私钥S'。
  • 客⼾端发起https请求,获取服务端公钥S。
  • 客⼾端在本地⽣成对称密钥C, 通过公钥S加密, 发送给服务器.。
  • 由于中间的⽹络设备没有私钥, 即使截获了数据, 也⽆法还原出内部的原⽂, 也就⽆法获取到对称密 钥(真的吗?)。
  • 服务器通过私钥S'解密, 还原出客⼾端发送的对称密钥C. 并且使⽤这个对称密钥加密给客⼾端返回 的响应数据. 。
  • 后续客⼾端和服务器的通信都只⽤对称加密即可. 由于该密钥只有客⼾端和服务器两个主机知道, 其 他主机/设备不知道密钥即使截获数据也没有意义。

这里先通过对称加密交换公钥,后面通过对称加密进行通信,这样效率就会比方案3高,但是仍会存在中间人攻击的情况

7、中间⼈攻击 - 针对上⾯的场景

确实,在⽅案2/3/4中,客⼾端获取到公钥S之后,对客⼾端形成的对称秘钥X⽤服务端给客⼾端的公钥 S进⾏加密,中间⼈即使窃取到了数据,此时中间⼈确实⽆法解出客⼾端形成的密钥X,因为只有服务 器有私钥S' 但是中间⼈的攻击,如果在最开始握⼿协商的时候就进⾏了,那就不⼀定了,假设hacker已经成功成 为中间⼈

  • 1. 服务器具有⾮对称加密算法的公钥S,私钥S'。
  • 2. 中间⼈具有⾮对称加密算法的公钥M,私钥M' 。
  • 3. 客⼾端向服务器发起请求,服务器明⽂传送公钥S给客⼾端。
  • 4. 中间⼈劫持数据报⽂,提取公钥S并保存好,然后将被劫持报⽂中的公钥S替换成为⾃⼰的公钥M, 并将伪造报⽂发给客⼾端 。
  • 5. 客⼾端收到报⽂,提取公钥M(⾃⼰当然不知道公钥被更换过了),⾃⼰形成对称秘钥X,⽤公钥M加 密X,形成报⽂发送给服务器 。6. 中间⼈劫持后,直接⽤⾃⼰的私钥M'进⾏解密,得到通信秘钥X,再⽤曾经保存的服务端公钥S加 密后,将报⽂推送给服务器
  • 7. 服务器拿到报⽂,⽤⾃⼰的私钥S'解密,得到通信秘钥X 。
  • 8. 双⽅开始采⽤X进⾏对称加密,进⾏通信。但是⼀切都在中间⼈的掌握中,劫持数据,进⾏窃听甚 ⾄修改,都是可以的 。

上⾯的攻击⽅案,同样适⽤于⽅案2,⽅案3 问题本质出在哪⾥了呢?客⼾端⽆法确定收到的含有公钥的数据报⽂,就是⽬标服务器发送过来的

为了解决中间人攻击的问题,我们引入了证书。

8、CA认证和理解数据签名

CA认证

服务端在使⽤HTTPS前,需要向CA机构申领⼀份数字证书,数字证书⾥含有证书申请者信息、公钥信 息等。服务器把证书传输给浏览器,浏览器从证书⾥获取公钥就⾏了,证书就如⾝份证,证明服务端 公钥的权威性

认证流程

证书书格式

这个 证书 可以理解成是⼀个结构化的字符串, ⾥⾯包含了以下信息:

• 证书发布机构

• 证书有效期

• 公钥

•证书所有者

• 签名

需要注意的是:申请证书的时候,需要在特定平台⽣成,会同时⽣成⼀对密钥,即公钥和私 钥。这对密钥对⼉就是⽤来在⽹络通信中进⾏明⽂加密以及数字签名的。 其中公钥会随着CSR⽂件,⼀起发给CA进⾏权威认证,私钥服务端⾃⼰保留,⽤来后续进⾏通信(其 实主要就是⽤来交换对称秘钥) 。

理解数据签名

签名的形成是基于⾮对称加密算法的,注意,⽬前暂时和https没有关系,不要和https中的公钥私钥搞 混了

当服务端申请CA证书的时候,CA机构会对该服务端进⾏审核,并专⻔为该⽹站形成数字签名,过程如 下:

  • 1. CA机构拥有⾮对称加密的私钥A和公钥A'
  • 2. CA机构对服务端申请的证书明⽂数据进⾏hash,形成数据摘要
  • 3. 然后对数据摘要⽤CA私钥A'加密,得到数字签名S

9、⽅案 5 - ⾮对称加密 + 对称加密 + 证书认证

在客⼾端和服务器刚⼀建⽴连接的时候, 服务器给客⼾端返回⼀个 证书,证书包含了之前服务端的公 钥, 也包含了⽹站的⾝份信息.

客⼾端进⾏认证 当客⼾端获取到这个证书之后, 会对证书进⾏校验(防⽌证书是伪造的).

  • • 判定证书的有效期是否过期。
  • • 判定证书的发布机构是否受信任(操作系统中已内置的受信任的证书发布机构)。
  • • 验证证书是否被篡改: 从系统中拿到该证书发布机构的公钥, 对签名解密, 得到⼀个 hash 值(称为数据摘要), 设为 hash1. 然后计算整个证书的 hash 值, 设为 hash2. 对⽐ hash1 和 hash2 是否相等. 如 果相等, 则说明证书是没有被篡改过的

中间⼈有没有可能篡改该证书?

  • 中间⼈篡改了证书的明⽂。
  • 由于他没有CA机构的私钥,所以⽆法hash之后⽤私钥加密形成签名,那么也就没法办法对篡改后 的证书形成匹配的签名。
  • 如果强⾏篡改,客⼾端收到该证书后会发现明⽂和签名解密后的值不⼀致,则说明证书已被篡改, 证书不可信,从⽽终⽌向服务器传输信息,防⽌信息泄露给中间⼈ 。

中间⼈整个掉包证书?

  • 因为中间⼈没有CA私钥,所以⽆法制作假的证书(为什么?)。
  • 所以中间⼈只能向CA申请真证书,然后⽤⾃⼰申请的证书进⾏。
  • 这个确实能做到证书的整体掉包,但是别忘记,证书明⽂中包含了域名等服务端认证信息,如果整 体掉包,客⼾端依旧能够识别出来。
  • 永远记住:中间⼈没有CA私钥,所以对任何证书都⽆法进⾏合法修改,包括⾃⼰的。


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