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[24560] 2015-12-28_理解HTTPS的工作原理

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2015-12-28_理解HTTPS的工作原理 参 考 原 文 ： h t t p s : / / c a t t a i l . m e / t e c h / 2 0 1 5 / 1 1 / 3 0 / h o w - h t t p s - w o r k s . h t m l 作 者 ：   C h i y u   Z h o n g 理 解   H T T P S   的 工 作 原 理 C h i y u   Z h o n g   L i n u x 中 国   2 0 1 5 - 1 2 - 2 8 目 标 读 者 ： 理 解 H T T P 协 议 ， 对 称 和 非 对 称 加 密 ， 想 要 了 解 H T T P S 协 议 的 工 作 原 理 。 读 完 本 文 ， 你 能 明 白 什 么 是 H T T P S ， T L S ( S S L ) ， T L S 和 H T T P S 是 什 么 关 系 ？ 什 么 是 证 书 和 数 字 签 名 ， 它 们 是 如 何 传 递 信 任 的 ？ H T T P S 有 什 么 样 的 功 能 ， 它 是 如 何 实 现 这 样 的 功 能 的 ？ 简 介 简 介 H T T P S ， 也 称 作 H T T P   o v e r   T L S 。 T L S 的 前 身 是 S S L ， T L S   1 . 0 通 常 被 标 示 为 S S L   3 . 1 ， T L S   1 . 1 为 S S L   3 . 2 ， T L S   1 . 2 为 S S L   3 . 3 。 本 文 着 重 描 述 T L S 协 议 的 1 . 2 版 本 。 下 图 描 述 了 在 T C P / I P 协 议 栈 中 T L S ( 各 子 协 议 ） 和 H T T P 的 关 系
C r e d i t :   K a u s h a l   K u m a r   P a n d a y   F r o m :   S S L   H a n d s h a k e   a n d   H T T P S   B i n d i n g s   o n   I I S 其 中 H a n d s h a k e   p r o t o c o l ， C h a n g e   C i p e r   S p e c   p r o t o c o l 和 A l e r t   p r o t o c o l 组 成 了 S S L   H a n d s h a k i n g   P r o t o c o l s 。 H T T P S 和 H T T P 协 议 相 比 提 供 了 1 .   数 据 完 整 性 ： 内 容 传 输 经 过 完 整 性 校 验 2 .   数 据 隐 私 性 ： 内 容 经 过 对 称 加 密 ， 每 个 连 接 生 成 一 个 唯 一 的 加 密 密 钥 3 .   身 份 认 证 ： 第 三 方 无 法 伪 造 服 务 端 （ 客 户 端 ） 身 份 其 中 ， 数 据 完 整 性 和 隐 私 性 由 T L S   R e c o r d   P r o t o c o l 保 证 ， 身 份 认 证 由 T L S   H a n d s h a k i n g   P r o t o c o l s 实 现 。 总 览 总 览 使 用 R S A 算 法 的 S S L 握 手 过 程 是 这 样 的 ： S o u r c e :   K e y l e s s   S S L :   T h e   N i t t y   G r i t t y   T e c h n i c a l   D e t a i l s 1 .   [ 明 文 ]   客 户 端 发 送 随 机 数 和 支 持 的 加 密 方 式 列 表 2 .   [ 明 文 ]   服 务 器 返 回 随 机 数 ， 选 择 的 加 密 方 式 和 服 务 器 证 书 链 3 .   [ R S A ]   客 户 端 验 证 服 务 器 证 书 ， 使 用 证 书 中 的 公 钥 加 密 发 送 给 服 务 端 4 .   服 务 端 使 用 私 钥 解 密 c l i e n t _ r a n d o m s e r v e r _ r a n d o m p r e m a s t e r   s e c r e t p r e m a s t e r   s e c r e t
5 .   两 端 分 别 通 过 ， 和 生 成 ， 用 于 对 称 加 密 后 续 通 信 内 容 D i g i t a l c e r t i f i c a t e 证 书 证 书 那 么 什 么 是 证 书 呢 ？ 那 么 什 么 是 证 书 呢 ？ 证 书 中 包 含 什 么 信 息 ： 证 书 信 息 ： 过 期 时 间 和 序 列 号 所 有 者 信 息 ： 姓 名 等 所 有 者 公 钥 为 什 么 服 务 端 要 发 送 证 书 给 客 户 端 ？ 为 什 么 服 务 端 要 发 送 证 书 给 客 户 端 ？ c l i e n t _ r a n d o m s e r v e r _ r a n d o m p r e m a s t e r   s e c r e t m a s t e r   s e c r e t
互 联 网 有 太 多 的 服 务 需 要 使 用 证 书 来 验 证 身 份 ， 以 至 于 客 户 端 （ 操 作 系 统 或 浏 览 器 等 ） 无 法 内 置 所 有 证 书 ， 需 要 通 过 服 务 端 将 证 书 发 送 给 客 户 端 。 客 户 端 为 什 么 要 验 证 接 收 到 的 证 书 ？ 客 户 端 为 什 么 要 验 证 接 收 到 的 证 书 ？ 中 间 人 攻 击 客 户 端 如 何 验 证 接 收 到 的 证 书 ？ 客 户 端 如 何 验 证 接 收 到 的 证 书 ？ 为 了 回 答 这 个 问 题 ， 需 要 引 入 D i g i t a l   S i g n a t u r e 数 字 签 名 。 将 一 段 文 本 通 过 h a s h 哈 希 和 私 钥 加 密 处 理 后 生 成 数 字 签 名 。 假 设 消 息 传 递 在 B o b ， S u s a n 和 P a t 三 人 之 间 发 生 。 S u s a n 将 消 息 连 同 数 字 签 名 一 起 发 送 给 B o b ， B o b 接 收 到 消 息 后 ， 可 以 这 样 验 证 接 收 到 的 消 息 就 是 S u s a n 发 送 的 客 户 端 < - - - - - - - - - - - - 攻 击 者 < - - - - - - - - - - - - 服 务 端                 伪 造 证 书                         拦 截 请 求 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + |   A   d i g i t a l   s i g n a t u r e   | | ( n o t   t o   b e   c o n f u s e d     | | w i t h   a   d i g i t a l               | | c e r t i f i c a t e )                   |                         + - - - - - - - - - +                             + - - - - - - - - + |   i s   a   m a t h e m a t i c a l       | - - - - 哈 希 - - - > |   消 息 摘 要     | - - - 私 钥 加 密 - - - > |   数 字 签 名   | | t e c h n i q u e   u s e d               |                         + - - - - - - - - - +                             + - - - - - - - - + | t o   v a l i d a t e   t h e             | | a u t h e n t i c i t y   a n d           | | i n t e g r i t y   o f   a               | | m e s s a g e ,   s o f t w a r e         | | o r   d i g i t a l   d o c u m e n t .   | + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + |   A   d i g i t a l   s i g n a t u r e   | | ( n o t   t o   b e   c o n f u s e d     | | w i t h   a   d i g i t a l               | | c e r t i f i c a t e )                   |                         + - - - - - - - - - + |   i s   a   m a t h e m a t i c a l       | - - - - 哈 希 - - - > |     消 息 摘 要   | | t e c h n i q u e   u s e d               |                         + - - - - - - - - - + | t o   v a l i d a t e   t h e             |                                   | | a u t h e n t i c i t y   a n d           |                                   | | i n t e g r i t y   o f   a               |                                   | | m e s s a g e ,   s o f t w a r e         |                                   对 | o r   d i g i t a l   d o c u m e n t .   |                                   比 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - +                                   |                                                                                 |                                                                                 |
当 然 ， 这 个 前 提 是 B o b 知 道 S u s a n 的 公 钥 。 更 重 要 的 是 ， 和 消 息 本 身 一 样 ， 公 钥 不 能 在 不 安 全 的 网 络 中 直 接 发 送 给 B o b 。 此 时 就 引 入 了 C e r t i f i c a t e   A u t h o r i t y ， C A 证 书 颁 发 机 构 ， C A 数 量 并 不 多 ， B o b 客 户 端 内 置 了 所 有 受 信 任 C A 的 证 书 。 C A 对 S u s a n 的 公 钥 （ 和 其 他 信 息 ） 数 字 签 名 后 生 成 证 书 。 S u s a n 将 证 书 发 送 给 B o b 后 ， B o b 通 过 C A 证 书 的 公 钥 验 证 证 书 签 名 。 B o b 信 任 C A ， C A 信 任 S u s a n   使 得   B o b 信 任 S u s a n ， C h a i n   O f   T r u s t 信 任 链 就 是 这 样 形 成 的 。 事 实 上 ， B o b 客 户 端 内 置 的 是 C A 的 R o o t   C e r t i f i c a t e 根 证 书 ， H T T P S 协 议 中 服 务 器 会 发 送 C e r t i f i c a t e   C h a i n 证 书 链 给 客 户 端 。 T L S 协 议 协 议 T L S 协 议 包 括 T L S   R e c o r d   P r o t o c o l 和 T L S   H a n d s h a k e   P r o t o c o l 。 总 览 中 的 流 程 图 仅 涉 及 到 T L S   H a n d s h a k e   P r o t o c o l 。 T L S   R e c o r d   P r o t o c o l 在 T L S 协 议 中 ， 有 四 种 子 协 议 运 行 于 R e c o r d   p r o t o c o l 之 上 H a n d s h a k e   p r o t o c o l A l e r t   p r o t o c o l C h a n g e   c i p h e r   s p e c   p r o t o c o l A p p l i c a t i o n   d a t a   p r o t o c o l R e c o r d   p r o t o c o l 起 到 了 这 样 的 作 用 在 发 送 端 ： 将 R e c o r d 数 据 分 段 ， 压 缩 ， 增 加 M A C ( M e s s a g e   A u t h e n t i c a t i o n   C o d e ) 和 加 密 在 接 收 端 ： 将 R e c o r d 数 据 解 密 ， 验 证 M A C ， 解 压 并 重 组 值 得 一 提 的 是 ， R e c o r d   p r o t o c o l 提 供 了 数 据 完 整 性 和 隐 私 性 保 证 ， 但 R e c o r d t y p e 类 型 和 l e n g t h 长 度 是 公 开 传 输 的 R e c o r d   P r o t o c o l 有 三 个 C o n n e c t i o n   S t a t e 连 接 状 态 ， 连 接 状 态 定 义 了 压 缩 ， 加 密 和 M A C 算 法 。 所 有 的 R e c o r d 都 是 被 C u r r e n t   S t a t e 当 前 状 态 确 定 的 算 法 处 理 的 。 T L S   H a n d s h a k e   P r o t o c o l 和 C h a n g e   C i p e r   S p e c   P r o t o c o l 会 导 致 R e c o r d   P r o t o c o l 状 态 切 换 。 初 始 C u r r e n t   S t a t e 当 前 状 态 没 有 指 定 加 密 ， 压 缩 和 M A C 算 法 ， 因 而 在 完 成 T L S   H a n d s h a k i n g   P r o t o c o l s 一 系 列 动 作 之 前 ， 客 户 端 和 服 务 端 的 数 据 都 是 明 文 传 输 的 ； 当 T L S 完 成 握 手 过 程 后 ， 客 户 端 和 服 务 端 确 定 了 加 密 ， 压 缩 和 M A C 算 法 及 其 参 数 ， R e c o r d 数 据 会 通 过 指 定 算 法 处 理 。                     + - - - - - - - - +                               + - - - - - - - - - +                       |   数 字 签 名   | - - - 公 钥 解 密 - - - > |     消 息 摘 要   |                       + - - - - - - - - +                               + - - - - - - - - - + e m p t y   s t a t e   - - - - - - - - - - - - - - - - - - - >   p e n d i n g   s t a t e   - - - - - - - - - - - - - - - - - - >   c u r r e n t   s t a t e                           H a n d s h a k e   P r o t o c o l                                 C h a n g e   C i p h e r   S p e c
其 中 ， R e c o r d 首 先 被 加 密 ， 然 后 添 加 M A C （ m e s s a g e   a u t h e n t i c a t i o n   c o d e ） 以 保 证 数 据 完 整 性 。 T L S   H a n d s h a k i n g   P r o t o c o l s H a n d s h a k e i n g   p r o t o c o l s 包 括 A l e r t   P r o t o c o l ， C h a n g e   C i p e r   S p e c   P r o t o c o l 和 H a n d s h a k e   p r o t o c o l 。 本 文 不 会 详 细 介 绍 A l e r t   P r o t o c o l 和 C h a n g e   C i p e r S p e c   P r o t o c o l 。 使 用 R S A 算 法 的 握 手 过 程 是 这 样 的 （ 已 在 总 览 中 提 到 ） S o u r c e :   K e y l e s s   S S L :   T h e   N i t t y   G r i t t y   T e c h n i c a l   D e t a i l s 客 户 端 和 服 务 端 在 握 手 h e l l o 消 息 中 明 文 交 换 了 和 ， 使 用 R S A 公 钥 加 密 传 输 ， 最 后 通 过 算 法 ， 客 户 端 和 服 务 端 分 别 计 算 。 其 中 ， 不 直 接 使 用 c l i e n t _ r a n d o m s e r v e r _ r a n d o m p r e m a s t e r   s e c r e t m a s t e r   s e c r e t
的 原 因 是 ： 保 证 s e c r e t 的 随 机 性 不 受 任 意 一 方 的 影 响 。 除 了 使 用 R S A 算 法 在 公 共 信 道 交 换 密 钥 ， 还 可 以 通 过 D i f f i e – H e l l m a n 算 法 。 D i f f i e – H e l l m a n 算 法 的 原 理 是 这 样 的 ： B y   O r i g i n a l   s c h e m a :   A . J .   H a n   V i n c k ,   U n i v e r s i t y   o f   D u i s b u r g - E s s e n   S V G   v e r s i o n :   F l u g a a l   [ P u b l i c d o m a i n ] ,   v i a   W i k i m e d i a   C o m m o n s 使 用 D i f f i e – H e l l m a n 算 法 交 换 的 流 程 p r e m a s t e r   s e c r e t p r e m a s t e r   s e c r e t
S o u r c e :   K e y l e s s   S S L :   T h e   N i t t y   G r i t t y   T e c h n i c a l   D e t a i l s 小 结 小 结 T L S   H a n d s h a k i n g   P r o t o c o l s 协 商 了 T L S   R e c o r d   P r o t o c o l 使 用 的 算 法 和 所 需 参 数 ， 并 验 证 了 服 务 端 身 份 ； T L S   R e c o r d   P r o t o c o l 在 协 商 后 保 证 应 用 层 数 据 的 完 整 性 和 隐 私 性 。 T L S   H a n d s h a k i n g   P r o t o c o l 的 核 心 是 在 公 开 信 道 上 传 递 。 Q & A 为 什 么 传 输 内 容 不 直 接 使 用 非 对 称 加 密 ？ 为 什 么 传 输 内 容 不 直 接 使 用 非 对 称 加 密 ？ 性 能 H T T P S 能 保 证 正 常 连 接 ？ 能 保 证 正 常 连 接 ？ n o T h e r e   a r e   a   n u m b e r   o f   w a y s   i n   w h i c h   a   m a n - i n - t h e - m i d d l e   a t t a c k e r   c a n   a t t e m p t   t o   m a k e   t w o   e n t i t i e s d r o p   d o w n   t o   t h e   l e a s t   s e c u r e   m e t h o d   t h e y   s u p p o r t . 攻 击 者 甚 至 可 以 直 接 丢 弃 双 方 的 数 据 包 。 服 务 端 如 何 验 证 客 户 端 身 份 ？ 服 务 端 如 何 验 证 客 户 端 身 份 ？ p r e m a s t e r   s e c r e t
通 过 C l i e n t   C e r t i f i c a t e T h i s   m e s s a g e   c o n v e y s   t h e   c l i e n t ' s   c e r t i f i c a t e   c h a i n   t o   t h e   s e r v e r ;   t h e   s e r v e r   w i l l   u s e   i t   w h e n   v e r i f y i n g t h e   C e r t i f i c a t e V e r i f y   m e s s a g e   ( w h e n   t h e   c l i e n t   a u t h e n t i c a t i o n   i s   b a s e d   o n   s i g n i n g )   o r   c a l c u l a t i n g   t h e ( f o r   n o n - e p h e m e r a l   D i f f i e -   H e l l m a n ) .   T h e   c e r t i f i c a t e   M U S T   b e   a p p r o p r i a t e   f o r   t h e   n e g o t i a t e d   c i p h e r s u i t e ' s   k e y   e x c h a n g e   a l g o r i t h m ,   a n d   a n y   n e g o t i a t e d   e x t e n s i o n s . A l e r t   p r o t o c o l 有 什 么 作 用 ？ 有 什 么 作 用 ？ C l o s u r e   A l e r t s ： 防 止 T r u n c a t i o n   A t t a c k I n   a   t r u n c a t i o n   a t t a c k ,   a n   a t t a c k e r   i n s e r t s   i n t o   a   m e s s a g e   a   T C P   c o d e   i n d i c a t i n g   t h e   m e s s a g e   h a s f i n i s h e d ,   t h u s   p r e v e n t i n g   t h e   r e c i p i e n t   p i c k i n g   u p   t h e   r e s t   o f   t h e   m e s s a g e .   T o   p r e v e n t   t h i s ,   S S L   f r o m v e r s i o n   v 3   o n w a r d   h a s   a   c l o s i n g   h a n d s h a k e ,   s o   t h e   r e c i p i e n t   k n o w s   t h e   m e s s a g e   h a s   n o t   e n d e d   u n t i l t h i s   h a s   b e e n   p e r f o r m e d . E r r o r   A l e r t s ： 错 误 处 理 m a s t e r   s e c r e t 是 如 何 计 算 的 是 如 何 计 算 的 加 密 ， 压 缩 和 加 密 ， 压 缩 和 M A C 算 法 参 数 是 如 何 计 算 的 算 法 参 数 是 如 何 计 算 的 H a n d s h a k i n g   P r o t o c o l s 使 得 客 户 端 和 服 务 端 交 换 了 三 个 参 数 ： ， 和 ， 通 过 以 下 算 法 生 成 算 法 所 需 要 的 参 数 p r e m a s t e r   s e c r e t     m a s t e r _ s e c r e t   =   P R F ( p r e _ m a s t e r _ s e c r e t ,   " m a s t e r   s e c r e t " ,                                             C l i e n t H e l l o . r a n d o m   +   S e r v e r H e l l o . r a n d o m )                                             [ 0 . . 4 7 ] ; c l i e n t _ r a n d o m s e r v e r _ r a n d o m m a s t e r _ s e c r e t T o   g e n e r a t e   t h e   k e y   m a t e r i a l ,   c o m p u t e     k e y _ b l o c k   =   P R F ( S e c u r i t y P a r a m e t e r s . m a s t e r _ s e c r e t ,                                     " k e y   e x p a n s i o n " ,                                     S e c u r i t y P a r a m e t e r s . ` s e r v e r _ r a n d o m   `   +                                     S e c u r i t y P a r a m e t e r s . ` c l i e n t _ r a n d o m ` ) ; u n t i l   e n o u g h   o u t p u t   h a s   b e e n   g e n e r a t e d .     T h e n ,   t h e   k e y _ b l o c k   i s p a r t i t i o n e d   a s   f o l l o w s :
T h e   m a s t e r   s e c r e t   i s   e x p a n d e d   i n t o   a   s e q u e n c e   o f   s e c u r e   b y t e s ,   w h i c h   i s   t h e n   s p l i t   t o   a   c l i e n t   w r i t e M A C   k e y ,   a   s e r v e r   w r i t e   M A C   k e y ,   a   c l i e n t   w r i t e   e n c r y p t i o n   k e y ,   a n d   a   s e r v e r   w r i t e   e n c r y p t i o n   k e y 使 用 使 用 D i f f i e - H e l l m a n 算 法 的 算 法 的 T L S 握 手 细 节 握 手 细 节 S o u r c e :   h t t p s : / / c i p h e r s t u f f . w o r d p r e s s . c o m /     c l i e n t _ w r i t e _ M A C _ k e y [ S e c u r i t y P a r a m e t e r s . m a c _ k e y _ l e n g t h ]     s e r v e r _ w r i t e _ M A C _ k e y [ S e c u r i t y P a r a m e t e r s . m a c _ k e y _ l e n g t h ]     c l i e n t _ w r i t e _ k e y [ S e c u r i t y P a r a m e t e r s . e n c _ k e y _ l e n g t h ]     s e r v e r _ w r i t e _ k e y [ S e c u r i t y P a r a m e t e r s . e n c _ k e y _ l e n g t h ]     c l i e n t _ w r i t e _ I V [ S e c u r i t y P a r a m e t e r s . f i x e d _ i v _ l e n g t h ]     s e r v e r _ w r i t e _ I V [ S e c u r i t y P a r a m e t e r s . f i x e d _ i v _ l e n g t h ]
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