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HTTPS
为什么要有HTTPS，简单的回答是“因为HTTP不安全”。
什么是安全？
通常认为，如果通信过程中具备了四个特性，就可以认为是“安全”的，这四个特性是：机密性、完整性、身份认证和不可否认。
- 机密性（Secrecy/Confidentiality）是指对数据的”保密“，只能由可信的人访问，对其他人是不可见的”秘密“，简单来说就是不能让不相关的人看到不该看的东西。
- 完整性（Integrity，也叫一致性）是指数据在传输过程中没有被篡改，不多也不少，”完完整整“地保持着原状。
- 身份认证（Authentication）是指确认对方的真实身份，也就是”证明你真的是你“，保证消息只能发送给可信的人。
- 不可否认（Non-repudiation/Undeniable），也叫不可抵赖，意思是不能否认已经发生过的行为，不能”说话不算数“”耍赖皮“。
什么是HTTPS？
HTTPS为HTTP增加了刚才所说的四大安全特性。
HTTPS其实是一个”非常简单“的协议，RFC文档很小，只有短短的7页，里面规定了新的协议名”https“，默认端口号443，至于其他的什么请求-应答模式、报文结构、请求方法、URI、头字段、连接管理等等都完全沿用HTTP，没有任何新的东西。
那HTTPS怎么做到机密性、完整性这些安全特性的呢？
秘密就在于HTTPS名字里的”S“，它把HTTP下层的传输协议由TCP/IP换成了SSL/TLS，由”HTTP over TCP/IP“变成了”HTTP over SSL/TLS“，让HTTP运行在了安全的SSL/TLS协议上，收发报文不再使用Socket API，而是调用专门的安全接口。
SSL/TLS
SSL即安全套接层（Secure Sockets Layer），在OSI模型中处于第5层（会话层），由网景公司于1994年发明，有v2和v3两个版本，而v1因为有严重的缺陷从未公开过。
SSL发展到v3时已经证明了它自身是一个非常好的安全通信协议，于是互联网工程组IETF在1999年把它改名为TLS（传输层安全，Transport Layer Security），正式标准化，版本号从1.0重新算起，所以TLS1.0实际上就是SSLv3.1。
到今天TLS已经发展出了三个版本，分别是2006年的1.1、2008年的1.2和2018年的1.3，每个新版本都紧跟密码学的发展和互联网的现状，持续强化安全和性能，已经成为了信息安全领域中的权威标准。
目前应用的最广泛的 TLS 是 1.2，而之前的协议（TLS1.1/1.0、SSLv3/v2）都已经被认为是不安全的，各大浏览器即将在 2020 年左右停止支持，所以接下来的讲解都针对的是 TLS1.2。
TLS由记录协议、握手协议、警告协议、变更密码规范协议、扩展协议等几个子协议组成，综合使用了对称加密、非对称加密、身份认证等许多密码学前沿技术。
浏览器和服务器在使用TLS建立连接时需要选择一组恰当的加密算法来实现安全通信，这些算法的组合被称为”密码套件“（cipher suite，也叫加密套件）。TLS的密码套件命名非常规范，格式很固定。基本的形式是”密钥交换算法+签名算法+对称加密算法+摘要算法“。例如“ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384”的意思是“握手时使用 ECDHE 算法进行密钥交换，用 RSA 签名和身份认证，握手后的通信使用 AES 对称算法，密钥长度 256 位，分组模式是 GCM，摘要算法 SHA384 用于消息认证和产生随机数。”
OpenSSL
说到TLS，就不能不谈到OpenSSL，它是一个著名的开源密码学程序库和工具包，几乎支持所有公开的加密算法和协议，已经成为事实上的标准，许多应用软件都会使用它作为底层库来实现TLS功能，包括常用的Web服务器Apache、Nginx等。OpenSSL是著名的开源密码学工具包，是SSL/TLS的具体实现。
对称加密和非对称加密
实现机密性最常用的手段是”加密“（encrypt），就是把消息用某种方式转换成谁也看不懂的乱码，只有掌握特殊”钥匙”的人才能再转换出原始文本。
这里的“钥匙”就叫做“密钥”（key），加密前的消息叫“明文”（plain text/clear text），加密后的乱码叫“密文”（cipher text），使用密钥还原明文的过程叫“解密”（decrypt），是加密的反操作，加密解密的操作过程就是“加密算法”。
所有的加密算法都是公开的，任何人都可以去分析研究，而算法使用的“密钥”则必须保密。由于HTTPS、TLS都运行在计算机上，所以“密钥”就是一长串的数字，但约定俗成的度量单是”位“（bit），而不是”字节“（byte）。比如，说密钥长度是128，就是16字节的二进制串，密钥长度1024，就是128字节的二进制串。
对称加密
对称加密就是指加密和解密时使用的密钥是同一个，是”对称“的。只要保证了密钥的安全，那整个通信过程就可以说具有了机密性。
TLS里有非常多的对称加密算法可供选择，比如RC4、DES、3DES、AES、ChaCha20等，但前三种算法都被认为是不安全的，通常都禁止使用，目前常用的只有AES和ChaCha20。
AES的意思是”高级加密标准“（Advanced Encryption Standard），密钥长度可以是128、192或256。它是DES算法的替代者，安全强度很高，性能也很好，而且有的硬件还会做特殊优化，所以非常流行，是应用最广泛的对称加密算法。
ChaCha20是Google设计的另一种加密算法，密钥长度固定为256位，纯软件运行性能要超过AES，曾经在移动客户端上比较流行，但ARMv8之后也加入了AES硬件优化，所以现在不再具有明显的优势，但仍然算得上是一个不错的算法。
加密分组模式
对称算法还有一个”分组模式“的概念，它可以让算法用固定长度的密钥加密任意长度的明文，把小秘密（密钥）转化为大秘密（即密文）。
最新的分组模式被称为AEAD（Authenticated Encryption ），在加密的同时增加了认证的功能，常用的是GCM、CCM和Poly1305。
把上面这些组合起来，就可以得到TLS密码套件中定义的对称加密算法。
比如，AES128-GCM，意思是密钥长度为128位的AES算法，使用的分组模式是GCM；ChaCha20-Poly1305的意思是ChaCha20算法，使用的分组模式是Poly1305。
非对称加密
对称加密看上去好像完美地实现了机密性，但其中有一个很大的问题：如何把密钥安全地传递给对方，术语叫”密钥交换“。
所以，就出现了非对称加密（也叫公钥加密算法）。
它有两个密钥，一个叫”公钥“（public key），一个叫”私钥“（private key）。两个密钥是不同的，”不对称“，公钥可以公开给任何人使用，而私钥必须严格保密。
公钥和私钥有个特别的”单向“性，虽然都可以用来加密解密，但公钥加密后只能用私钥解密，反过来，私钥加密后也只能用公钥解密。
非对称加密可以解决”密钥交换“的问题。网站秘密保管私钥，在网上任意分发公钥，你想要登录网站只要用公钥加密就行了，密文只能由私钥持有者才能解密。
非对称加密算法的设计要比对称算法难的多，在TLS里只有很少的几种，比如DH、DSA、RSA、ECC等。
RSA可能是其中最著名的一个，几乎可以说是非对称加密的代名词，它的安全性基于”整数分解“的数学难题，使用两个超大素数的乘积作为生成密钥的材料，想要从公钥推算出私钥是非常困难的。
ECC（Elliptic Curve Cryptography）是非对称加密里的“后起之秀”，它基于“椭圆曲线离散对数”的数学难题，使用特定的曲线方程和基点生成公钥和私钥，子算法 ECDHE 用于密钥交换，ECDSA 用于数字签名。
比起 RSA，ECC 在安全强度和性能上都有明显的优势。160 位的 ECC 相当于 1024 位的 RSA，而 224 位的 ECC 则相当于 2048 位的 RSA。因为密钥短，所以相应的计算量、消耗的内存和带宽也就少，加密解密的性能就上去了，对于现在的移动互联网非常有吸引力。
混合加密
非对称加密虽然没有”密钥交换“的问题，但因为它们都是基于复杂的数学难题，运算速度很慢，即使是ECC也要比AES差上好几个数量级。如果仅使用非对称加密，虽然保证了安全，但通信速度过慢没有实用性。
混合加密方式就是把对称加密和非对称加密结合起来呢，两者互相取长补短，即能高效地加密解密，又能安全地密钥交换：
在通信刚开始的时候使用非对称算法，比如RSA、ECDHE，首先解决密钥交换的问题。
然后用随机数产生对称算法使用的”会话密钥“（session key），再用公钥加密。因为会话密钥很短，通常只有16字节或32字节，所以慢一点也无所谓。
对方拿到密文后用私钥解密，取出会话密钥。这样，双方就实现了对称密钥的安全交换，后续就不再使用非对称加密，全都使用对称加密。
数字签名和证书
加密实现了机密性，但仍无法保证完整性和身份认证等特性
摘要算法
实现完整性的手段主要是摘要算法（Digest Algorithm），也就是常说的散列函数、哈希函数（Hash Function）。
你可以把摘要算法近似地理解成一种特殊的压缩算法，它能够把任意长度的数据”压缩“成固定长度、而且独一无二的”摘要“字符串，就好像是给这段数据生成了一个数字”指纹“。也可以把摘要算法理解成特殊的”单向“加密算法，它只有算法，没有密钥，加密后的数据无法解密，不能从摘要逆推出原文。
因为摘要算法对输入具有”单向性“和”雪崩效应“，输入的微小不同会导致输出的剧烈裱花，所以也被TLS用来生成伪随机数（PRF，pseudo random function）。
MD5（Message-Digest 5）、SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）就是最常用的两个摘要算法，能够生成16字节和20字节长度的数字摘要。但这两个算法的安全强度比较低，不够安全，在TLS里已经被禁止使用了。
目前TLS推荐使用的是SHA-1的后继者：SHA-2。SHA-2实际上是一系列摘要算法的统称，总共有6种，常用的有SHA224、SHA256、SHA384，分别能够生成28字节、32字节、48字节的摘要。
完整性
摘要算法保证了”数字摘要“和原文是完全等价的。所以，我们只要在原文后附上它的摘要，就能够保证数据的完整性。
不过摘要算法不具有机密性，如果明文传输，那么黑客可以修改消息后把摘要也一起改了。所以，真正的完整性必须要建立在机密性之上，在混合加密系统里用会话密钥加密消息和摘要，这样黑客就无法得知明文了。
这有个术语，叫哈希消息认证码（HMAC）。
数字签名
加密算法结合摘要算法，我们的通信过程可以说是比较安全了。但这里还是有漏洞，就是通信的两个端点（endpoint）。黑客可以伪装网站来窃取消息，也可以伪装为你，向网站发送支付、转账等消息。
那么，在数字世界里如何证明你的身份呢？由于非对称加密里的”私钥“只能由本人持有，那么使用私钥再加上摘要算法，就能够实现”数字签名“，同时实现”身份认证“和”不可否认“。
数字签名的原理其实很简单，就是把公钥私钥的用法反过来，之前是公钥加密，私钥解密，现在是私钥解密、公钥加密。但又因为非对称加密效率太低，所以私钥只加密原文的摘要，这样运算量就小的多，而且得到的数字签名也很小，方便保管和传输。
签名和公钥一样完全公开，任何人都可以获取。但这个签名只有用私钥对应的公钥才能解开，拿到摘要后，再比对原文验证完整性，就可以像签署文件一样证明消息确实是你发的。
刚才的这两个行为也有专用术语，叫做”签名“和”验签“。
只要你和网站互相交换公钥，就可以用”签名“和”验签“来确认消息的真实性，因为私钥保密，黑客不能伪造签名，就能够保证通信双方的身份。
数字证书和CA
综合使用对称加密、非对称加密和摘要算法，我们已经实现了安全的四大特性。但这里还有一个”公钥的信任“问题。因为谁都可以发布公钥，我们还缺少防止黑客伪造公钥的手段。
我们可以用类似密钥交换的方法来解决公钥认证问题，用别的私钥来给公钥签名，显然，这又会陷入”无穷递归“。
这次实在是”没招“了，要终结这个”死循环“，就必须要引入”外力“，找一个公认的可信第三方，让它作为”信任的起点，递归的终点“，构建起公钥的信任链。
这个”第三方“就是我们常说的CA（Certificate Authority，证书认证机构）。它就像网络世界里的公安局、教育局、公证中心，具有极高的可信度，由它来给各个公钥签名，用自身的信誉来保证公钥无法伪造，是可信的。
CA对公钥的签名认证也是有格式的，不是简单地把公钥绑定在持有者身份上就完事了，还要包含序列号、用途、颁发者、有效时间等等，把这些打成一个包再签名，完整地证明公钥关联的各种信息，形成”数字证书“（Certificate）
知名的CA全世界就那么几家，比如DigiCert、VeriSign、Entrust、Let's Encrypt等，它们签发的证书分DV、OV、EV三种，区别在于可信程度。
DV是最低的，只是域名级别的可信，背后是谁不知道。EV是最高的，经过了法律和审计的严格核查，可以证明网站拥有者的身份（在浏览器地址栏会显示出公司的名字，例如Apple、Github的网站）。
不过，CA怎么证明自己呢？
这还是信任链的问题。小一点的CA可以让大CA签名认证，但链条的最后，也就是Root CA，就只能自己证明自己了，这个就叫”自签名证书“（Self-Signed Certificate）或者”根证书“（Root Certificate）。你必须相信，否则整个证书信任链就走不下去了。
有了这个证书体系，操作系统和浏览器都内置了各大CA的根证书，上网的时候只要服务器发过来它的证书，就可以验证证书里的签名，顺着证书链（Certificate Chain）一层层地验证，直到找到根证书，就可以确定证书是可信的，从而里面的公钥可以可信的。
证书体系的弱点
证书体系（PKI，Public Key Infrastructure）虽然是目前整个网络世界的安全基础设施，但绝对的安全是不存在的，它也有弱点，还是关键的”信任“二字。
如果CA失误或者被欺骗，签发了错误的证书，虽然证书是真的，可它代表的网站却是假的。
还有一种更危险的情况，CA被黑客攻陷，或者CA有恶意，因为它（即根证书）是信任的源头，整个信任链里的所有证书也就都不可信了。
所以，需要再给证书体系打上一些补丁。
针对第一种，开发出了CRL（证书吊销列表，Certificate revocation list）和OCSP（在线证书状态协议，Online Certificate Status Protocol），及时废止有问题的证书。
对于第二种，因为涉及的证书太多，就只能操作系统或者浏览器从根上”下狠手“了，撤销对CA的信任，列入”黑名单“，这样它颁发的所有证书就都会被认为是不安全的。
Q&A
Q：你能说出 HTTPS 与 HTTP 有哪些区别吗？
Q：你知道有哪些方法能够实现机密性、完整性等安全特性呢？
Q：加密算法中“密钥”的名字很形象，你能试着用现实中的锁和钥匙来比喻一下吗？
Q：在混合加密中用到了公钥加密，因为只能由私钥解密。那么反过来，私钥加密后任何人都可以用公钥解密，这有什么用呢？
Q：为什么公钥能够建立信任链，用对称加密算法里的对称密钥行不行呢？
Q：假设有一个三级的证书体系（Root CA=> 一级 CA=> 二级 CA），你能详细解释一下证书信任链的验证过程吗？
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原文发布时间：2020-06-12
本文作者：laity0828
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来源：oschina
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