一张图就把HTTPS工作原理讲明白了！

HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）是HTTP（Hypertext Transfer Protocol）的扩展版。它利用SSL（Secure Sockets Layer）或TLS（Transport Layer Security）协议对数据进行加密，确保数据在客户端和服务器之间传输的过程中不被窃取或篡改。

HTTPS的主要目的是确保数据在客户端（如浏览器）和服务器之间传输时的机密性、完整性和真实性。这种保护机制极大地提高了数据传输的安全性，防止了信息被窃取和篡改。HTTPS常用于需要保护敏感信息的场景，如网上银行、电子商务网站、电子邮件服务和社交媒体平台等。

HTTP vs HTTPS

HTTP（HyperText Transfer Protocol）和HTTPS（HyperText Transfer Protocol Secure）都是用于在客户端（如浏览器）和服务器之间传输数据的协议。它们的主要区别在于HTTPS在HTTP的基础上增加了SSL/TLS协议，从而提供了数据加密和身份验证功能。

• HTTP：HTTP是一种无状态的、明文的通信协议，这意味着数据在传输过程中不进行加密。尽管HTTP可以有效地传输网页内容，但由于数据以明文形式传输，容易被截取和篡改。
• HTTPS：HTTPS通过引入SSL/TLS协议，为数据传输提供加密和身份验证功能。SSL/TLS协议确保数据在传输过程中不会被窃听或篡改，并通过数字证书验证服务器的身份。HTTPS在浏览器地址栏中通常显示一个锁形图标，表明连接是安全的。

SSL/TLS概述

SSL（Secure Sockets Layer）和TLS（Transport Layer Security）是为互联网通信提供安全保障的加密协议。TLS是SSL的升级版本，具有更高的安全性和性能。

SSL/TLS的主要功能：

1. 加密：使用对称加密算法和非对称加密算法对数据进行加密，确保数据在传输过程中保持机密性。
2. 身份验证：通过数字证书验证服务器和客户端的身份，防止中间人攻击。
3. 数据完整性：使用消息验证码（MAC）和散列函数确保数据在传输过程中没有被篡改。

公钥和私钥

公钥和私钥是实现加密和解密的核心。它们构成了一对密钥，其中公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。

• 公钥（Public Key）：公钥是公开的，可以分发给任何人。它用于加密数据或验证数字签名。
• 私钥（Private Key）：私钥是保密的，只能由拥有者自己使用。它用于解密数据或生成数字签名。

在HTTPS通信中，服务器会将公钥包含在数字证书中发送给客户端，客户端使用公钥加密数据，服务器使用私钥解密数据。这种机制确保了即使数据被截获，也无法解密。

数字证书

数字证书是由可信的证书颁发机构（CA，Certificate Authority）签发的，用于验证服务器身份的电子文件。

数字证书包含以下主要信息：

1. 服务器的公钥：用于加密数据和验证服务器的身份。
2. 服务器信息：包括服务器的域名和公司名称等信息。
3. 证书颁发机构信息：包括CA的名称和数字签名。
4. 有效期：证书的生效日期和过期日期。

数字证书的工作原理

1. 生成密钥对：服务器生成一对密钥，即公钥和私钥。
2. 申请证书：服务器将公钥和相关信息提交给CA，申请数字证书。
3. 颁发证书：CA验证服务器的身份后，使用CA的私钥对服务器的公钥和相关信息进行签名，生成数字证书。
4. 安装证书：服务器安装CA签发的数字证书，并将其发送给客户端。
5. 验证证书：客户端收到证书后，使用CA的公钥验证证书的有效性和完整性。

数字证书确保了客户端与服务器之间的通信是安全的，并且服务器的身份是可信的。

HTTPS通信流程

HTTPS通信过程涉及客户端（通常是浏览器）和服务器之间的多个交互步骤，通过这些步骤建立一个安全的通信通道。

1、客户端发起请求

• 用户在浏览器中输入一个HTTPS URL（如https://www.example.com）。
• 浏览器向服务器发起一个HTTPS连接请求。

2、服务器响应并发送证书

服务器收到请求后，将其数字证书发送给客户端。数字证书包含服务器的公钥和由可信的证书颁发机构（CA）签名的信息。

3、客户端验证证书

客户端收到服务器的证书后，会进行以下验证步骤：

• 验证证书的完整性和签名：使用CA的公钥验证证书的签名，确保证书没有被篡改。
• 检查证书的有效期：确认证书在有效期内。
• 验证证书的颁发机构：确认CA是受信任的机构。
• 检查证书吊销状态：通过证书吊销列表（CRL）或在线证书状态协议（OCSP）检查证书是否被吊销。

4、生成会话密钥

• 如果证书验证通过，客户端会生成一个随机的对称密钥（也称为会话密钥），用于加密会话中的数据。
• 客户端使用服务器的公钥加密这个会话密钥，并发送给服务器。

5、服务器解密会话密钥

• 服务器使用其私钥解密会话密钥。
• 此时，客户端和服务器都持有相同的对称密钥，用于加密和解密后续通信中的数据。

6、加密数据传输

• 客户端和服务器使用生成的会话密钥对传输的数据进行加密和解密。
• 所有传输的数据（如HTTP请求和响应）都通过加密通道进行，确保数据在传输过程中保持机密性和完整性。

SSL/TLS握手过程

SSL/TLS握手过程是HTTPS通信的核心，确保客户端和服务器之间建立一个安全的通信通道。

1、客户端Hello

在SSL/TLS握手的第一步，客户端向服务器发送一个ClientHello消息。这个消息包含了客户端支持的加密套件（cipher suites）、SSL/TLS版本、压缩方法以及一个随机数。具体内容如下：

1. SSL/TLS版本：客户端支持的最高版本（如TLS 1.2或TLS 1.3）。
2. 加密套件列表：客户端支持的加密算法组合（如AES、RSA等）。
3. 压缩方法：客户端支持的数据压缩方法。
4. 随机数：客户端生成的随机数，用于生成会话密钥。
5. 扩展字段：包括服务器名称指示（SNI）、会话恢复信息等。

2、服务器Hello

服务器收到ClientHello消息后，发送一个ServerHello消息。这个消息包含了服务器选择的加密套件、SSL/TLS版本、压缩方法以及一个随机数。具体内容如下：

1. SSL/TLS版本：服务器选择的SSL/TLS版本。
2. 加密套件：服务器选择的加密算法组合。
3. 压缩方法：服务器选择的数据压缩方法。
4. 随机数：服务器生成的随机数，用于生成会话密钥。
5. 扩展字段：包括服务器名称指示（SNI）、会话恢复信息等。

3、服务器证书和密钥交换

服务器向客户端发送其数字证书，证书中包含了服务器的公钥和由证书颁发机构（CA）签名的信息。客户端使用CA的公钥验证证书的真实性，确保服务器的身份是可信的。

在某些加密套件中，服务器还需要发送ServerKeyExchange消息，包含用于密钥交换的参数。例如，使用Diffie-Hellman密钥交换时，服务器会发送其Diffie-Hellman参数。

服务器发送ServerHelloDone消息，表示服务器Hello阶段完成。客户端收到该消息后，进入下一个阶段。

4、客户端密钥交换

客户端生成一个随机的会话密钥（对称密钥），并使用服务器的公钥对其进行加密。加密后的会话密钥通过ClientKeyExchange消息发送给服务器。服务器使用其私钥解密这个会话密钥。

5、会话密钥生成

客户端和服务器使用各自生成的随机数和共享的会话密钥材料，生成最终的会话密钥。这个会话密钥用于加密和解密后续通信中的数据。

6、握手完成

1. 客户端Finished消息：客户端发送Finished消息，包含所有握手消息的摘要，用会话密钥加密。这确保了握手过程中没有被篡改。
2. 服务器Finished消息：服务器也发送Finished消息，包含所有握手消息的摘要，用会话密钥加密。至此，握手完成，安全通道建立。

在握手完成后，客户端和服务器使用生成的会话密钥进行数据加密和解密。所有HTTP请求和响应都通过加密通道进行，确保数据在传输过程中保持机密性和完整性。

SSL/TLS版本

TLS 1.0

TLS 1.0是SSL 3.0的继承者，解决了一些安全问题，但仍然存在许多漏洞，因此已经逐步淘汰。

TLS 1.1

TLS 1.1引入了对CBC（Cipher Block Chaining）模式的改进，解决了多次填充攻击问题。但由于安全性不够强，仍然被TLS 1.2和TLS 1.3取代。

TLS 1.2

TLS 1.2是目前广泛使用的版本，具有以下特性：

1. 支持SHA-256哈希算法：提高了数据完整性验证的安全性。
2. 支持GCM（Galois/Counter Mode）：一种更安全的加密模式。
3. 增强的握手协议：提供更强的身份验证和密钥交换。

TLS 1.3

TLS 1.3是最新的版本，进一步提高了安全性和性能：

1. 减少握手步骤：简化握手过程，降低延迟。
2. 移除不安全的加密算法：如RC4和CBC模式，确保更高的安全性。
3. 前向安全性：通过Ephemeral Diffie-Hellman密钥交换，确保密钥泄露后，过去的通信仍然安全。

加密和解密

对称加密

对称加密使用相同的密钥进行数据的加密和解密。它具有速度快、效率高的特点，因此适合用于大量数据的传输。在HTTPS中，对称加密用于实际的数据传输。常见的对称加密算法包括AES、DES和3DES。

1. AES（Advanced Encryption Standard）
   • 加密过程：使用一个对称密钥对明文进行加密，生成密文。
   • 解密过程：使用相同的对称密钥对密文进行解密，还原出明文。
   • 密钥长度：AES支持128位、192位和256位密钥长度，密钥长度越长，安全性越高。
2. 3DES（Triple Data Encryption Standard）
   • 加密过程：对数据进行三次DES加密，每次使用不同的密钥。
   • 解密过程：对数据进行三次DES解密，还原出明文。
   • 密钥长度：3DES使用三个56位的密钥，总共168位。

非对称加密

非对称加密使用一对密钥：公钥和私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。非对称加密的安全性高，但加密和解密速度较慢，通常用于加密对称密钥而非实际数据传输。

1. RSA（Rivest-Shamir-Adleman）
   • 公钥加密：客户端生成会话密钥后，使用服务器的公钥对会话密钥进行加密，并发送给服务器。
   • 私钥解密：服务器使用其私钥解密会话密钥，确保只有服务器能够读取会话密钥。
   • 密钥长度：RSA的密钥长度通常为2048位或以上，长度越长，安全性越高。
2. ECC（Elliptic Curve Cryptography）
   • 公钥加密：使用椭圆曲线数学算法生成公钥和私钥，进行加密和解密。
   • 私钥解密：相比于RSA，ECC提供更高的安全性和效率，适合资源受限的设备。

会话密钥

会话密钥是用于对称加密的临时密钥，仅在当前会话中有效。会话密钥通过非对称加密进行安全传输，一旦会话结束，密钥就会失效。这样既保证了数据传输的安全性，又提高了加密解密的效率。