HTTPS 基本过程
HTTPS 即 HTTP over TLS,是一种在加密信道进行 HTTP 内容传输的协议。
TLS 的早期版本叫做 SSL。SSL 的 1.0, 2.0, 3.0 版本均已经被废弃,出于安全问题考虑广大浏览器也不再对老旧的 SSL 版本进行支持了,因此这里我们就统一使用 TLS 名称了。
TLS 的基本过程如下(取自 what-happens-when-zh_CN):
- 客户端发送一个
ClientHello
消息到服务器端,消息中同时包含了它的 Transport Layer Security (TLS) 版本,可用的加密算法和压缩算法。 - 服务器端向客户端返回一个
ServerHello
消息,消息中包含了服务器端的 TLS 版本,服务器所选择的加密和压缩算法,以及数字证书认证机构(Certificate Authority,缩写 CA)签发的服务器公开证书,证书中包含了公钥。客户端会使用这个公钥加密接下来的握手过程,直到协商生成一个新的对称密钥。证书中还包含了该证书所应用的域名范围(Common Name,简称 CN),用于客户端验证身份。 - 客户端根据自己的信任 CA 列表,验证服务器端的证书是否可信。如果认为可信(具体的验证过程在下一节讲解),客户端会生成一串伪随机数,使用服务器的公钥加密它。这串随机数会被用于生成新的对称密钥
- 服务器端使用自己的私钥解密上面提到的随机数,然后使用这串随机数生成自己的对称主密钥
- 客户端发送一个
Finished
消息给服务器端,使用对称密钥加密这次通讯的一个散列值 - 服务器端生成自己的 hash 值,然后解密客户端发送来的信息,检查这两个值是否对应。如果对应,就向客户端发送一个
Finished
消息,也使用协商好的对称密钥加密 - 从现在开始,接下来整个 TLS 会话都使用对称秘钥进行加密,传输应用层(HTTP)内容
从上面的过程可以看到,TLS 的完整过程需要三个算法(协议),密钥交互算法,对称加密算法,和消息认证算法(TLS 的传输会使用 MAC(message authentication code) 进行完整性检查)。
我们以 Github 网站使用的 TLS 为例,使用浏览器可以看到它使用的加密为 TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256
。其中密钥交互算法是 ECDHE_RSA
,对称加密算法是 AES_128_GCM
,消息认证(MAC)算法为 SHA256
。
TLS 证书机制
HTTPS 过程中很重要的一个步骤,是服务器需要有 CA 颁发的证书,客户端根据自己的信任 CA 列表验证服务器的身份。现代浏览器中,证书验证的过程依赖于证书信任链。
所谓证书信任链,即一个证书要依靠上一级证书来证明自己是可信的,最顶层的证书被称为根证书,拥有根证书的机构被称为根 CA。
还是以 Github 为例,在浏览器中我们可以看到它的证书信任链如下:
DigiCert High Assurance EV Root CA -> DigiCert SHA2 Extended Validation Server CA -> Github.com
从上到下即 Root CA -> 二级 CA -> 网站。
前面提到,证书当中包括 CN(Common Name),浏览器在验证证书的同时,也会验证 CN 的正确性。即不光需要验证“这是一个合法的证书”,还需要验证“这是一个用于 Github.com 的证书”。
既然所有的信任,最终要落到根 CA 上,根证书本身又是怎么获得的呢?答案也很简单,根证书一般是操作系统自带的。不管是桌面系统 Windows,macOS 还是移动端系统 Android, iOS 都会内置一系列根证书。随着操作系统本身的升级,根证书也会随着升级进行更新。
对浏览器而已,浏览器当然也有选择信任某个根证书的权利。Chrome 浏览器一般是跟随系统根证书信任的。Firefox 浏览器通常是使用自带的一套证书信任机制,不受系统证书的影响。
在使用 curl 等工具时,我们还可以自行选择证书进行信任。
有权威的信任,最终都要落到一个单点信任,不管是 Root CA,还是微软,苹果,谷歌等操作系统厂商。