https 简要理解

最近在学习K8S的过程中又遇到了https,虽然nginx这一块已经无数次用到https 并且已经能够配置。但是对其原理还是比较模糊,借此好好记录学习下。
本文大量借鉴了 https://segmentfault.com/a/1190000021494676 https://blog.csdn.net/weixin_43686867/article/details/113759642

引入

在HTTP协议通信过程中使用未经加密的明文，比如在Web页面中输入信用卡号，如果这条通信线路遭到窃听，那么信用卡号就暴露了。另外，对于HTTP来说，服务器也好，客户端也好，都是没有办法确认通信方的。因为很有可能并不是和原本预想的通信方在实际通信。并且还需要考虑到接收到的报文在通信途中已经遭到篡改这一可能性。为了统一解决上述这些问题，需要在HTTP上再加入加密处理和认证等机制。我们把添加了加密及认证机制的HTTP称为HTTPS（HTTP Secure）。

HTTPS

HTTPS并非是应用层的一种新协议。只是HTTP通信接口部分用SSL（SecureSocket Layer）和TLS（Transport Layer Security）协议代替而已。通常，HTTP直接和TCP通信。当使用SSL时，则演变成先和SSL通信，再由SSL和TCP通信了。简言之，所谓HTTPS，其实就是身披SSL协议这层外壳的HTTP。

在采用SSL后，HTTP就拥有了HTTPS的加密、证书和完整性保护这些功能。
SSL是独立于HTTP的协议，所以不光是HTTP协议，其他运行在应用层的SMTP和Telnet等协议均可配合SSL协议使用。可以说SSL是当今世界上应用最为广泛的网络安全技术

加密算法

对称加密

对称加密，顾名思义就是加密和解密都是使用同一个密钥，常见的对称加密算法有 DES、3DES 和 AES 等，其优缺点如下：

• 优点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高，适合加密比较大的数据。
• 缺点：
  1. 交易双方需要使用相同的密钥，也就无法避免密钥的传输，而密钥在传输过程中无法保证不被截获，因此对称加密的安全性得不到保证。
  2. 每对用户每次使用对称加密算法时，都需要使用其他人不知道的惟一密钥，这会使得发收信双方所拥有的钥匙数量急剧增长，秘钥管理成为双方的负担。对称加密算法在分布式网络系统上使用较为困难，主要是因为密钥管理困难，使用成本较高。

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从图中可以看出，被加密的数据在传输过程中是无规则的乱码，即便被第三方截获，在没有密钥的情况下也无法解密数据，也就保证了数据的安全。但是有一个致命的问题，那就是既然双方要使用相同的密钥，那就必然要在传输数据之前先由一方把密钥传给另一方，那么在此过程中密钥就很有可能被截获，这样一来加密的数据也会被轻松解密。那如何确保密钥在传输过程中的安全呢？这就要用到非对称加密了。

非对称加密

非对称加密，顾名思义，就是加密和解密需要使用两个不同的密钥：公钥（public key）和私钥（private key）。公钥与私钥是一对，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密；如果用私钥对数据进行加密，那么只有用对应的公钥才能解密。非对称加密算法实现机密信息交换的基本过程是：甲方生成一对密钥并将其中的一把作为公钥对外公开；得到该公钥的乙方使用公钥对机密信息进行加密后再发送给甲方；甲方再用自己保存的私钥对加密后的信息进行解密。如果对公钥和私钥不太理解，可以想象成一把钥匙和一个锁头，只是全世界只有你一个人有这把钥匙，你可以把锁头给别人，别人可以用这个锁把重要的东西锁起来，然后发给你，因为只有你一个人有这把钥匙，所以只有你才能看到被这把锁锁起来的东西。常用的非对称加密算法是 RSA 算法，想详细了解的同学点这里：RSA 算法详解一、RSA 算法详解二，其优缺点如下：

• 优点：算法公开，加密和解密使用不同的钥匙，私钥不需要通过网络进行传输，安全性很高。
• 缺点：计算量比较大，加密和解密速度相比对称加密慢很多。

由于非对称加密的强安全性，可以用它完美解决对称加密的密钥泄露问题，效果图如下：

图3. 客户端通过非对称加密把密钥 KEY 发送给服务器

在上述过程中，客户端在拿到服务器的公钥后，会生成一个随机码 (用 KEY 表示，这个 KEY 就是后续双方用于对称加密的密钥)，然后客户端使用公钥把 KEY 加密后再发送给服务器，服务器使用私钥将其解密，这样双方就有了同一个密钥 KEY，然后双方再使用 KEY 进行对称加密交互数据。在非对称加密传输 KEY 的过程中，即便第三方获取了公钥和加密后的 KEY，在没有私钥的情况下也无法破解 KEY (私钥存在服务器，泄露风险极小)，也就保证了接下来对称加密的数据安全。而上面这个流程图正是 HTTPS 的雏形，HTTPS 正好综合了这两种加密算法的优点，不仅保证了通信安全，还保证了数据传输效率。

HTTPS 原理详解

先看一下维基百科对 HTTPS 的定义

Hypertext Transfer Protocol Secure (HTTPS) is an extension of the Hypertext Transfer Protocol (HTTP). It is used for secure communication over a computer network, and is widely used on the Internet. In HTTPS, the communication protocol is encrypted using Transport Layer Security (TLS) or, formerly, its predecessor, Secure Sockets Layer (SSL). The protocol is therefore also often referred to as HTTP over TLS, or HTTP over SSL.

HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure) 是基于 HTTP 的扩展，用于计算机网络的安全通信，已经在互联网得到广泛应用。在 HTTPS 中，原有的 HTTP 协议会得到 TLS (安全传输层协议) 或其前辈 SSL (安全套接层) 的加密。因此 HTTPS 也常指 HTTP over TLS 或 HTTP over SSL。

可见HTTPS 并非独立的通信协议，而是对 HTTP 的扩展，保证了通信安全，二者关系如下：

图4. HTTP和HTTPS的关系

也就是说 HTTPS = HTTP + SSL / TLS。

接下来就是最重要的 HTTPS 原理解析了，老规矩先上图。

证明公开密钥正确性的证书

公开密钥加密方式的问题：无法证明公开密钥本身就是货真价实的公开密钥。比如，正准备和某台服务器建立公开密钥加密方式下的通信时，如何证明收到的公开密钥就是原本预想的那台服务器发行的公开密钥。或许在公开密钥传输途中，真正的公开密钥已经被攻击者替换掉了。

解决

数字证书认证机构（CA,Certificate Authority）和其相关机关颁发的公开密钥证书。（数字证书认证机构处于客户端与服务器双方都可信赖的第三方机构的立场上。）

工作流程

服务器的运营人员向数字证书认证机构提出公开密钥的申请。数字证书认证机构在判明提出申请者的身份之后，会对已申请的公开密钥做数字签名，然后分配这个已签名的公开密钥，并将该公开密钥放入公钥证书后绑定在一起。

服务器会将这份由数字证书认证机构颁发的公钥证书发送给客户端，以进行公开密钥加密方式通信。公钥证书也可叫做数字证书或直接称为证书。

接到证书的客户端可使用数字证书认证机构的公开密钥，对那张证书上的数字签名进行验证，一旦验证通过，客户端便可明确两件事：一，认证服务器的公开密钥的是真实有效的数字证书认证机构。二，服务器的公开密钥是值得信赖的。

此处认证机关的公开密钥必须安全地转交给客户端。使用通信方式时，如何安全转交是一件很困难的事，因此，多数浏览器开发商发布版本时，会事先在内部植入常用认证机关的公开密钥。

以上要特别注意 也是很多文档里面没有写的 接到证书的客户端使用数字证书认证机构的公开密钥来对证书做解密

工作原理简述

HTTPS的工作原理

看上去眼花缭乱，不要怕，且听我细细道来。HTTPS 的整个通信过程可以分为两大阶段：证书验证和数据传输阶段，数据传输阶段又可以分为非对称加密和对称加密两个阶段。具体流程按图中的序号讲解。

1.客户端请求 HTTPS 网址，然后连接到 server 的 443 端口 (HTTPS 默认端口，类似于 HTTP 的80端口)。

2.采用 HTTPS 协议的服务器必须要有一套数字 CA (Certification Authority)证书，证书是需要申请的，并由专门的数字证书认证机构(CA)通过非常严格的审核之后颁发的电子证书 (当然了是要钱的，安全级别越高价格越贵)。颁发证书的同时会产生一个私钥和公钥。私钥由服务端自己保存，不可泄漏。公钥则是附带在证书的信息中，可以公开的。证书本身也附带一个证书电子签名，这个签名用来验证证书的完整性和真实性，可以防止证书被篡改。

3.服务器响应客户端请求，将证书传递给客户端，证书包含公钥和大量其他信息，比如证书颁发机构信息，公司信息和证书有效期等。Chrome 浏览器点击地址栏的锁标志再点击证书就可以看到证书详细信息。

图6. B站 CA 证书

4.客户端解析证书并对其进行验证。如果证书不是可信机构颁布，或者证书中的域名与实际域名不一致，或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。就像下面这样：

图7. 浏览器安全警告

如果证书没有问题，客户端就会从服务器证书中取出服务器的公钥A。然后客户端还会生成一个随机码 KEY，并使用公钥A将其加密。

5.客户端把加密后的随机码 KEY 发送给服务器，作为后面对称加密的密钥。

6.服务器在收到随机码 KEY 之后会使用私钥B将其解密。经过以上这些步骤，客户端和服务器终于建立了安全连接，完美解决了对称加密的密钥泄露问题，接下来就可以用对称加密愉快地进行通信了。

7.服务器使用密钥 (随机码 KEY)对数据进行对称加密并发送给客户端，客户端使用相同的密钥 (随机码 KEY)解密数据。

8.双方使用对称加密愉快地传输所有数据。

好了，以上就是 HTTPS 的原理详解了，如此精美的图搭配这么详细的过程解析，你再搞不懂就说不过去了吧哈哈。

HTTPS的安全通信机制

步骤1： 客户端通过发送Client Hello报文开始SSL通信。报文中包含客户端支持的SSL的指定版本、加密组件（Cipher Suite）列表（所使用的加密算法及密钥长度等）。
步骤2： 服务器可进行SSL通信时，会以Server Hello报文作为应答。和客户端一样，在报文中包含SSL版本以及加密组件。服务器的加密组件内容是从接收到的客户端加密组件内筛选出来的。
步骤3： 之后服务器发送Certificate报文。报文中包含公开密钥证书。
步骤4： 最后服务器发送Server Hello Done报文通知客户端，最初阶段的SSL握手协商部分结束。
步骤5: SSL第一次握手结束之后，客户端以Client Key Exchange报文作为回应。报文中包含通信加密中使用的一种被称为Pre-master secret的随机密码串。该报文已用步骤3中的公开密钥进行加密。
步骤6： 接着客户端继续发送Change Cipher Spec报文。该报文会提示服务器，在此报文之后的通信会采用Pre-master secret密钥加密。
步骤7： 客户端发送Finished报文。该报文包含连接至今全部报文的整体校验值。这次握手协商是否能够成功，要以服务器是否能够正确解密该报文作为判定标准。
步骤8： 服务器同样发送Change Cipher Spec报文。
步骤9： 服务器同样发送Finished报文。
步骤10： 服务器和客户端的Finished报文交换完毕之后，SSL连接就算建立完成。当然，通信会受到SSL的保护。从此处开始进行应用层协议的通信，即发送HTTP请求。
步骤11： 应用层协议通信，即发送HTTP响应。
步骤12： 最后由客户端断开连接。断开连接时，发送close_notify报文。上图做了一些省略，这步之后再发送TCP FIN报文来关闭与TCP的通信。

在以上流程中，应用层发送数据时会附加一种叫做MAC（MessageAuthentication Code）的报文摘要。MAC能够查知报文是否遭到篡改，从而保护报文的完整性。

为什么不一直使用HTTPS
既然HTTPS那么安全可靠，那为何所有的Web网站不一直使用HTTPS？其中一个原因是，因为与纯文本通信相比，加密通信会消耗更多的CPU及内存资源。如果每次通信都加密，会消耗相当多的资源，平摊到一台计算机上时，能够处理的请求数量必定也会随之减少。因此，如果是非敏感信息则使用HTTP通信，只有在包含个人信息等敏感数据时，才利用HTTPS加密通信。特别是每当那些访问量较多的Web网站在进行加密处理时，它们所承担着的负载不容小觑。在进行加密处理时，并非对所有内容都进行加密处理，而是仅在那些需要信息隐藏时才会加密，以节约资源。

4、总结

再来总结一下 HTTPS 和 HTTP 的区别以及 HTTPS 的缺点吧：

HTTPS 和 HTTP 的区别：

• 最最重要的区别就是安全性，HTTP 明文传输，不对数据进行加密安全性较差。HTTPS (HTTP + SSL / TLS)的数据传输过程是加密的，安全性较好。
• 使用 HTTPS 协议需要申请 CA 证书，一般免费证书较少，因而需要一定费用。证书颁发机构如：Symantec、Comodo、DigiCert 和 GlobalSign 等。
• HTTP 页面响应速度比 HTTPS 快，这个很好理解，由于加了一层安全层，建立连接的过程更复杂，也要交换更多的数据，难免影响速度。
• 由于 HTTPS 是建构在 SSL / TLS 之上的 HTTP 协议，所以，要比 HTTP 更耗费服务器资源。
• HTTPS 和 HTTP 使用的是完全不同的连接方式，用的端口也不一样，前者是 443，后者是 80。

HTTPS 的缺点：

• 在相同网络环境中，HTTPS 相比 HTTP 无论是响应时间还是耗电量都有大幅度上升。
• HTTPS 的安全是有范围的，在黑客攻击、服务器劫持等情况下几乎起不到作用。
• 在现有的证书机制下，中间人攻击依然有可能发生。
• HTTPS 需要更多的服务器资源，也会导致成本的升高。