即时通讯安全篇（九）：为什么要用HTTPS？深入浅出，探密短连接的安全性

本文由ELab技术团队分享，原题“探秘HTTPS”，有修订和改动。

1、引言

对于IM开发者来说，IM里最常用的通信技术就是Socket长连接和HTTP短连接（通常一个主流im会是这两种通信手段的结合）。从通信安全的角度来说，Socket长连接的安全性，就是基于SSL/TLS加密的TCP协议来实现的（比如微信的mmtls，见《微信新一代通信安全解决方案：基于TLS1.3的MMTLS详解》）；而对于HTTP短连接的安全性，也就是HTTPS了。

到底什么是HTTPS？为什么要用HTTPS？今天就借此机会，跟大家一起深入学习一下HTTPS的相关知识，包括HTTP的发展历程、HTTP遇到的问题、对称与非对称加密算法、数字签名、第三方证书颁发机构等概念。

学习交流：

- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》

- 开源IM框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK

（本文已同步发布于：http://www.52im.net/thread-3897-1-1.html）

2、系列文章

本文是IM通讯安全知识系列文章中的第9篇，此系列总目录如下：

3、写在前面

说到HTTPS，那就得回到HTTP协议。

对于HTTP协议，大家肯定都熟得不能再熟了。那么HTTPS和HTTP的区别大家了解吗？

对于这个经典的面试题，大部分人会这么回答：

1）HTTPS比HTTP多了一个S(Secure)：也就是说HTTPS是安全版的HTTP；
2）端口号不同：HTTP使用80端口，HTTPS使用443端口；
3）加密算法：HTTPS用的是非对称加密算法。

上面的回答能给几分？等看完本文我们可以再回头来看下这个回答。

那么，HTTPS是如何实现安全的短连接数据传输呢？想彻底搞明白这个问题，还是要从HTTP的发展历程说起 ......

4、HTTP协议回顾

4.1 基础常识

HTTP是Hypertext Transfer Protocal 的缩写，中文全称是超文本传输协议（详见《深入浅出，全面理解HTTP协议》）。

通俗了解释就是：

1）超文本是指包含但不限于文本外的图片、音频、视频等多媒体资源；
2）协议是通信双方约定好的数据传输格式以及通信规则。

HTTP是TCP/IP协议簇的最高层——应用层协议：

▲ 上图引用自《深入浅出，全面理解HTTP协议》

浏览器和服务器在使用HTTP协议相互传递超文本数据时，将数据放入报文体内，同时填充首部（请求头或响应头）构成完整HTTP报文并交到下层传输层，之后每一层加上相应的首部（控制部分）便一层层的下发，最终由物理层将二进制数据以电信号的形式发送出去。

HTTP的请求如下图所示：

▲ 上图引用自《深入浅出，全面理解HTTP协议》

HTTP报文结构如下：

4.2 发展历程

HTTP的发展历程如下：

由HTTP的发展历程来看，最开始版本的HTTP(HTTP1.0)在每次建立TCP连接后只能发起一次HTTP请求，请求完毕就释放TCP连接。

我们都知道TCP连接的建立需要经过三次握手的过程，而每次发送HTTP请求都需要重新建立TCP连接，毫无疑问是很低效的。所以HTTP1.1改善了这一点，使用长连接的机制，也就是“一次TCP连接，N次HTTP请求”。

HTTP协议的长连接和短连接，实质上是 TCP 协议的长连接和短连接。

在使用长连接的情况下，当一个网页打开完成后，客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的TCP连接不会关闭，客户端再次访问这个服务器时，会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接，它有一个保持时间，可以在不同的服务器软件（如Apache）中设定这个时间。实现长连接需要客户端和服务端都支持长连接。

PS：对于IM开发者来说，为了与Socket长连接通道区分，通常认为HTTP就是“短连接”（虽然这个“短连接”不一定真的“短”）。

HTTP1.0若要开启长连接，需要加上Connection: keep-alive请求头。有关HTTP协议的详细发展历程可阅读《一文读懂HTTP协议的历史演变和设计思路》一文。

4.3 安全问题

随着HTTP越来越广泛的使用，HTTP的安全性问题也逐渐暴露。

回忆一下多年前遍地都是的运营商劫持，当你访问一个本来很正常的网页，但页面上却莫名其妙出现了一些广告标签、跳转脚本、欺骗性的红包按钮，甚至有时候本来要下载一个文件，最后下载下来却变成了另外一个完全不同的东西，这些都是被运营商劫持了HTTP明文数据的现象。

下图就是似曾相识的运营商劫持效果图：

PS：关于运营商劫持问题，可以详细阅读《全面了解移动端DNS域名劫持等杂症：原理、根源、HttpDNS解决方案等》。

HTTP主要有以下3点安全性问题：

归纳一下就是：

1）数据保密性问题：因为HTTP无状态，而且又是明文传输，所有数据内容都在网络中裸奔，包用户括身份信息、支付账号与密码。这些敏感信息极易泄露造成安全隐患；
2）数据完整性问题：HTTP数据包在到达目的主机前会经过很多转发设备，每一个设备节点都可能会篡改或调包信息，无法验证数据的完整性；
3）身份校验问题：有可能遭受中间人攻击，我们无法验证通信的另一方就是我们的目标对象。

因此，为了保证数据传输的安全性，必须要对HTTP数据进行加密。

5、常见的加密方式

5.1 基本情况

常见的加密方式分为三种：

1）对称加密；
2）非对称加密；
3）数字摘要。

前两种适合数据传输加密，而数字摘要不可逆的特性常被用于数字签名。

接下来，我们逐一简要学习一下这三种常见的加密方法。

5.2 对称加密

对称加密也称为密钥加密或单向加密，就是使用同一套密钥来进行加密和解密。密钥可以理解为加密算法。

对称加密图示如下：

广泛使用的对称加密有：

对称加密算法的优缺点和适用场景：

1）优点：算法公开、简单，加密解密容易，加密速度快，效率高；
2）缺点：相对来说不算特别安全，只有一把钥匙，密文如果被拦截，且密钥也被劫持，那么，信息很容易被破译；
3）适用场景：加解密速度快、效率高，因此适用于大量数据的加密场景。由于如何传输密钥是较为头痛的问题，因此适用于无需进行密钥交换的场景，如内部系统，事先就可以直接确定密钥。

PS：可以在线体验对称加密算法，链接是：http://www.jsons.cn/textencrypt/

小知识：base64编码也属于对称加密哦！

5.3 非对称加密

非对称加密使用一对密钥（公钥和私钥）进行加密和解密。

非对称加密可以在不直接传递密钥的情况下，完成解密，具体步骤如下：

1）乙方生成两把密钥（公钥和私钥）。公钥是公开的，任何人都可以获得，私钥则是保密的；
2）甲方获取乙方的公钥，然后用它对信息加密；
3）乙方得到加密后的信息，用私钥解密。

以最典型的非对称加密算法RSA为例，举个例子：

想要彻底搞懂RSA，需要了解数论的知识，全部推导过程RSA加密算法。简单介绍思路：使用两个超大质数以及其乘积作为生成公钥和私钥的材料，想要从公钥推算出私钥是非常困难的（需要对超大数因式分解为两个很大质数的乘积）。目前被破解的最长RSA密钥是768个二进制位。也就是说，长度超过768位的密钥，还无法破解（至少没人公开宣布）。因此可以认为，1024位的RSA密钥基本安全，2048位的密钥极其安全。

非对称加密算法的优缺点和适用场景：

1）优点：强度高、安全性强于对称加密算法、无需传递私钥导致没有密钥泄露风险；
2）缺点：计算量大、速度慢；
3）适用场景：适用于需要密钥交换的场景，如互联网应用，无法事先约定密钥。

实践应用过程中，其实可以与对称加密算法结合：

1）利用非对称加密算法安全性较好的特点来传递对称加密算法的密钥。
2）利用对称加密算法加解密速度快的特点，进行数据内容比较大的加密场景的加密（如HTTPS）。

PS：对于IM开发者来说，《探讨组合加密算法在IM中的应用》一文值得一读。

5.4 如何选择？

1）如果选择对称加密：

HTTP请求方使用对称算法加密数据，那么为了接收方能够解密，发送方还需要把密钥一同传递到接收方。在传递密钥的过程中还是可能遭到嗅探攻击，攻击者窃取密钥后依然可以解密从而得到发送的数据，所以这种方案不可行。

2）如果选择非对称加密：

接收方保留私钥，把公钥传递给发送方。发送方用公钥来加密数据，接收方使用私钥解密数据。攻击者虽然不能直接获取这些数据（因为没有私钥），但是可以通过拦截传递的公钥，然后把自己的公钥传给发送方，再用自己的私钥对发送方发送数据进行解密。

整个过程通信双方都不知道中间人的存在，但是中间人能够获得完整的数据信息。

3）两种加密方法的混合：

先使用非对称加密算法加密并传递对称加密的密钥，然后双方通过对称加密方式加密要发送的数据。看起来没什么问题，但事实是这样吗？

中间人依然可以拦截公钥的传递，并以自己的公钥作为替换，治标不治本。

想要治本，就要找到一个第三方公证人来证明公钥没有被替换，因此就引出了数字证书的概念，这也是下一节将分享的内容。

6、数字证书

6.1 CA机构

CA就是 Certificate Authority，即颁发数字证书的机构。

作为受信任的第三方，CA承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任。

证书就是源服务器向可信任的第三方机构申请的数据文件。这个证书除了表明这个域名是属于谁的，颁发日期等，还包括了第三方证书的私钥。

服务器将公钥放在数字证书中，只要证书是可信的，公钥就是可信的。

下面两图是飞书域名的证书中部分内容的信：

6.2 数字签名

摘要算法：一般用哈希函数来实现，可以理解成一种定长的压缩算法，它能把任意长度的数据压缩到固定长度。这好比是给数据加了一把锁，对数据有任何微小的改动都会使摘要变得截然不同。

通常情况下：数字证书的申请人（服务器）将生成由私钥和公钥以及证书请求文件（Certificate Signing Request，CSR）组成的密钥对。CSR是一个编码的文本文件，其中包含公钥和其他将包含在证书中的信息（例如：域名、组织、电子邮件地址等）。密钥对和CSR生成通常在将要安装证书的服务器上完成，并且 CSR 中包含的信息类型取决于证书的验证级别。与公钥不同，申请人的私钥是安全的，永远不要向 CA（或其他任何人）展示。

生成 CSR 后：申请人将其发送给 CA，CA 会验证其包含的信息是否正确，如果正确，则使用颁发的私钥对证书进行数字签名，然后将签名放在证书内随证书一起发送给申请人。

在SSL握手阶段：浏览器在收到服务器的证书后，使用CA的公钥进行解密，取出证书中的数据、数字签名以及服务器的公钥。如果解密成功，则可验证服务器身份真实。之后浏览器再对数据做Hash运算，将结果与数字签名作对比，如果一致则可以认为内容没有收到篡改。

对称加密和非对称加密是公钥加密、私钥解密，而数字签名正好相反——是私钥加密（签名）、公钥解密（验证），如下图所示。

限于篇幅，关于数字证书的内容本文就不再赘述，想详细了解的可以阅读：

7、为什么要使用HTTPS

《图解HTTP》一书中提到HTTPS就是身披SSL外壳的HTTP。

7.1 SSL

SSL 在1999年被更名为TLS。

所以说：HTTPS 并不是一项新的应用层协议，只是 HTTP 通信接口部分由 SSL 和 TLS 替代而已。

具体就是：HTTP 会先直接和 TCP 进行通信，而HTTPS 会演变为先和 SSL 进行通信，然后再由 SSL 和 TCP 进行通信。

SSL是一个独立的协议，不只有 HTTP 可以使用，其他应用层协议也可以使用，比如FTP、SMTP都可以使用SSL来加密。

7.2 HTTPS请求流程

HTTPS请求全流程如下图：

如上图所示：

1）用户在浏览器发起HTTPS请求，默认使用服务端的443端口进行连接；
2）HTTPS需要使用一套CA 数字证书，证书内会附带一个服务器的公钥Pub，而与之对应的私钥Private保留在服务端不公开；
3）服务端收到请求，返回配置好的包含公钥Pub的证书给客户端；
4）客户端收到证书，校验合法性，主要包括是否在有效期内、证书的域名与请求的域名是否匹配，上一级证书是否有效（递归判断，直到判断到系统内置或浏览器配置好的根证书），如果不通过，则显示HTTPS警告信息，如果通过则继续；
5）客户端生成一个用于对称加密的随机Key，并用证书内的公钥Pub进行加密，发送给服务端；
6）服务端收到随机Key的密文，使用与公钥Pub配对的私钥Private进行解密，得到客户端真正想发送的随机Key；
7）服务端使用客户端发送过来的随机Key对要传输的HTTP数据进行对称加密，将密文返回客户端；
8）客户端使用随机Key对称解密密文，得到HTTP数据明文；
9）后续HTTPS请求使用之前交换好的随机Key进行对称加解密。