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HTTPS
為什麼要有HTTPS，簡單的回答是“因為HTTP不安全”。
什麼是安全？
通常認為，如果通信過程中具備了四個特性，就可以認為是“安全”的，這四個特性是：機密性、完整性、身份認證和不可否認。
- 機密性（Secrecy/Confidentiality）是指對資料的”保密“，隻能由可信的人通路，對其他人是不可見的”秘密“，簡單來說就是不能讓不相關的人看到不該看的東西。
- 完整性（Integrity，也叫一緻性）是指資料在傳輸過程中沒有被篡改，不多也不少，”完完整整“地保持着原狀。
- 身份認證（Authentication）是指确認對方的真實身份，也就是”證明你真的是你“，保證消息隻能發送給可信的人。
- 不可否認（Non-repudiation/Undeniable），也叫不可抵賴，意思是不能否認已經發生過的行為，不能”說話不算數“”耍賴皮“。
什麼是HTTPS？
HTTPS為HTTP增加了剛才所說的四大安全特性。
HTTPS其實是一個”非常簡單“的協定，RFC文檔很小，隻有短短的7頁，裡面規定了新的協定名”https“，預設端口号443，至于其他的什麼請求-應答模式、封包結構、請求方法、URI、頭字段、連接配接管理等等都完全沿用HTTP，沒有任何新的東西。
那HTTPS怎麼做到機密性、完整性這些安全特性的呢？
秘密就在于HTTPS名字裡的”S“，它把HTTP下層的傳輸協定由TCP/IP換成了SSL/TLS，由”HTTP over TCP/IP“變成了”HTTP over SSL/TLS“，讓HTTP運作在了安全的SSL/TLS協定上，收發封包不再使用Socket API，而是調用專門的安全接口。
SSL/TLS
SSL即安全套接層（Secure Sockets Layer），在OSI模型中處于第5層（會話層），由網景公司于1994年發明，有v2和v3兩個版本，而v1因為有嚴重的缺陷從未公開過。
SSL發展到v3時已經證明了它自身是一個非常好的安全通信協定，于是網際網路工程組IETF在1999年把它改名為TLS（傳輸層安全，Transport Layer Security），正式标準化，版本号從1.0重新算起，是以TLS1.0實際上就是SSLv3.1。
到今天TLS已經發展出了三個版本，分别是2006年的1.1、2008年的1.2和2018年的1.3，每個新版本都緊跟密碼學的發展和網際網路的現狀，持續強化安全和性能，已經成為了資訊安全領域中的權威标準。
目前應用的最廣泛的 TLS 是 1.2，而之前的協定（TLS1.1/1.0、SSLv3/v2）都已經被認為是不安全的，各大浏覽器即将在 2020 年左右停止支援，是以接下來的講解都針對的是 TLS1.2。
TLS由記錄協定、握手協定、警告協定、變更密碼規範協定、擴充協定等幾個子協定組成，綜合使用了對稱加密、非對稱加密、身份認證等許多密碼學前沿技術。
浏覽器和伺服器在使用TLS建立連接配接時需要選擇一組恰當的加密算法來實作安全通信，這些算法的組合被稱為”密碼套件“（cipher suite，也叫加密套件）。TLS的密碼套件命名非正常範，格式很固定。基本的形式是”密鑰交換算法+簽名算法+對稱加密算法+摘要算法“。例如“ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384”的意思是“握手時使用 ECDHE 算法進行密鑰交換，用 RSA 簽名和身份認證，握手後的通信使用 AES 對稱算法，密鑰長度 256 位，分組模式是 GCM，摘要算法 SHA384 用于消息認證和産生随機數。”
OpenSSL
說到TLS，就不能不談到OpenSSL，它是一個著名的開源密碼學程式庫和工具包，幾乎支援所有公開的加密算法和協定，已經成為事實上的标準，許多應用軟體都會使用它作為底層庫來實作TLS功能，包括常用的Web伺服器Apache、Nginx等。OpenSSL是著名的開源密碼學工具包，是SSL/TLS的具體實作。
對稱加密和非對稱加密
實作機密性最常用的手段是”加密“（encrypt），就是把消息用某種方式轉換成誰也看不懂的亂碼，隻有掌握特殊”鑰匙”的人才能再轉換出原始文本。
這裡的“鑰匙”就叫做“密鑰”（key），加密前的消息叫“明文”（plain text/clear text），加密後的亂碼叫“密文”（cipher text），使用密鑰還原明文的過程叫“解密”（decrypt），是加密的反操作，加密解密的操作過程就是“加密算法”。
所有的加密算法都是公開的，任何人都可以去分析研究，而算法使用的“密鑰”則必須保密。由于HTTPS、TLS都運作在計算機上，是以“密鑰”就是一長串的數字，但約定俗成的度量單是”位“（bit），而不是”位元組“（byte）。比如，說密鑰長度是128，就是16位元組的二進制串，密鑰長度1024，就是128位元組的二進制串。
對稱加密
對稱加密就是指加密和解密時使用的密鑰是同一個，是”對稱“的。隻要保證了密鑰的安全，那整個通信過程就可以說具有了機密性。
TLS裡有非常多的對稱加密算法可供選擇，比如RC4、DES、3DES、AES、ChaCha20等，但前三種算法都被認為是不安全的，通常都禁止使用，目前常用的隻有AES和ChaCha20。
AES的意思是”進階加密标準“（Advanced Encryption Standard），密鑰長度可以是128、192或256。它是DES算法的替代者，安全強度很高，性能也很好，而且有的硬體還會做特殊優化，是以非常流行，是應用最廣泛的對稱加密算法。
ChaCha20是Google設計的另一種加密算法，密鑰長度固定為256位，純軟體運作性能要超過AES，曾經在移動用戶端上比較流行，但ARMv8之後也加入了AES硬體優化，是以現在不再具有明顯的優勢，但仍然算得上是一個不錯的算法。
加密分組模式
對稱算法還有一個”分組模式“的概念，它可以讓算法用固定長度的密鑰加密任意長度的明文，把小秘密（密鑰）轉化為大秘密（即密文）。
最新的分組模式被稱為AEAD（Authenticated Encryption ），在加密的同時增加了認證的功能，常用的是GCM、CCM和Poly1305。
把上面這些組合起來，就可以得到TLS密碼套件中定義的對稱加密算法。
比如，AES128-GCM，意思是密鑰長度為128位的AES算法，使用的分組模式是GCM；ChaCha20-Poly1305的意思是ChaCha20算法，使用的分組模式是Poly1305。
非對稱加密
對稱加密看上去好像完美地實作了機密性，但其中有一個很大的問題：如何把密鑰安全地傳遞給對方，術語叫”密鑰交換“。
是以，就出現了非對稱加密（也叫公鑰加密算法）。
它有兩個密鑰，一個叫”公鑰“（public key），一個叫”私鑰“（private key）。兩個密鑰是不同的，”不對稱“，公鑰可以公開給任何人使用，而私鑰必須嚴格保密。
公鑰和私鑰有個特别的”單向“性，雖然都可以用來加密解密，但公鑰加密後隻能用私鑰解密，反過來，私鑰加密後也隻能用公鑰解密。
非對稱加密可以解決”密鑰交換“的問題。網站秘密保管私鑰，在網上任意分發公鑰，你想要登入網站隻要用公鑰加密就行了，密文隻能由私鑰持有者才能解密。
非對稱加密算法的設計要比對稱算法難的多，在TLS裡隻有很少的幾種，比如DH、DSA、RSA、ECC等。
RSA可能是其中最著名的一個，幾乎可以說是非對稱加密的代名詞，它的安全性基于”整數分解“的數學難題，使用兩個超大素數的乘積作為生成密鑰的材料，想要從公鑰推算出私鑰是非常困難的。
ECC（Elliptic Curve Cryptography）是非對稱加密裡的“後起之秀”，它基于“橢圓曲線離散對數”的數學難題，使用特定的曲線方程和基點生成公鑰和私鑰，子算法 ECDHE 用于密鑰交換，ECDSA 用于數字簽名。
比起 RSA，ECC 在安全強度和性能上都有明顯的優勢。160 位的 ECC 相當于 1024 位的 RSA，而 224 位的 ECC 則相當于 2048 位的 RSA。因為密鑰短，是以相應的計算量、消耗的記憶體和帶寬也就少，加密解密的性能就上去了，對于現在的移動網際網路非常有吸引力。
混合加密
非對稱加密雖然沒有”密鑰交換“的問題，但因為它們都是基于複雜的數學難題，運算速度很慢，即使是ECC也要比AES差上好幾個數量級。如果僅使用非對稱加密，雖然保證了安全，但通信速度過慢沒有實用性。
混合加密方式就是把對稱加密和非對稱加密結合起來呢，兩者互相取長補短，即能高效地加密解密，又能安全地密鑰交換：
在通信剛開始的時候使用非對稱算法，比如RSA、ECDHE，首先解決密鑰交換的問題。
然後用随機數産生對稱算法使用的”會話密鑰“（session key），再用公鑰加密。因為會話密鑰很短，通常隻有16位元組或32位元組，是以慢一點也無所謂。
對方拿到密文後用私鑰解密，取出會話密鑰。這樣，雙方就實作了對稱密鑰的安全交換，後續就不再使用非對稱加密，全都使用對稱加密。
數字簽名和證書
加密實作了機密性，但仍無法保證完整性和身份認證等特性
摘要算法
實作完整性的手段主要是摘要算法（Digest Algorithm），也就是常說的散列函數、哈希函數（Hash Function）。
你可以把摘要算法近似地了解成一種特殊的壓縮算法，它能夠把任意長度的資料”壓縮“成固定長度、而且獨一無二的”摘要“字元串，就好像是給這段資料生成了一個數字”指紋“。也可以把摘要算法了解成特殊的”單向“加密算法，它隻有算法，沒有密鑰，加密後的資料無法解密，不能從摘要逆推出原文。
因為摘要算法對輸入具有”單向性“和”雪崩效應“，輸入的微小不同會導緻輸出的劇烈裱花，是以也被TLS用來生成僞随機數（PRF，pseudo random function）。
MD5（Message-Digest 5）、SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）就是最常用的兩個摘要算法，能夠生成16位元組和20位元組長度的數字摘要。但這兩個算法的安全強度比較低，不夠安全，在TLS裡已經被禁止使用了。
目前TLS推薦使用的是SHA-1的後繼者：SHA-2。SHA-2實際上是一系列摘要算法的統稱，總共有6種，常用的有SHA224、SHA256、SHA384，分别能夠生成28位元組、32位元組、48位元組的摘要。
完整性
摘要算法保證了”數字摘要“和原文是完全等價的。是以，我們隻要在原文後附上它的摘要，就能夠保證資料的完整性。
不過摘要算法不具有機密性，如果明文傳輸，那麼黑客可以修改消息後把摘要也一起改了。是以，真正的完整性必須要建立在機密性之上，在混合加密系統裡用會話密鑰加密消息和摘要，這樣黑客就無法得知明文了。
這有個術語，叫哈希消息認證碼（HMAC）。
數字簽名
加密算法結合摘要算法，我們的通信過程可以說是比較安全了。但這裡還是有漏洞，就是通信的兩個端點（endpoint）。黑客可以僞裝網站來竊取消息，也可以僞裝為你，向網站發送支付、轉賬等消息。
那麼，在數字世界裡如何證明你的身份呢？由于非對稱加密裡的”私鑰“隻能由本人持有，那麼使用私鑰再加上摘要算法，就能夠實作”數字簽名“，同時實作”身份認證“和”不可否認“。
數字簽名的原理其實很簡單，就是把公鑰私鑰的用法反過來，之前是公鑰加密，私鑰解密，現在是私鑰解密、公鑰加密。但又因為非對稱加密效率太低，是以私鑰隻加密原文的摘要，這樣運算量就小的多，而且得到的數字簽名也很小，友善保管和傳輸。
簽名和公鑰一樣完全公開，任何人都可以擷取。但這個簽名隻有用私鑰對應的公鑰才能解開，拿到摘要後，再比對原文驗證完整性，就可以像簽署檔案一樣證明消息确實是你發的。
剛才的這兩個行為也有專用術語，叫做”簽名“和”驗簽“。
隻要你和網站互相交換公鑰，就可以用”簽名“和”驗簽“來确認消息的真實性，因為私鑰保密，黑客不能僞造簽名，就能夠保證通信雙方的身份。
數字證書和CA
綜合使用對稱加密、非對稱加密和摘要算法，我們已經實作了安全的四大特性。但這裡還有一個”公鑰的信任“問題。因為誰都可以釋出公鑰，我們還缺少防止黑客僞造公鑰的手段。
我們可以用類似密鑰交換的方法來解決公鑰認證問題，用别的私鑰來給公鑰簽名，顯然，這又會陷入”無窮遞歸“。
這次實在是”沒招“了，要終結這個”死循環“，就必須要引入”外力“，找一個公認的可信第三方，讓它作為”信任的起點，遞歸的終點“，建構起公鑰的信任鍊。
這個”第三方“就是我們常說的CA（Certificate Authority，證書認證機構）。它就像網絡世界裡的警察局、教育局、公證中心，具有極高的可信度，由它來給各個公鑰簽名，用自身的信譽來保證公鑰無法僞造，是可信的。
CA對公鑰的簽名認證也是有格式的，不是簡單地把公鑰綁定在持有者身份上就完事了，還要包含序列号、用途、頒發者、有效時間等等，把這些打成一個包再簽名，完整地證明公鑰關聯的各種資訊，形成”數字證書“（Certificate）
知名的CA全世界就那麼幾家，比如DigiCert、VeriSign、Entrust、Let's Encrypt等，它們簽發的證書分DV、OV、EV三種，差別在于可信程度。
DV是最低的，隻是域名級别的可信，背後是誰不知道。EV是最高的，經過了法律和審計的嚴格核查，可以證明網站擁有者的身份（在浏覽器位址欄會顯示出公司的名字，例如Apple、Github的網站）。
不過，CA怎麼證明自己呢？
這還是信任鍊的問題。小一點的CA可以讓大CA簽名認證，但鍊條的最後，也就是Root CA，就隻能自己證明自己了，這個就叫”自簽名證書“（Self-Signed Certificate）或者”根證書“（Root Certificate）。你必須相信，否則整個證書信任鍊就走不下去了。
有了這個證書體系，作業系統和浏覽器都内置了各大CA的根證書，上網的時候隻要伺服器發過來它的證書，就可以驗證證書裡的簽名，順着證書鍊（Certificate Chain）一層層地驗證，直到找到根證書，就可以确定證書是可信的，進而裡面的公鑰可以可信的。
證書體系的弱點
證書體系（PKI，Public Key Infrastructure）雖然是目前整個網絡世界的安全基礎設施，但絕對的安全是不存在的，它也有弱點，還是關鍵的”信任“二字。
如果CA失誤或者被欺騙，簽發了錯誤的證書，雖然證書是真的，可它代表的網站卻是假的。
還有一種更危險的情況，CA被黑客攻陷，或者CA有惡意，因為它（即根證書）是信任的源頭，整個信任鍊裡的所有證書也就都不可信了。
是以，需要再給證書體系打上一些更新檔。
針對第一種，開發出了CRL（證書吊銷清單，Certificate revocation list）和OCSP（線上證書狀态協定，Online Certificate Status Protocol），及時廢止有問題的證書。
對于第二種，因為涉及的證書太多，就隻能作業系統或者浏覽器從根上”下狠手“了，撤銷對CA的信任，列入”黑名單“，這樣它頒發的所有證書就都會被認為是不安全的。
Q&A
Q：你能說出 HTTPS 與 HTTP 有哪些差別嗎？
Q：你知道有哪些方法能夠實作機密性、完整性等安全特性呢？
Q：加密算法中“密鑰”的名字很形象，你能試着用現實中的鎖和鑰匙來比喻一下嗎？
Q：在混合加密中用到了公鑰加密，因為隻能由私鑰解密。那麼反過來，私鑰加密後任何人都可以用公鑰解密，這有什麼用呢？
Q：為什麼公鑰能夠建立信任鍊，用對稱加密算法裡的對稱密鑰行不行呢？
Q：假設有一個三級的證書體系（Root CA=> 一級 CA=> 二級 CA），你能詳細解釋一下證書信任鍊的驗證過程嗎？
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原文釋出時間：2020-06-12
本文作者：laity0828
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