【JavaEE网络】HTTPS详解：从对称与非对称加密到证书认证

本文主要是介绍【JavaEE网络】HTTPS详解：从对称与非对称加密到证书认证，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

HTTPS

HTTPS 是什么

HTTPS 也是一个应用层协议. 是在 HTTP 协议的基础上引入了一个加密层.

HTTP 协议内容都是按照文本的方式明文传输的. 这就导致在传输过程中出现一些被篡改的情况.

由于我们通过网络传输的任何的数据包都会经过运营商的网络设备(路由器, 交换机等), 那么运营商的网络设备就可以解析出你传输的数据内容, 并进行篡改.

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在中间运营商设备这里数据就很容易被篡改

不止运营商可以劫持, 其他的黑客也可以用类似的手段进行劫持, 来窃取用户隐私信息, 或者篡改内容.

HTTPS 就是在 HTTP 的基础上进行了加密, 进一步的来保证用户的信息安全

“加密” 是什么

加密就是把明文 (要传输的信息)进行一系列变换, 生成密文 .

解密就是把密文再进行一系列变换, 还原成明文 .

在这个加密和解密的过程中, 往往需要一个或者多个中间的数据, 辅助进行这个过程, 这样的数据称为密钥

HTTTPS 的工作过程

既然要保证数据安全, 就需要进行 “加密”.

网络传输中不再直接传输明文了, 而是加密之后的 “密文”.

加密的方式有很多, 但是整体可以分成两大类: 对称加密 和 非对称加密

引入对称加密

最简单的保证安全的做法，引入对称密钥，针对传输的数据（HTTP的header和body）进行加密。

对称加密其实就是通过同一个 “密钥” , 把明文加密成密文, 并且也能把密文解密成明文.

一个简单的对称加密, 按位异或

假设明文 a = 1234, 密钥 key = 8888

则加密 a ^ key 得到的密文 b 为 9834.

然后针对密文 9834 再次进行运算 b ^ key, 得到的就是原来的明文 1234.

(对于字符串的对称加密也是同理, 每一个字符都可以表示成一个数字)

当然, 按位异或只是最简单的对称加密. HTTPS 中并不是使用按位异或

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黑客截获到的数据，是加密后的数据

黑客手里没有对称密钥，无法进行解密

每个客户端，都需要有一把自己的对称密钥（不同客户端的密钥也要不同）

如果客户端生成了密钥，就需要把密钥传输给服务器

但事情没这么简单. 服务器同一时刻其实是给很多客户端提供服务的. 这么多客户端，每个人用的秘钥都必须是不同的(如果是相同那密钥就太容易扩散了，黑客就也能拿到了). 因此服务器就需要维护每个客户端和每个密钥之间的关联关系，这也是个很麻烦的事情

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比较理想的做法, 就是能在客户端和服务器建立连接的时候, 双方协商确定这次的密钥是啥

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但是如果直接把密钥明文传输, 那么黑客也就能获得密钥了，此时后续的加密操作就形同虚设了.

因此密钥的传输也必须加密传输!

但是要想对密钥进行对称加密，就仍然需要先协商确定一个 “密钥的密钥”。但这就无限套娃了。此时密钥的传输再用对称加密就行不通了。

就需要引入非对称加密.

引入非对称加密

非对称加密要用到两个密钥, 一个叫做 “公钥”, 一个叫做 “私钥”.

公钥和私钥是配对的. 最大的缺点就是运算速度非常慢，比对称加密要慢很多.

通过公钥对明文加密, 变成密文
通过私钥对密文解密, 变成明文

也可以反着用

通过私钥对明文加密, 变成密文
通过公钥对密文解密, 变成明文

非对称加密的数学原理比较复杂, 涉及到一些数论相关的知识. 这里举一个简单的生活上的例子.

A 要给 B 一些重要的文件, 但是 B 可能不在. 于是 A 和 B 提前做出约定:

B 说: 我桌子上有个盒子, 然后我给你一把锁, 你把文件放盒子里用锁锁上, 然后我回头拿着钥匙来开锁取文件.

在这个场景中, 这把锁就相当于公钥, 钥匙就是私钥. 公钥给谁都行(不怕泄露), 但是私钥只有 B 自己持有. 持有私钥的人才能解密.

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公钥是给任何人提供的

服务器把公钥给到客户端，客户端再把888888这个密文用公钥加密，然后发送给服务器，但这个密文现在只能用服务器自己的私钥才能打开，这就不怕黑客入侵了

客户端在本地生成对称密钥, 通过公钥加密, 发送给服务器.
由于中间的网络设备没有私钥, 即使截获了数据, 也无法还原出内部的原文, 也就无法获取到对称密钥
服务器通过私钥解密, 还原出客户端发送的对称密钥. 并且使用这个对称密钥加密给客户端返回的响应数据.
后续客户端和服务器的通信都只用对称加密即可. 由于该密钥只有客户端和服务器两个主机知道, 其他主机/设备不知道密钥即使截获数据也没有意义.

此处使用非对称加密，只是用来针对对称密钥加密，而不会加密HTTP的header和body（数据）

由于对称加密的效率比非对称加密高很多, 因此只是在开始阶段协商密钥的时候使用非对称加密, 后续的传输仍然使用对称加密.

客户端是怎么解密出来对称密钥的？

客户端自己生成的，当然知道，想安全地传输给服务器，才使用上述过程

客户端生成对称密钥，服务器生成公钥和私钥，将公钥发送给客户端

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那么接下来问题又来了:

客户端如何获取到公钥？
客户端如何确定这个公钥不是黑客伪造的？

引入证书

在客户端和服务器刚一建立连接的时候, 服务器给客户端返回一个证书.

这个证书包含了刚才的公钥, 也包含了网站的身份信息.

这个证书就好比人的身份证, 作为这个网站的身份标识. 搭建一个 HTTPS 网站要在CA机构先申请一个证书. (类似于去公安局办个身份证)

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这个证书可以理解成是一个结构化的字符串, 里面包含了以下信息:

证书发布机构
证书有效期
公钥
证书所有者
签名
…

当客户端获取到这个证书之后, 会对证书进行校验(防止证书是伪造的).

判定证书的有效期是否过期
判定证书的发布机构是否受信任(操作系统中已内置的受信任的证书发布机构).
验证证书是否被篡改: 从系统中拿到该证书发布机构的公钥, 对签名解密, 得到一个 hash 值(称为数据摘要), 设为 hash1. 然后计算整个证书的 hash 值, 设为 hash2. 对比 hash1 和 hash2 是否相等. 如果相等, 则说明证书是没有被篡改过的

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黑客仍有办法，把自己伪装成认证机构，骗客户端安装自己的公钥

因此网络只是相对安全，防不胜防

完整流程

左侧都是客户端做的事情, 右侧都是服务器做的事情.

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总结

HTTPS 工作过程中涉及到的密钥有三组.

第一组(非对称加密): 用于校验证书是否被篡改. 服务器持有私钥(私钥在注册证书时获得), 客户端持有公钥(操作系统包含了可信任的 CA 认证机构有哪些, 同时持有对应的公钥). 服务器使用这个私钥对证书的签名进行加密. 客户端通过这个公钥解密获取到证书的签名, 从而校验证书内容是否是篡改过.

第二组(非对称加密): 用于协商生成对称加密的密钥. 服务器生成这组私钥-公钥对, 然后通过证书把公钥传递给客户端. 然后客户端用这个公钥给生成的对称加密的密钥加密, 传输给服务器, 服务器通过私钥解密获取到对称加密密钥.

第三组(对称加密): 客户端和服务器后续传输的数据都通过这个对称密钥加密解密.

其实一切的关键都是围绕这个对称加密的密钥. 其他的机制都是辅助这个密钥工作的.