HTTPS 是如何保证传输安全的？

纸上得来终觉浅，除开原理部分外，本文还提供了 HTTP 和 HTTPS 的实战教程，帮助你从 0 开始搭建一个 HTTPS 加密的 Web 服务器，如果按照实战教程一步一步走下来，那么你将对 HTTPS 有更进一步的把握。

好了，废话不多说，直接进入正题吧。

什么是 HTTPS ？一句话

HTTPS = HTTP + SSL

HTTPS 并不是一个全新的协议，而是在 HTTP 的基础上，通过 SSL 增加了一层加密协议，从而大大增加了 HTTP 协议的安全性。

所以在正式了解 HTTPS 之前，我们需要先了解 HTTP。

GET / HTTP/1.1
Accept: text/html,...
Accept-Encoding: gzip, deflate
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Cache-Control: no-cache
Connection: keep-alive
Host: httpbin.org
Pragma: no-cache
Upgrade-Insecure-Requests: 1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/112.0.0.0 Safari/537.36

• HTTP/1.1 指的协议版本，响应和请求的协议版本是一致的
• 200 OK 代表返回的响应码，表示这个响应是符合预期的。另外还有非常常见的返回码 404 NOT FOUND ，大家应该或多或少听说过，它表示服务器告诉你你访问的这个资源不存在
• 后面 7 行全部是 HTTP header，同样每一个 header 包含 name 和 value，之间用冒号分隔开。
• 最后是 HTTP Body，也就是响应体，即服务器返回给你的内容主体，浏览器正是根据响应体来渲染页面的

对于普通的 HTTP 协议，在建立完 TCP 连接之后，就直接开始传输数据了，这时候数据是明文传输的，这也是 HTTP 最不安全的地方。

明文传输是什么概念呢？我们知道，浏览器和服务器之间，是存在很长一条路线的，你在家里通过浏览器访问网页的时候，数据会从你的电脑，传到你家里的路由器，再到光猫，到运营商，到互联网….直到最后才到服务器。在明文传输下，理论上来讲，浏览器和服务器之间的任一节点，包括你家里的路由器、包括你购买宽带/流量的运营商，都可以“窃听”你们的数据，甚至还可以修改数据。

听起来不够直观？打个比方，近代时期，战场上打仗时，部队之间会通过电台进行交流。如果通过明文进行交流，那么非常危险，敌军可以打开电台进行窃听，偷取你的军事情报，这样的事也屡见不鲜了…那么他们是如何解决这个问题的呢？两个部队之间提前约定一个加密的方案，在传数据之前，先把它进行加密再传输，另一端收到数据之后，按照事先约定的方案进行解密，然后读取就可以了。这样即使敌军开始窃听，也只能听到加密后的情报，如果无法对其破解的话，得不到任何有效信息。

没错，这就是 HTTPS 的思想，浏览器在发送 HTTP 请求之前，先通过某种方式对其进行加密，然后再进行传输。服务器端收到数据之后，对其解密，读取真实内容，生成 HTTP 响应，同样对响应进行加密，然后传回给浏览器，浏览器收到数据之后，对其进行解密，得到真正的 HTTP 响应。这样就可以保证数据在传输过程中的安全性，无论是路由器还是运营商，都没有办法“窃听”你们的数据了。

说到这里，想必你已经知道 HTTPS 的一大作用了，它可以保证数据在互联网上传输的安全性，避免中间节点进行窃听和修改。

当然，聪明的你还可能会想到一些问题，例如：

1. 战场上军队之间是提前约定好加密方案的，但是咱们任意一个浏览器都可以随时访问网页，没有办法提前约定加密方案呀，那是怎么做到的呢？
2. 战场上经常出现敌军对另一方部队之间的电台加密进行破解的事情，破解完成之后，还是能够窃听到数据，那 HTTPS 的这个加密方案到底安全吗，会被破解吗？

别急，这些问题，你都可以在本文中得到答案。

那么 TLS 是什么时候开始发挥作用的呢？答案很简单，在三次握手之后，传输数据之前。

也就是说，在 TCP 协议中加入 TLS 之后，三次握手成功之后就不会再立刻开始传输数据了，而是紧接着开始 TLS 的建立过程，也被称为 TLS 握手。

TLS 握手是干嘛呢？或者说为什么需要 TLS 握手呢？上面提到，在战场上，两个部队之间会提前约定好加密的方案，例如面对面用纸互相写下加密方案，然后在一段时间之内的电台通信统一用这个加密方案，这样能一定程度上保证电台通信的安全性。但是 TLS 中我们并没有这样一个“面对面”的机会，咱们总不可能在访问网页之前，人肉跑到服务器的维护者那边去跟他约定加密方案吧。出于这个目的，TLS 握手便出现了。所以我们可以说，TLS 握手的目的是给通信双方约定一个安全的加密方案（可以理解为商量一个只有双方知道的加密密钥）

知道了 TLS 握手的目的，接下来我们需要知道它具体是怎么做的。首先，我们肯定不能直接明文传输加密方案（密钥），不然这个密钥在传输过程中就直接被第三方获取了，那么加密将没有任何意义。也就是说，TLS 握手需要做到：通信双方可以约定一个共同的加密方案（密钥），并且这个约定的过程（即 TLS 握手过程），即使被任何第三方窃听到，也无法解析出这个加密方案（密钥）。

是不是听起来很神奇，那到底是怎么做到的呢？这就不得不提到密码学中非常经典的两个概念：对称加密和非对称加密。

简单说说其思想吧，目前流行的非对称加密算法 RSA 基于的原理其实就一句话：我们目前还没有很好的办法对一个很大的数做因式分解，例如你在心里默默想一个很大的质数 p 和 质数 q，算出其乘积 n，那么向外公开 n 的话，外部人员是很难找出 p 和 q 的（只能暴力尝试，而当这样的数够大够多的时候，以现在的计算机算力也需要几百上千年的时间才能破解了）。对密码学感兴趣的同学，可自行进一步了解。

有了非对称加密，事情就变得有意思起来了。见下图，服务器端用非对称加密方案生成一对公/私钥，私钥掌握在自己手里，谁也不告诉；在 TLS 握手的过程中，服务器将自己的公钥交给浏览器端，浏览器端在心里默默想出一个对称加密的密钥后，将这个密钥用服务器端的公钥进行加密，然后再传回给浏览器端；浏览器端收到这个数据之后，用自己的私钥将其进行解密，就能够得到刚才浏览器心里默念的那个对称密钥了。这样这个问题就完美的解决了，两边可以心有灵犀的拿到这个对称密钥，而不用担心被任何第三方窃取到了。

CA 需要验证百度的真实身份，并且他确实拥有 www.baidu.com  这个域名，一切都验证通过后，CA 才会给百度颁发这么一个数字证书。那么之后，不管是谁用浏览器访问 www.baidu.com  的时候，百度都会将刚才那个 CA 颁发的数字证书发送给用户，既可以用来自证身份，同时还顺便告诉了用户自己的公钥。

1. 数字证书如何保证不能伪造呢，难道中间人不能伪造一个数字证书发送给用户吗？
2. 即使数字证书不能被伪造，从概念上看他是公开的，难道中间人不能直接把这个证书颁发给用户吗？

下面会一一回答这几个问题。正式回答之前，先来看看数字证书里究竟有哪些内容。

既然上面提到百度，我们就以百度为例，我们使用浏览器访问百度，可以在地址栏左边看到一个小锁，点击后，就可以查看百度的数字证书

• 颁发对象：这个证书是颁发给百度的，并且只对域名 (www.)baidu.com 有效
• 颁发者：这个证书是由 GlobalSign 颁发的。（GlobalSign是一家全球知名的证书权威机构）
• 有效期：这个证书的有效期是从 2022 年 7 月到 2023 年 8 月。（一旦过期，证书将不被信任）
• 指纹：指纹是整张证书经过哈希计算后得到的特征值，主要与后面会提到的签名一起工作，起到防篡改的作用

$ openssl x509 -noout -text -in baidu.com.cer
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            44:17:ce:86:ef:82:ec:69:21:cc:6f:68
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=BE, O=GlobalSign nv-sa, CN=GlobalSign RSA OV SSL CA 2018
        Validity
            Not Before: Jul  5 05:16:02 2022 GMT
            Not After : Aug  6 05:16:01 2023 GMT
        Subject: C=CN, ST=beijing, L=beijing, OU=service operation department, O=Beijing Baidu Netcom Science Technology Co., Ltd, CN=baidu.com
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                RSA Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:aa:2f:cc:41:8d:25:ae:83:e9:f4:27:c4:00:b3:
                    39:6f:0e:98:2a:55:7d:07:e5:80:49:82:fa:d3:d3:
                    85:98:b5:df:7b:6f:bb:02:dd:ed:78:e4:0c:07:2b:
                    9e:1e:86:4b:f6:6a:86:58:d7:57:6f:21:59:11:d8:
                    6f:96:6e:d2:de:36:28:f6:b4:e3:ce:95:32:29:00:
                    c1:65:8e:69:b0:00:fe:52:37:f4:88:3f:8b:6d:0f:
                    bb:f0:ec:c5:c0:31:ef:ad:b5:0c:06:66:ad:be:dc:
                    43:13:c4:66:b0:5d:cf:56:53:e2:d1:96:82:1c:06:
                    bb:9b:5f:ed:60:8d:d2:ed:f3:d2:50:ee:bb:cd:b2:
                    36:97:c8:ce:7b:d2:4b:b7:5c:b4:88:ca:37:6e:8b:
                    ce:f9:96:fd:b4:f5:47:b5:20:77:bb:fc:a8:9d:81:
                    b2:6c:f8:c7:09:6a:dd:22:6e:83:3f:a7:53:df:f1:
                    da:2f:29:6b:22:c3:e9:1d:65:e8:c5:a0:ba:13:4e:
                    16:3f:03:93:f0:a5:59:8a:1a:80:e8:27:7d:49:23:
                    df:d1:f9:4b:97:b7:01:c4:19:f5:f1:c5:ff:91:33:
                    d0:a1:74:c6:ee:d4:cf:f6:38:0c:ed:bd:5e:aa:44:
                    fb:88:f7:7b:99:70:76:34:55:7e:55:d2:0f:9e:bf:
                    94:93
                    
    ... (中间省略）
   
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         63:21:07:23:47:06:eb:b3:7c:77:6c:df:bc:55:12:b9:f1:5e:
         6a:04:60:16:be:d0:0b:18:9c:94:0c:a8:82:08:25:0d:26:fb:
         dd:cb:fc:8c:27:d9:0c:fa:4a:b6:31:b6:67:f0:26:2c:0d:96:
         96:39:65:3f:d9:a1:ee:de:9c:10:4d:54:e1:c8:d6:a9:0e:77:
         db:00:e2:37:e3:3f:b4:9c:31:4f:ac:74:d3:22:12:53:36:d0:
         ef:18:07:2d:8e:d0:e6:91:b2:6c:4a:5e:39:53:14:58:4e:d1:
         50:04:c9:83:7e:0d:7b:15:96:87:11:d7:5d:4a:17:ac:aa:9f:
         84:e3:a8:24:9d:d6:17:77:26:8c:9f:7a:7b:18:da:39:2f:77:
         f7:2b:c7:23:b8:97:6f:c3:d1:72:4c:7e:fc:c6:0d:cc:73:38:
         19:81:fb:e7:c1:7a:e8:b9:1d:3a:05:dc:36:04:9b:f1:f0:e1:
         a6:47:a0:30:4f:55:90:6c:da:cf:9e:b2:76:12:11:a1:5c:b6:
         61:8d:15:a4:68:65:9a:57:2f:7a:6e:a3:1f:f5:b4:92:5a:3c:
         df:71:0a:cd:57:d4:d0:15:36:7e:ba:d5:03:25:27:45:b4:60:
         cd:2e:02:c1:0f:0a:e7:41:6f:58:69:20:9e:ad:47:52:1a:b5:
         e6:e5:8d:1d

可以看到，除了上面 Chrome 里显示的一些基本信息外，证书里还包含了几个重要信息：

• 服务器端的公钥，即上面 RSA Public-Key 下面的那一长串数字，就是百度的公钥了。
• 签名，证明数字证书有效的关键信息。如果把数字证书类比成一张合同的话，我们知道合同需要老板签字才算有效，同样，数字证书是需要 CA 签名才算有效的，这里的一长串字符就是 CA 对该证书的“签名”了。

那么，又有问题来了：我们浏览器是从哪里拿到 CA 的公钥呢？总不能还是通过网络传输吧，这样就有“套娃”的中间人攻击风险了。所以啊，我们的浏览器或操作系统已经内置了世界权威的 CA 的数字证书（证书里就包含了其公钥）了，点击浏览器的 设置 -> 隐私设置和安全性 -> 安全 -> 管理设备证书，可以查看当前系统内置的所有 CA 证书。

1. 客户端向服务器发送 Client Hello 信息，告知自己想要建立一条 TLS 连接，并告知自己支持的加密算法。
2. 服务器向客户端发送一个 Server Hello 的回应，并选择一个加密算法，同时给客户端发送自己的数字证书（包含服务器的公钥）。
3. 客户端验证服务器发来的数字证书，验证通过后，在心里默默想出一个 pre-master 密钥（预主密钥），然后使用服务器的公钥，将预主密钥进行加密后，发送给服务器。
4. 服务器用自己的私钥进行解密，得到预主密钥。
5. 客户端和服务器都通过预主密钥，进行相同的计算后，得到后续通信时使用的对称加密密钥，称为 shared secret。
6. 客户端和服务器端都分别用生成的 shared-secret 加密一段报文后，发送给对方，以验证对方能够成功收到信息并解密。

然后 TLS 就建立成功了，接下来双方都用这个 shared-secret 进行加密通信。

到这里，HTTPS 的原理就已经全部介绍完毕了。如果还有什么疑问，欢迎私信我或在留言区讨论。

1. 数据传输过程中的安全问题，因为它对数据进行了加密，只有浏览器和服务器可以对其进行解密。
2. 浏览器对服务器的信任问题，数字证书以及其中的数字签名，保证了我们访问的就是我们想要访问的服务器，不可能被钓鱼网站欺骗，也不可能被中间人攻击所欺骗。

当然，保证以上安全的前提是我们的电脑本身没有被攻破，如果你的电脑被黑客攻击，装上了来历不明的根证书，那么 HTTPS 也不能保障你的安全了。

GET / HTTP/1.1
Accept: text/html,...
Accept-Encoding: gzip, deflate
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Cache-Control: no-cache
Connection: keep-alive
Host: httpbin.org
Pragma: no-cache
Upgrade-Insecure-Requests: 1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/112.0.0.0 Safari/537.36

其中：

• GET 表示请求方法，常见的 HTTP 请求方法有 GET、POST、PUT、DELETE 等…
• GET 后面的 /表示请求路径，这里我们访问的根路径，所以显示为 /。如果你访问 httpbin.org/get的话，这里显示的就是 /get了
• HTTP/1.1 表示使用的 HTTP 协议版本，现在常用的有 HTTP/1.1 和 HTTP/2，当然还有更先进的 HTTP/3，这里就不过多展开了
• 下面的 9 行全部都是 HTTP header，每一个 header 包含 name 和 value，之间用冒号分隔开。

• 200 OK 代表返回的响应码，表示这个响应是 OK 的。另外还有非常常见的返回码 404 NOT FOUND ，表示服务器告诉你你访问的这个资源不存在…
• 后面 7 行全部是 HTTP header，同样每一个 header 包含 name 和 value，之间用冒号分隔开。
• 最后是 HTTP Body，也就是响应体，在 Response Header 里是看不到了，不过点击上面 Tab 页的 Response 后，就可以看到完整的响应体了。

由于本篇文章的重点不在 HTTP，这里就不再过多展开，非常建议大家平时使用浏览器访问网页的时候，有事没事多打开下上面的开发者工具，看看 HTTP 到底是怎么工作的，说不定，还能找到一份工作呢…

1. 首先利用 openssl工具，模拟一个证书权威机构（CA），生成 CA 证书以及密钥。
2. 然后利用 openssl工具，模拟 techcorner.cn网站的维护者，向上面的 CA 机构申请一个数字证书
3. 使用 Nginx 搭建自己的 HTTPS 服务器，并使用上面生成的服务器证书。
4. 使用浏览器访问自己搭建的 HTTPS 服务器，体会全加密流程。

• Mac / Linux 服务器
• 安装 openssl 工具、以及 Nginx 。

• ca.key：CA 私钥
• ca.csr：CA 为自己签发证书的请求。（该文件的作用是生成 CA 证书，生成之后不会再用到）
• ca.cer：CA 为自己签发的证书

$ openssl x509 -in server.cer -text -noout
Certificate:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Serial Number:
            80:56:02:4d:21:ff:5e:60
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: C=CN, ST=Zhejiang, L=Hangzhou, O=Tech_Corner, CN=ROOTCA
        Validity
            Not Before: Apr 11 15:52:10 2023 GMT
            Not After : Apr 10 15:52:10 2024 GMT
        Subject: C=CN, ST=Zhejiang, L=Hangzhou, O=Tech_Corner, CN=techcorner.cn
...以下省略

上面可以看到该证书的基本信息（Subject），以及颁发者信息（Issuer）等。

server {
   listen       443 ssl;
   server_name  techcorner.cn;

   ssl_certificate      /path/to/server.cer;
   ssl_certificate_key  /path/to/server.key;

   ssl_session_cache    shared:SSL:1m;
   ssl_session_timeout  5m;

   ssl_ciphers  HIGH:!aNULL:!MD5;
   ssl_prefer_server_ciphers  on;

   location / {
       root   html;
       index  index.html index.htm;
   }
}

• ssl_certificate的值修改为上一步生成的 server.cer 的绝对地址
• ssl_certificate_key 的值修改为上一步生成的 server.key 的绝对地址

然后启动 Nginx