HTTPS 深度解析
1. 核心概念
HTTP (HyperText Transfer Protocol) 是明文传输协议，存在被窃听、篡改、冒充的风险。 HTTPS = HTTP + SSL/TLS，在应用层(HTTP)和传输层(TCP)之间增加了一个安全层。
核心目标 (CIA)
- 机密性 (Confidentiality): 数据加密传输，防止窃听。
- 完整性 (Integrity): 数据未被篡改，防止中间人攻击。
- 身份认证 (Authentication): 验证服务器（或客户端）身份，防止伪装。
2. 加密技术基石
2.1 对称加密 (Symmetric Encryption)
- 原理: 加密和解密使用同一个密钥。
- 特点: 计算速度快，效率高。
- 算法: AES (Advanced Encryption Standard), ChaCha20。
- 用途: 传输实际的应用数据。
- 痛点: 密钥分发困难（如果直接传输密钥会被窃听）。
2.2 非对称加密 (Asymmetric Encryption)
- 原理: 密钥成对出现（公钥 Public Key 和 私钥 Private Key）。
- 公钥加密 -> 私钥解密
- 私钥签名 -> 公钥验签
- 特点: 计算复杂，速度慢（比对称加密慢约 1000 倍）。
- 算法: RSA, ECC (Elliptic Curve Cryptography)。
- 用途: 用于密钥交换（协商出对称密钥）和身份认证。
2.3 摘要算法 (Digest / Hashing)
- 原理: 将任意长度数据映射为固定长度的哈希值。
- 特点: 单向不可逆，雪崩效应。
- 算法: SHA-256。
- 用途: 验证数据完整性，生成签名。
3. 数字证书与信任链 (PKI)
客户端如何确信收到的 "公钥" 确实属于目标服务器（如 google.com），而不是黑客的？
3.1 组成
- 公钥: 服务器的公钥。
- 持有者信息: 域名 (CN/SAN)，组织信息。
- 颁发者信息: CA (Certificate Authority)。
- 有效期: 开始和结束时间。
- 数字签名: CA 用自己的私钥对上述信息生成的签名。
3.2 验证流程
- 客户端收到服务器证书。
- 根据证书中的颁发者 (Issuer)，在本地操作系统/浏览器的 根证书信任存储 (Root Trust Store) 中查找对应的 CA 证书。
- 如果找到，用 CA 的公钥解密证书签名，得到摘要 H1。
- 客户端计算证书内容的摘要 H2。
- 对比 H1 和 H2。如果一致，说明证书未被篡改且确实由 CA 颁发。
- 检查证书有效期、吊销状态 (CRL/OCSP) 以及域名是否匹配。
4. TLS 握手流程 (Handshake)
4.1 TLS 1.2 完整握手 (2-RTT)
- Client Hello:
- 支持的协议版本 (TLS 1.2)
- 支持的加密套件列表 (Cipher Suites)
- 随机数 Client Random
- Server Hello:
- 确认使用的协议版本
- 确认使用的加密套件
- 随机数 Server Random
- Certificate: 服务器发送证书。
- Server Key Exchange: (可选，取决于加密套件，如 DH 算法) 发送密钥交换参数。
- Server Hello Done.
- Client Key Exchange: 客户端验证证书后，生成 Pre-Master Secret (或者 DH 参数)，用公钥加密发送给服务器。
- Change Cipher Spec: 告知后续通信将加密。
- Finished: 发送之前所有握手消息的摘要（加密），供验证。
- Change Cipher Spec: 服务器告知后续通信将加密。
- Finished: 服务器发送握手摘要验证。
最终密钥生成: Master Secret = HMAC(Client Random, Server Random, Pre-Master Secret) Session Key 由 Master Secret 衍生。
4.2 TLS 1.3 的改进 (1-RTT)
TLS 1.3 大幅优化了握手流程，废弃了不安全的算法 (如 RSA 密钥交换，改用 ECDHE)，减少了往返时延。
- Client Hello:
- 包含 TLS 1.2 内容。
- 直接猜测服务器支持的密钥交换算法 (Key Share)，并发送自己的公钥 (DH 参数)。
- Server Hello:
- 确认算法，发送自己的公钥 (DH 参数)。
- Encrypted Extensions: 之前明文的扩展现在加密发送。
- Certificate & Verify: 证书和签名。
- Finished.
- Client Finished.
0-RTT 恢复: 如果之前建立过连接，客户端可以在 Client Hello 中直接发送加密的早期应用数据 (Early Data)。
5. 高级特性
5.1 SNI (Server Name Indication)
- 问题: 一个 IP 托管多个域名时，服务器在握手阶段不知道客户端请求哪个域名，无法返回正确的证书。
- 解决: Client Hello 扩展中携带目标域名 (Host Name)，服务器根据此信息选择正确证书。
5.2 HSTS (HTTP Strict Transport Security)
- 作用: 强制客户端在一段时间内（如一年）只使用 HTTPS 访问该域名。
- 防御: 防止 SSL Strip (SSL 剥离攻击)。
- Header:
Strict-Transport Security: max-age=31536000; includeSubDomains
5.3 完美前向保密 (PFS - Perfect Forward Secrecy)
- 定义: 即使服务器的长期私钥泄露，也无法解密之前的历史流量。
- 实现: 必须使用临时密钥交换算法 (如 ECDHE)，每次会话生成独立的临时密钥，长期私钥仅用于签名认证，不参与密钥协商。RSA 密钥交换不具备 PFS (因为私钥参与了 Pre-Master 解密)。