# HTTPS：让数据传输更安全

浏览器安全主要划分为三大块内容：页面安全、系统安全和网络安全。前面我们用四篇文章介绍了页面安全和系统安全，也聊了浏览器和 Web 开发者是如何应对各种类型的攻击，本文是我们专栏的最后一篇，我们就接着来聊聊网络安全协议 HTTPS。

我们先从 HTTP 的明文传输的特性讲起，在上一个模块的三篇文章中我们分析过，起初设计 HTTP 协议的目的很单纯，就是为了传输超文本文件，那时候也没有太强的加密传输的数据需求，所以 HTTP 一直保持着明文传输数据的特征。但这样的话，在传输过程中的每一个环节，数据都有可能被窃取或者篡改，这也意味着你和服务器之间还可能有个中间人，你们在通信过程中的一切内容都在中间人的掌握中，如下图：

从上图可以看出，我们使用 HTTP 传输的内容很容易被中间人窃取、伪造和篡改，通常我们把这种攻击方式称为中间人攻击

具体来讲，在将 HTTP 数据提交给 TCP 层之后，数据会经过用户电脑、WiFi 路由器、运营商和目标服务器，在这中间的每个环节中，数据都有可能被窃取或篡改。比如用户电脑被黑客安装了恶意软件，那么恶意软件就能抓取和篡改所发出的 HTTP 请求的内容。或者用户一不小心连接上了 WiFi 钓鱼路由器，那么数据也都能被黑客抓取或篡改。

# 在 HTTP 协议栈中引入安全层

鉴于 HTTP 的明文传输使得传输过程毫无安全性可言，且制约了网上购物、在线转账等一系列场景应用，于是倒逼着我们要引入加密方案

从 HTTP 协议栈层面来看，我们可以在 TCP 和 HTTP 之间插入一个安全层，所有经过安全层的数据都会被加密或者解密，你可以参考下图：

从图中我们可以看出 HTTPS 并非是一个新的协议，通常 HTTP 直接和 TCP 通信，HTTPS 则先和安全层通信，然后安全层再和 TCP 层通信。也就是说 HTTPS 所有的安全核心都在安全层，它不会影响到上面的 HTTP 协议，也不会影响到下面的 TCP/IP，因此要搞清楚 HTTPS 是如何工作的，就要弄清楚安全层是怎么工作的。

总的来说，安全层有两个主要的职责：对发起 HTTP 请求的数据进行加密操作和对接收到 HTTP 的内容进行解密操作

我们知道了安全层最重要的就是加解密，那么接下来我们就利用这个安全层，一步一步实现一个从简单到复杂的 HTTPS 协议。

# 第一版：使用对称加密

提到加密，最简单的方式是使用对称加密。所谓对称加密是指加密和解密都使用的是相同的密钥

了解了对称加密，下面我们就使用对称加密来实现第一版的 HTTPS。

要在两台电脑上加解密同一个文件，我们至少需要知道加解密方式和密钥，因此，在 HTTPS 发送数据之前，浏览器和服务器之间需要协商加密方式和密钥，过程如下所示：

通过上图我们可以看出，HTTPS 首先要协商加解密方式，这个过程就是 HTTPS 建立安全连接的过程。为了让加密的密钥更加难以破解，我们让服务器和客户端同时决定密钥，具体过程如下：

• 浏览器发送它所支持的加密套件列表和一个随机数 client-random，这里的加密套件是指加密的方法，加密套件列表就是指浏览器能支持多少种加密方法列表。
• 服务器会从加密套件列表中选取一个加密套件，然后还会生成一个随机数 service-random，并将 service-random 和加密套件列表返回给浏览器。
• 最后浏览器和服务器分别返回确认消息。

这样浏览器端和服务器端都有相同的 client-random 和 service-random 了，然后它们再使用相同的方法将 client-random 和 service-random 混合起来生成一个密钥 master secret，有了密钥 master secret 和加密套件之后，双方就可以进行数据的加密传输了。

通过将对称加密应用在安全层上，我们实现了第一个版本的 HTTPS，虽然这个版本能够很好地工作，但是其中传输 client-random 和 service-random 的过程却是明文的，这意味着黑客也可以拿到协商的加密套件和双方的随机数，由于利用随机数合成密钥的算法是公开的，所以黑客拿到随机数之后，也可以合成密钥，这样数据依然可以被破解，那么黑客也就可以使用密钥来伪造或篡改数据了。

# 第二版：使用非对称加密

不过非对称加密能够解决这个问题，因此接下来我们就利用非对称加密来实现我们第二版的 HTTPS，不过在讨论具体的实现之前，我们先看看什么是非对称加密。

和对称加密只有一个密钥不同，非对称加密算法有 A、B 两把密钥，如果你用 A 密钥来加密，那么只能使用 B 密钥来解密；反过来，如果你要 B 密钥来加密，那么只能用 A 密钥来解密

在 HTTPS 中，服务器会将其中的一个密钥通过明文的形式发送给浏览器，我们把这个密钥称为公钥，服务器自己留下的那个密钥称为私钥。顾名思义，公钥是每个人都能获取到的，而私钥只有服务器才能知道，不对任何人公开。下图是使用非对称加密改造的 HTTPS 协议：

根据该图，我们来分析下使用非对称加密的请求流程。

• 首先浏览器还是发送加密套件列表给服务器。
• 然后服务器会选择一个加密套件，不过和对称加密不同的是，使用非对称加密时服务器上需要有用于浏览器加密的公钥和服务器解密 HTTP 数据的私钥，由于公钥是给浏览器加密使用的，因此服务器会将加密套件和公钥一道发送给浏览器。
• 最后就是浏览器和服务器返回确认消息。

这样浏览器端就有了服务器的公钥，在浏览器端向服务器端发送数据时，就可以使用该公钥来加密数据。由于公钥加密的数据只有私钥才能解密，所以即便黑客截获了数据和公钥，他也是无法使用公钥来解密数据的。

• 第一个是非对称加密的效率太低。这会严重影响到加解密数据的速度，进而影响到用户打开页面的速度。
• 第二个是无法保证服务器发送给浏览器的数据安全。虽然浏览器端可以使用公钥来加密，但是服务器端只能采用私钥来加密，私钥加密只有公钥能解密，但黑客也是可以获取得到公钥的，这样就不能保证服务器端数据的安全了。

# 第三版：对称加密和非对称加密搭配使用

基于以上两点原因，我们最终选择了一个更加完美的方案，那就是在传输数据阶段依然使用对称加密，但是对称加密的密钥我们采用非对称加密来传输。下图就是改造后的版本：

从图中可以看出，改造后的流程是这样的：

• 首先浏览器向服务器发送对称加密套件列表、非对称加密套件列表和随机数 client-random；
• 服务器保存随机数 client-random，选择对称加密和非对称加密的套件，然后生成随机数 service-random，向浏览器发送选择的加密套件、service-random 和公钥；
• 浏览器保存公钥，并利用 client-random 和 service-random 计算出来 pre-master，然后利用公钥对 pre-master 加密，并向服务器发送加密后的数据；
• 最后服务器拿出自己的私钥，解密出 pre-master 数据，并返回确认消息。

到此为止，服务器和浏览器就有了共同的 client-random、service-random 和 pre-master，然后服务器和浏览器会使用这三组随机数生成对称密钥，因为服务器和浏览器使用同一套方法来生成密钥，所以最终生成的密钥也是相同的。

有了对称加密的密钥之后，双方就可以使用对称加密的方式来传输数据了。

需要特别注意的一点，pre-master 是经过公钥加密之后传输的，所以黑客无法获取到 pre-master，这样黑客就无法生成密钥，也就保证了黑客无法破解传输过程中的数据了

# 第四版：添加数字证书

通过对称和非对称混合方式，我们完美地实现了数据的加密传输。不过这种方式依然存在着问题，比如我要打开极客时间的官网，但是黑客通过 DNS 劫持将极客时间官网的 IP 地址替换成了黑客的 IP 地址，这样我访问的其实是黑客的服务器了，黑客就可以在自己的服务器上实现公钥和私钥，而对浏览器来说，它完全不知道现在访问的是个黑客的站点。

所以我们还需要服务器向浏览器提供证明“我就是我”，那怎么证明呢？

这里我们结合实际生活中的一个例子，比如