HTTPS協議詳解

從事移動互聯網軟件開發的小夥伴肯定了解：自Android 9.0開始，應用程序的網絡請求默認使用https；基本是同期蘋果IOS在應用網絡請求方面，也強制使用https禁止http。
這一期間如果你去面試，不了解Https的握手過程，都不好意思講工資。
本人一個普通程序員，項目期間工期緊張，並未抽出時間詳細了解Https網絡請求過程中TLS握手過程，因此這件事一直在我的待辦記錄中…
這篇文章以Wireshark抓包，詳細了解Https請求中TLS的握手過程與客戶端證書校驗過程。

HTTPS簡介
SSL/TLS握手過程
客戶端證書校驗

一、HTTPS簡介

HTTPS （Secure Hypertext Transfer Protocol）安全超文本傳輸協議，是一種通過計算機網絡進行安全通信的傳輸協議。
HTTPS 利用 SSL/TLS 來加密數據包，經由 HTTP 進行通信。
其設計的主要目的是，提供對網站服務器的身份認證、保護交換數據的隱私與完整性。

TLS/SSL

SSL（Secure Socket Layer） 1994年由瀏覽器開發商Netscape公司率先倡導研發，為數據通訊提供安全支持，開發了最初的幾個版本SSL 1.0、SSL 2.0、SSL 3.0。
TLS（Transport LayerSecurity）前身為SSL，1999年從 3.1 開始被 IETF（Internet Engineering Task Force，Internet 工程任務組）標準化並改名，發展至今已經有 TLS 1.0、TLS 1.1、TLS 1.2 三個版本。
SSL3.0和TLS1.0由於存在安全漏洞，已經很少被使用到；
TLS 1.3 改動會比較大，目前還在草案階段，目前使用最廣泛的是TLS 1.1、TLS 1.2；

TLS/SSL是介於TCP和HTTP之間的一層安全協議。

Http

HTTP（HyperText Transfer Protocol）超文本傳輸協議。
HTTP是一個客戶端（用戶）和服務端之間請求和應答的標準，其最初的設計目的是為了提供一種發布和接收HTML頁面的方法。

Http協議不是本文重點，感興趣的同學可參考文章：
HTTP 協議詳解
https://blog.csdn.net/xiaxl/article/details/104541274

二、SSL/TLS握手過程

SSL/TLS握手過程用一句話總結就是：用非對稱加密的手段傳遞密鑰，然後用密鑰進行對稱加密傳遞數據。
以下為SSL/TLS握手過程的時序圖：

這裏以客戶端向百度主頁發起Https請求為例，用Wireshark抓包對SSL/TLS握手的各個環節進行介紹，Wireshark抓包示意圖如下圖所示：

2.1、Client Hello （ Client——>Server ）

握手第一步是客戶端向服務端發送 Client Hello 消息，消息中包含客戶端的 TSL版本信息、秘鑰隨機數、加密套件候選列表、壓縮算法候選列表、擴展字段等信息，相關信息通過Wireshark抓包如下：

Version : 支持的最高TSL協議版本，從低到高依次 SSLv2 SSLv3 TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2；
Random：隨機數 random_C 用於後續的密鑰協商;
Session ID：有或者無，有則客戶端傳上一次session的id可以恢復session；
Cipher Suite：客戶端支持的密碼算法列表，供服務器選擇；
Compression Methods：客戶端支持的壓縮算法列表，用於後續的信息壓縮傳輸；
extensions：擴展字段；

2.2、Server Hello （ Server——>Client ）

服務端向客戶端發送 Server Hello 消息：包括服務端選擇使用的TSL協議版本、選擇的加密套件、選擇的壓縮算法、服務端生成的隨機數等，相關信息通過Wireshark抓包如下：

Version：服務器選擇的版本；
Random：隨機數 random_S 用於後續的密鑰協商;
Session ID：有或者無，有則客戶端傳上一次session的id可以恢復session；
Cipher Suite：服務端選擇的密鑰算法；
Compression Methods：服務端選擇的壓縮算法；

到此客戶端和服務端都擁有了兩個隨機數（random_C+ random_S），這兩個隨機數會在後續生成對稱秘鑰時用到。

2.3、Certificate （ Server——>Client ）

服務端下發服務端的公鑰證書給客戶端，相關信息通過Wireshark抓包如下：

Certificate 服務端的公鑰證書；

2.4、Server Key Exchange （ Server——>Client ）

該消息的目的是攜帶密鑰交換的額外數據，該消息內容對於不同的協商算法套件會存在差異：

對於使用DHE/ECDHE非對稱密鑰協商算法的SSL握手，服務器發送其使用的DH參數；
RSA算法不會繼續該握手流程（DH、ECDH也不會發送server key exchange）。

2.5、Server Hello Done （ Server——>Client ）

通知客戶端，服務端已經將所有預計的握手消息發送完畢。

2.5、證書校驗（客戶端進行證書校驗）

客戶端拿到服務端的公鑰證書后，需對該證書的合法性進行校驗，校驗內容如下：

證書鏈的可信性；
證書是否吊銷；
證書有效期；
證書域名校驗，核查證書域名是否與當前的訪問域名匹配;

注：
證書的詳細校驗過程將在下文進行詳細介紹

2.6、Client Key Exchange，Change Cipher Spec Protocol，Encrypted Handshake Message （ Client——>Server ）

Client Key Exchange
證書合法性驗證通過之後，客戶端產生隨機数字Pre-master，計算生成秘鑰enc_key（enc_key=Fuc(random_C, random_S, Pre-Master)，將Pre-master與enc_key用證書公鑰加密（非對稱加密算法）發送給服務端;
Change Cipher Spec Protocol
客戶端通知服務端後續的通信都採用協商的通信密鑰和加密算法進行加密通信;
Encrypted Handshake Message
客戶端將之前所有的握手數據（包括接受、發送）生成摘要，然後用協商好的秘鑰enc_key加密（對稱加密算法），發送給對應的服務端；
服務端收到消息后，會用秘鑰enc_key解密客戶端的摘要信息，然後用與客戶端相同的算法生成服務端摘要信息，最後對比兩個摘要信息相同，則驗證通過；

2.7、Change Cipher Spec Protocol （ Server——>Client ）

服務器同樣發送 Change Cipher Spec Protocol 以告知客戶端後續的通信都採用協商的密鑰與算法進行加密通信;

2.8、Encrypted Handshake Message （ Server——>Client ）

服務端也會將握手過程的消息生成摘要再用秘鑰加密，這是服務端發出的第一條加密消息;
客戶端接收後會用秘鑰解密，能解出來說明協商的秘鑰是一致的。

2.9、Application Data （ Client——>Server ）

到這裏，雙方已安全地協商出了同一份秘鑰enc_key，所有的應用層數據都會用這個秘鑰加密后再通過 TCP 進行可靠傳輸。

2.10 總結

SSL/TLS握手過程：用非對稱加密的手段傳遞密鑰，然後用密鑰進行對稱加密傳遞數據。

三、證書校驗

客戶端驗證服務端下發的證書，主要包括以下幾個方面：

第一，校驗證書是否是受信任的CA根證書頒發機構頒發；
第二，校驗證書是否在上級證書的吊銷列表；
第三，校驗證書是否過期；
第四，校驗證書域名是否一致。

3.1、校驗證書是否是由`受信任的CA根證書頒發機構`頒發

為了確保客戶端獲取到的服務端公鑰不被篡改，需引入權威的第三方CA機構。
CA機構負責核實公鑰擁有者信息、頒發“證書(對服務端公鑰進行簽名)”，同時為使用者提供證書驗證服務。

CA機構頒發證書的基本原理為：

服務端生成一對服務端公鑰、服務端私鑰；
服務端將自己的服務端公鑰提供給CA機構；
CA機構核實服務端公鑰擁有者信息（核實申請者提供信息的真實性，如組織是否存在、企業是否合法、是否擁有域名的所有權等）；
CA機構計算服務端公鑰的摘要信息，利用CA機構的私鑰（CA機構有一對公鑰、私鑰）進行加密，加密后的服務端公鑰即CA機構頒發的“證書”；

客戶端驗證服務端公鑰的基本原理為：

Https網絡請求過程中，客戶端獲取到服務端的公鑰；
客戶端用存儲在本地的CA機構的公鑰，對 服務端公鑰進行解密，獲取到服務端公鑰的摘要信息A；
客戶端計算服務端公鑰的摘要信息B；
對比摘要信息A與B，相同則證書驗證通過；

3.2、校驗證書是否在上級證書的吊銷列表

CA機構能夠簽發證書，同樣也存在機制宣布以往簽發的證書無效。使用者私鑰丟失，使用者申請讓證書無效等情況，CA機構需要廢棄該證書。
主要存在兩類機制：CRL 與 OCSP。

CRL（Certificate Revocation List）
證書吊銷列表是一個單獨的文件，該文件包含了 CA機構已經吊銷的證書序列號與吊銷日期；
證書中一般會包含一個 URL 地址 CRL Distribution Point，通知使用者去哪裡下載對應的 CRL 以校驗證書是否吊銷。
該吊銷方式的優點是不需要頻繁更新，但是不能及時吊銷證書，因為 CRL 更新時間一般是幾天，這期間可能已經造成了極大損失。
OCSP（Online Certificate Status Protocol）
證書狀態在線查詢協議，一個實時查詢證書是否吊銷的方式。
請求者發送證書的信息並請求查詢，服務器返回正常、吊銷或未知中的任何一個狀態。
證書中一般也會包含一個 OCSP 的 URL 地址，要求查詢服務器具有良好的性能。
部分 CA 或大部分的自簽 CA (根證書)都是未提供 CRL 或 OCSP 地址的，對於吊銷證書會是一件非常麻煩的事情。

3.3、校驗證書是否過期

校驗證書的有效期是否已經過期

3.4、校驗證書域名是否一致

校驗證書域名是否一致：核查證書域名是否與當前的訪問域名匹配。
這裏核驗的是我們請求的域名 www.baidu.com 是否與證書文件中DNS標籤下所列的域名相匹配；

注：
具體的證書文件舉例，請查看第四節 “四、證書舉例” 。

一種錯誤的寫法：

Android 軟件開發中，我們經常會遇到以下代碼，用來忽略證書的域名驗證，其實這是一種不安全的寫法：

// 對於自簽名證書，用以下代碼來忽略證書的域名驗證
HostnameVerifier hostnameVerifier = new HostnameVerifier() {
    @Override
    public boolean verify(String urlHostName, SSLSession session) {
		// 忽略證書的域名驗證
        return true;
    }
};

四、證書舉例

這裏以百度的Https證書舉例：

Certificate:
	Data:
	    Version: 3 (0x2)
	    Serial Number:
	        72:58:78:36:6e:9f:56:e8:1d:41:88:48
	Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
	    Issuer: C=BE, O=GlobalSign nv-sa, CN=GlobalSign Organization Validation CA - SHA256 - G2
	    Validity
	        Not Before: Apr  2 07:04:58 2020 GMT
	        Not After : Jul 26 05:31:02 2021 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
	            Public-Key: (2048 bit)
	            Modulus:
	                00:c1:a9:b0:ae:47:1a:d2:57:eb:1d:15:1f:6e:5c:
	                b2:e4:f8:0b:20:db:ea:00:df:29:ff:a4:6b:89:26:
	                4b:9f:23:2f:ec:57:b0:8a:b8:46:40:2a:7e:bc:dc:
	                5a:45:97:4f:ad:41:0e:bc:20:86:4b:0c:5d:55:21:
	                47:e2:31:3c:57:a7:ec:99:47:eb:47:0d:72:d7:c8:
	                16:54:75:ef:d3:45:11:0f:4b:ce:60:7a:46:5c:28:
	                74:ae:8e:1b:be:d8:70:66:7b:a8:93:49:28:d2:a3:
	                76:94:55:de:7c:27:f2:0f:f7:98:0c:ad:86:da:c6:
	                ae:fd:9f:f0:d9:81:32:9a:97:e3:21:ee:04:92:96:
	                e4:78:11:e5:c4:10:0e:10:31:7a:4a:97:a0:eb:c7:
	                9b:c4:da:89:37:a9:c3:37:d7:56:b1:7f:52:c7:d9:
	                26:0a:d6:af:38:16:b1:6d:fb:73:79:b1:68:79:03:
	                90:eb:88:7b:8c:48:91:98:51:a5:07:94:86:a5:78:
	                46:79:8f:58:9b:e9:35:59:a7:f1:7b:57:31:0a:90:
	                cf:24:ce:0d:24:e7:92:b2:6a:e9:e6:96:37:0a:b8:
	                7c:87:2f:74:d2:5c:e8:4b:0a:5f:66:18:a7:41:86:
	                cf:26:a6:08:8e:a5:49:17:92:53:b3:91:a5:cf:53:
	                b0:31
	            Exponent: 65537 (0x10001)
	    X509v3 extensions:
	        X509v3 Key Usage: critical
	            Digital Signature, Key Encipherment
	        Authority Information Access: 
	            CA Issuers - URI:http://secure.globalsign.com/cacert/gsorganizationvalsha2g2r1.crt
	            OCSP - URI:http://ocsp2.globalsign.com/gsorganizationvalsha2g2

	        X509v3 Certificate Policies: 
	            Policy: 1.3.6.1.4.1.4146.1.20
	              CPS: https://www.globalsign.com/repository/
	            Policy: 2.23.140.1.2.2

	        X509v3 Basic Constraints: 
	            CA:FALSE
	        X509v3 CRL Distribution Points: 

	            Full Name:
	              URI:http://crl.globalsign.com/gs/gsorganizationvalsha2g2.crl

	        X509v3 Subject Alternative Name: 
	            DNS:baidu.com, DNS:baifubao.com, DNS:www.baidu.cn, DNS:www.baidu.com.cn, DNS:mct.y.nuomi.com, DNS:apollo.auto, DNS:dwz.cn, DNS:*.baidu.com, DNS:*.baifubao.com, DNS:*.baidustatic.com, DNS:*.bdstatic.com, DNS:*.bdimg.com, DNS:*.hao123.com, DNS:*.nuomi.com, DNS:*.chuanke.com, DNS:*.trustgo.com, DNS:*.bce.baidu.com, DNS:*.eyun.baidu.com, DNS:*.map.baidu.com, DNS:*.mbd.baidu.com, DNS:*.fanyi.baidu.com, DNS:*.baidubce.com, DNS:*.mipcdn.com, DNS:*.news.baidu.com, DNS:*.baidupcs.com, DNS:*.aipage.com, DNS:*.aipage.cn, DNS:*.bcehost.com, DNS:*.safe.baidu.com, DNS:*.im.baidu.com, DNS:*.baiducontent.com, DNS:*.dlnel.com, DNS:*.dlnel.org, DNS:*.dueros.baidu.com, DNS:*.su.baidu.com, DNS:*.91.com, DNS:*.hao123.baidu.com, DNS:*.apollo.auto, DNS:*.xueshu.baidu.com, DNS:*.bj.baidubce.com, DNS:*.gz.baidubce.com, DNS:*.smartapps.cn, DNS:*.bdtjrcv.com, DNS:*.hao222.com, DNS:*.haokan.com, DNS:*.pae.baidu.com, DNS:*.vd.bdstatic.com, DNS:click.hm.baidu.com, DNS:log.hm.baidu.com, DNS:cm.pos.baidu.com, DNS:wn.pos.baidu.com, DNS:update.pan.baidu.com
	        X509v3 Extended Key Usage: 
	            TLS Web Server Authentication, TLS Web Client Authentication
	        X509v3 Authority Key Identifier: 
	            keyid:96:DE:61:F1:BD:1C:16:29:53:1C:C0:CC:7D:3B:83:00:40:E6:1A:7C

	        X509v3 Subject Key Identifier: 
	            ......

五、參考

TSL：
https://tools.ietf.org/html/rfc5246

SSL/TSL 原理：
https://www.cnblogs.com/chenjingquan/p/10531305.html

TLS/SSL握手過程
https://blog.csdn.net/hherima/article/details/52469674

========== THE END ==========

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