即时通讯安全篇(九):为什么要用HTTPS?深入浅出,探密短连接的安全性

本文由ELab技术团队分享,原题“探秘HTTPS”,有修订和改动。

1、引言

对于IM开发者来说,IM里最常用的通信技术就是Socket长连接和HTTP短连接(通常一个主流im会是这两种通信手段的结合)。从通信安全的角度来说,Socket长连接的安全性,就是基于SSL/TLS加密的TCP协议来实现的(比如微信的mmtls,见《微信新一代通信安全解决方案:基于TLS1.3的MMTLS详解》);而对于HTTP短连接的安全性,也就是HTTPS了。

到底什么是HTTPS?为什么要用HTTPS?今天就借此机会,跟大家一起深入学习一下HTTPS的相关知识,包括HTTP的发展历程、HTTP遇到的问题、对称与非对称加密算法、数字签名、第三方证书颁发机构等概念。

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学习交流:

(本文已同步发布于:http://www.52im.net/thread-38...

2、系列文章

本文是IM通讯安全知识系列文章中的第9篇,此系列总目录如下:

《即时通讯安全篇(一):正确地理解和使用Android端加密算法》
《即时通讯安全篇(二):探讨组合加密算法在IM中的应用》
《即时通讯安全篇(三):常用加解密算法与通讯安全讲解》
《即时通讯安全篇(四):实例分析Android中密钥硬编码的风险》
《即时通讯安全篇(五):对称加密技术在Android平台上的应用实践》
《即时通讯安全篇(六):非对称加密技术的原理与应用实践》
《即时通讯安全篇(七):如果这样来理解HTTPS原理,一篇就够了》
《即时通讯安全篇(八):你知道,HTTPS用的是对称加密还是非对称加密?》
《即时通讯安全篇(九):为什么要用HTTPS?深入浅出,探密短连接的安全性》(* 本文)

3、写在前面

说到HTTPS,那就得回到HTTP协议。

对于HTTP协议,大家肯定都熟得不能再熟了。那么HTTPS和HTTP的区别大家了解吗?

对于这个经典的面试题,大部分人会这么回答:

1)HTTPS比HTTP多了一个S(Secure):也就是说HTTPS是安全版的HTTP;
2)端口号不同:HTTP使用80端口,HTTPS使用443端口;
3)加密算法:HTTPS用的是非对称加密算法。

上面的回答能给几分?等看完本文我们可以再回头来看下这个回答。

那么,HTTPS是如何实现安全的短连接数据传输呢?想彻底搞明白这个问题,还是要从HTTP的发展历程说起 ......

4、HTTP协议回顾

4.1 基础常识
HTTP是Hypertext Transfer Protocal 的缩写,中文全称是超文本传输协议(详见《深入浅出,全面理解HTTP协议》)。

通俗了解释就是:

1)超文本是指包含但不限于文本外的图片、音频、视频等多媒体资源;
2)协议是通信双方约定好的数据传输格式以及通信规则。

HTTP是TCP/IP协议簇的最高层——应用层协议:
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▲ 上图引用自《深入浅出,全面理解HTTP协议》

浏览器和服务器在使用HTTP协议相互传递超文本数据时,将数据放入报文体内,同时填充首部(请求头或响应头)构成完整HTTP报文并交到下层传输层,之后每一层加上相应的首部(控制部分)便一层层的下发,最终由物理层将二进制数据以电信号的形式发送出去。

HTTP的请求如下图所示:
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▲ 上图引用自《深入浅出,全面理解HTTP协议》

HTTP报文结构如下:
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4.2 发展历程
HTTP的发展历程如下:
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由HTTP的发展历程来看,最开始版本的HTTP(HTTP1.0)在每次建立TCP连接后只能发起一次HTTP请求,请求完毕就释放TCP连接。

我们都知道TCP连接的建立需要经过三次握手的过程,而每次发送HTTP请求都需要重新建立TCP连接,毫无疑问是很低效的。所以HTTP1.1改善了这一点,使用长连接的机制,也就是“一次TCP连接,N次HTTP请求”。

HTTP协议的长连接和短连接,实质上是 TCP 协议的长连接和短连接。

在使用长连接的情况下,当一个网页打开完成后,客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的TCP连接不会关闭,客户端再次访问这个服务器时,会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接,它有一个保持时间,可以在不同的服务器软件(如Apache)中设定这个时间。实现长连接需要客户端和服务端都支持长连接。

PS:对于IM开发者来说,为了与Socket长连接通道区分,通常认为HTTP就是“短连接”(虽然这个“短连接”不一定真的“短”)。

HTTP1.0若要开启长连接,需要加上Connection: keep-alive请求头。有关HTTP协议的详细发展历程可阅读《一文读懂HTTP协议的历史演变和设计思路》一文。

4.3 安全问题
随着HTTP越来越广泛的使用,HTTP的安全性问题也逐渐暴露。

回忆一下多年前遍地都是的运营商劫持,当你访问一个本来很正常的网页,但页面上却莫名其妙出现了一些广告标签、跳转脚本、欺骗性的红包按钮,甚至有时候本来要下载一个文件,最后下载下来却变成了另外一个完全不同的东西,这些都是被运营商劫持了HTTP明文数据的现象。

下图就是似曾相识的运营商劫持效果图:
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PS:关于运营商劫持问题,可以详细阅读《全面了解移动端DNS域名劫持等杂症:原理、根源、HttpDNS解决方案等》。

HTTP主要有以下3点安全性问题:
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归纳一下就是:

1)数据保密性问题:因为HTTP无状态,而且又是明文传输,所有数据内容都在网络中裸奔,包用户括身份信息、支付账号与密码。这些敏感信息极易泄露造成安全隐患;
2)数据完整性问题:HTTP数据包在到达目的主机前会经过很多转发设备,每一个设备节点都可能会篡改或调包信息,无法验证数据的完整性;
3)身份校验问题:有可能遭受中间人攻击,我们无法验证通信的另一方就是我们的目标对象。

因此,为了保证数据传输的安全性,必须要对HTTP数据进行加密。

5、常见的加密方式

5.1 基本情况
常见的加密方式分为三种:

1)对称加密;
2)非对称加密;
3)数字摘要。

前两种适合数据传输加密,而数字摘要不可逆的特性常被用于数字签名。

接下来,我们逐一简要学习一下这三种常见的加密方法。

5.2 对称加密
对称加密也称为密钥加密或单向加密,就是使用同一套密钥来进行加密和解密。密钥可以理解为加密算法。

对称加密图示如下:
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广泛使用的对称加密有:

对称加密算法的优缺点和适用场景:

1)优点:算法公开、简单,加密解密容易,加密速度快,效率高;
2)缺点:相对来说不算特别安全,只有一把钥匙,密文如果被拦截,且密钥也被劫持,那么,信息很容易被破译;
3)适用场景:加解密速度快、效率高,因此适用于大量数据的加密场景。由于如何传输密钥是较为头痛的问题,因此适用于无需进行密钥交换的场景,如内部系统,事先就可以直接确定密钥。

PS:可以在线体验对称加密算法,链接是:http://www.jsons.cn/textencrypt/

小知识:base64编码也属于对称加密哦!

5.3 非对称加密
非对称加密使用一对密钥(公钥和私钥)进行加密和解密。

非对称加密可以在不直接传递密钥的情况下,完成解密,具体步骤如下:

1)乙方生成两把密钥(公钥和私钥)。公钥是公开的,任何人都可以获得,私钥则是保密的;
2)甲方获取乙方的公钥,然后用它对信息加密;
3)乙方得到加密后的信息,用私钥解密。

以最典型的非对称加密算法RSA为例,举个例子:

想要彻底搞懂RSA,需要了解数论的知识,全部推导过程RSA加密算法。简单介绍思路:使用两个超大质数以及其乘积作为生成公钥和私钥的材料,想要从公钥推算出私钥是非常困难的(需要对超大数因式分解为两个很大质数的乘积)。目前被破解的最长RSA密钥是768个二进制位。也就是说,长度超过768位的密钥,还无法破解(至少没人公开宣布)。因此可以认为,1024位的RSA密钥基本安全,2048位的密钥极其安全。

非对称加密算法的优缺点和适用场景:

1)优点:强度高、安全性强于对称加密算法、无需传递私钥导致没有密钥泄露风险;
2)缺点:计算量大、速度慢;
3)适用场景:适用于需要密钥交换的场景,如互联网应用,无法事先约定密钥。

实践应用过程中,其实可以与对称加密算法结合:

1)利用非对称加密算法安全性较好的特点来传递对称加密算法的密钥。
2)利用对称加密算法加解密速度快的特点,进行数据内容比较大的加密场景的加密(如HTTPS)。

PS:对于IM开发者来说,《探讨组合加密算法在IM中的应用》一文值得一读。

5.4 如何选择?
1)如果选择对称加密:

HTTP请求方使用对称算法加密数据,那么为了接收方能够解密,发送方还需要把密钥一同传递到接收方。在传递密钥的过程中还是可能遭到嗅探攻击,攻击者窃取密钥后依然可以解密从而得到发送的数据,所以这种方案不可行。

2)如果选择非对称加密:

接收方保留私钥,把公钥传递给发送方。发送方用公钥来加密数据,接收方使用私钥解密数据。攻击者虽然不能直接获取这些数据(因为没有私钥),但是可以通过拦截传递的公钥,然后把自己的公钥传给发送方,再用自己的私钥对发送方发送数据进行解密。

整个过程通信双方都不知道中间人的存在,但是中间人能够获得完整的数据信息。

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3)两种加密方法的混合:

先使用非对称加密算法加密并传递对称加密的密钥,然后双方通过对称加密方式加密要发送的数据。看起来没什么问题,但事实是这样吗?

中间人依然可以拦截公钥的传递,并以自己的公钥作为替换,治标不治本。

想要治本,就要找到一个第三方公证人来证明公钥没有被替换,因此就引出了数字证书的概念,这也是下一节将分享的内容。

6、数字证书

6.1 CA机构
CA就是 Certificate Authority,即颁发数字证书的机构。

作为受信任的第三方,CA承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任。

证书就是源服务器向可信任的第三方机构申请的数据文件。这个证书除了表明这个域名是属于谁的,颁发日期等,还包括了第三方证书的私钥。

服务器将公钥放在数字证书中,只要证书是可信的,公钥就是可信的。

下面两图是飞书域名的证书中部分内容的信:
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6.2 数字签名
摘要算法:一般用哈希函数来实现,可以理解成一种定长的压缩算法,它能把任意长度的数据压缩到固定长度。这好比是给数据加了一把锁,对数据有任何微小的改动都会使摘要变得截然不同。

通常情况下:数字证书的申请人(服务器)将生成由私钥和公钥以及证书请求文件(Certificate Signing Request,CSR)组成的密钥对。CSR是一个编码的文本文件,其中包含公钥和其他将包含在证书中的信息(例如:域名、组织、电子邮件地址等)。密钥对和CSR生成通常在将要安装证书的服务器上完成,并且 CSR 中包含的信息类型取决于证书的验证级别。与公钥不同,申请人的私钥是安全的,永远不要向 CA(或其他任何人)展示。

生成 CSR 后:申请人将其发送给 CA,CA 会验证其包含的信息是否正确,如果正确,则使用颁发的私钥对证书进行数字签名,然后将签名放在证书内随证书一起发送给申请人。

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在SSL握手阶段:浏览器在收到服务器的证书后,使用CA的公钥进行解密,取出证书中的数据、数字签名以及服务器的公钥。如果解密成功,则可验证服务器身份真实。之后浏览器再对数据做Hash运算,将结果与数字签名作对比,如果一致则可以认为内容没有收到篡改。

对称加密和非对称加密是公钥加密、私钥解密, 而数字签名正好相反——是私钥加密(签名)、公钥解密(验证),如下图所示。

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限于篇幅,关于数字证书的内容本文就不再赘述,想详细了解的可以阅读:

1)一文读懂Https的安全性原理、数字证书、单项认证、双项认证等;
2)你知道,HTTPS用的是对称加密还是非对称加密?;
3)如果这样来理解HTTPS,一篇就够了。

7、为什么要使用HTTPS

《图解HTTP》一书中提到HTTPS就是身披SSL外壳的HTTP。

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7.1 SSL
SSL 在1999年被更名为TLS。

所以说:HTTPS 并不是一项新的应用层协议,只是 HTTP 通信接口部分由 SSL 和 TLS 替代而已。

具体就是:HTTP 会先直接和 TCP 进行通信,而HTTPS 会演变为先和 SSL 进行通信,然后再由 SSL 和 TCP 进行通信。

SSL是一个独立的协议,不只有 HTTP 可以使用,其他应用层协议也可以使用,比如FTP、SMTP都可以使用SSL来加密。

7.2 HTTPS请求流程
HTTPS请求全流程如下图:
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如上图所示:

1)用户在浏览器发起HTTPS请求,默认使用服务端的443端口进行连接;
2)HTTPS需要使用一套CA 数字证书,证书内会附带一个服务器的公钥Pub,而与之对应的私钥Private保留在服务端不公开;
3)服务端收到请求,返回配置好的包含公钥Pub的证书给客户端;
4)客户端收到证书,校验合法性,主要包括是否在有效期内、证书的域名与请求的域名是否匹配,上一级证书是否有效(递归判断,直到判断到系统内置或浏览器配置好的根证书),如果不通过,则显示HTTPS警告信息,如果通过则继续;
5)客户端生成一个用于对称加密的随机Key,并用证书内的公钥Pub进行加密,发送给服务端;
6)服务端收到随机Key的密文,使用与公钥Pub配对的私钥Private进行解密,得到客户端真正想发送的随机Key;
7)服务端使用客户端发送过来的随机Key对要传输的HTTP数据进行对称加密,将密文返回客户端;
8)客户端使用随机Key对称解密密文,得到HTTP数据明文;
9)后续HTTPS请求使用之前交换好的随机Key进行对称加解密。

7.3 HTTPS到底解决了什么问题
HTTPS确实解决了HTTP的三个安全性问题:

1) 保密性:结合非对称加密和对称加密实现保密性。用非对称加密方式加密对称加密的秘钥,再用对称加密方式加密数据;
2) 完整性:通过第三方CA的数字签名解决完整性问题;
3) 身份校验:通过第三方CA的数字证书验证服务器的身份。

7.4 HTTPS优缺点
最后我们总结一下HTTPS的优缺点:
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可以看到:HTTPS的确是当今安全传输HTTP的最优解,但他并不是完美的,仍会有漏洞。

8、参考资料

[1] 深入浅出,全面理解HTTP协议
[2] HTTP协议必知必会的一些知识
[3] 从数据传输层深度解密HTTP
[4] 一文读懂HTTP协议的历史演变和设计思路
[5] 你知道一个TCP连接上能发起多少个HTTP请求吗?
[6] 如果这样来理解HTTPS,一篇就够了
[7] 一分钟理解 HTTPS 到底解决了什么问题
[8] 你知道,HTTPS用的是对称加密还是非对称加密?
[9] HTTPS时代已来,打算更新你的HTTP服务了吗?
[10] 一篇读懂HTTPS:加密原理、安全逻辑、数字证书等
[11] 全面了解移动端DNS域名劫持等杂症:原理、根源、HttpDNS解决方案等
(本文已同步发布于:http://www.52im.net/thread-38...

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