HTTPS协议的原理 --- RSA密钥协商算法

一、TLS握手过程

上图简要概述来 TLS 的握手过程，其中每一个「框」都是一个记录（record），记录是 TLS 收发数据的基本单位，类似于 TCP 里的 segment。多个记录可以组合成一个 TCP 包发送，所以通常经过「四个消息」就可以完成 TLS 握手，也就是需要 2个 RTT 的时延，然后就可以在安全的通信环境里发送 HTTP 报文，实现 HTTPS 协议。

所以可以发现，HTTPS 是应用层协议，需要先完成 TCP 连接建立，然后走 TLS 握手过程后，才能建立通信安全的连接。

二、RSA密钥协商握手过程

TLS第一次握手

客户端首先会发送一个「Client Hello」的消息，字面意思我们也都能理解，意思是和服务器「打招呼」。

消息里面有客户端使用的TLS版本号、支持的密码套件列表，支持的压缩方式，以及生成的随机数（Server Random），这个随机数会被服务器保留，它是生成对称加密密钥的材料之一。

TLS第二次握手

当服务器收到客户端的「Client Hello」消息后，会确认 TLS 版本号是否支持，和从密码套件列表中选择一个密码套件，还有选择压缩算法（安全性原因，一般不压缩），以及生成随机数（Server Random）。

接着，返回「Server Hello」消息，消息里面有服务器确认的 TLS 版本号，也给出了随机数（Server Random），然后从客户端的密码套件列表选择了一个合适的密码套件。

可以看到，服务端选择的密码套件是 “Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256”。

密码套件的基本形式是：「密钥交换算法 + 签名算法 + 对称加密算法 + 摘要算法」

一般 WITH 单词前面有两个单词，第一个单词是约定密钥交换的算法，第二个单词是约定证书的验证算法

比如上面的密码套件的意思就是：

• 由于 WITH 单词只有一个 RSA，则说明握手时密钥交换算法和签名算法都是使用 RSA；
• 握手后的通信使用 AES 对称算法，密钥长度 128 位，分组模式是 GCM；
• 摘要算法 SHA256 用于消息认证和产生随机数

就前面这两个客户端和服务端相互「打招呼」的过程，客户端和服务端就已确认了 TLS 版本和使用的密码套件，而且你可能发现客户端和服务端都会各自生成一个随机数，并且还会把随机数传递给对方。

那这个随机数有啥用呢？其实这两个随机数是后续作为生成「会话密钥」的条件，所谓的会话密钥就是数据传输时，所使用的对称加密密钥。

然后，服务端为了证明自己的身份，会发送「Server Certificate」给客户端，这个消息里含有数字证书。

随后，服务端发了「Server Hello Done」消息，目的是告诉客户端，我已经把该给你的东西都给你了，本次打招呼完毕。

TLS第三次握手

客户端验证完证书后，认为可信则继续往下走。接着，客户端就会生成一个新的随机数 (pre-master)，用服务器的 RSA 公钥加密该随机数，通过「Change Cipher Key Exchange」消息传给服务端。

服务端收到后，用 RSA 私钥解密，得到客户端发来的随机数 **(pre-master)**。

至此，客户端和服务端双方都共享了三个随机数，分别是 Client Random、Server Random、pre-master。

于是，双方根据已经得到的三个随机数，生成会话密钥（Master Secret），它是对称密钥，用于对后续的 HTTP 请求/响应的数据加解密。

生成完会话密钥后，然后客户端发一个「Change Cipher Spec」，告诉服务端开始使用加密方式发送消息。

然后，客户端再发一个「Encrypted Handshake Message（Finishd）」消息，把之前所有发送的数据做个摘要，再用会话密钥（master secret）加密一下，让服务器做个验证，验证加密通信是否可用和之前握手信息是否有被中途篡改过。

可以发现，「Change Cipher Spec」之前传输的 TLS 握手数据都是明文，之后都是对称密钥加密的密文。

TLS第四次握手

服务器也是同样的操作，发「Change Cipher Spec」和「Encrypted Handshake Message」消息，如果双方都验证加密和解密没问题，那么握手正式完成。

最后，就用「会话密钥」加解密 HTTP 请求和响应了。

数字证书和CA机构

在说校验数字证书是否可信的过程前，我们先来看看数字证书是什么，一个数字证书通常包含了：

• 公钥；
• 持有者信息；
• 证书认证机构（CA）的信息；
• CA 对这份文件的数字签名及使用的算法；
• 证书有效期；
• 还有一些其他额外信息；

那数字证书的作用，是用来认证公钥持有者的身份，以防止第三方进行冒充。说简单些，证书就是用来告诉客户端，该服务端是否是合法的，因为只有证书合法，才代表服务端身份是可信的。

我们用证书来认证公钥持有者的身份（服务端的身份），那证书又是怎么来的？又该怎么认证证书呢？

为了让服务端的公钥被大家信任，服务端的证书都是由 CA （Certificate Authority，证书认证机构）签名的，CA 就是网络世界里的公安局、公证中心，具有极高的可信度，所以由它来给各个公钥签名，信任的一方签发的证书，那必然证书也是被信任的。

之所以要签名，是因为签名的作用可以避免中间人在获取证书时对证书内容的篡改。

数字证书签发和验证流程

CA 签发证书的过程，如上图左边部分：

• 首先 CA 会把持有者的公钥、用途、颁发者、有效时间等信息打成一个包，然后对这些信息进行 Hash 计算，得到一个 Hash 值；
• 然后 CA 会使用自己的私钥将该 Hash 值加密，生成 Certificate Signature，也就是 CA 对证书做了签名；
• 最后将 Certificate Signature 添加在文件证书上，形成数字证书；

客户端校验服务端的数字证书的过程，如上图右边部分：

• 首先客户端会使用同样的 Hash 算法获取该证书的 Hash 值 H1；
• 通常浏览器和操作系统中集成了 CA 的公钥信息，浏览器收到证书后可以使用 CA 的公钥解密 Certificate Signature 内容，得到一个 Hash 值 H2 ；
• 最后比较 H1 和 H2，如果值相同，则为可信赖的证书，否则则认为证书不可信。

TLS的整个通信的过程图

三、RSA 算法的缺陷

使用 RSA 密钥协商算法的最大问题是不支持前向保密。因为客户端传递随机数（用于生成对称加密密钥的条件之一）给服务端时使用的是公钥加密的，服务端收到后，会用私钥解密得到随机数。所以一旦服务端的私钥泄漏了，过去被第三方截获的所有 TLS 通讯密文都会被破解。

为了解决这一问题，于是就有了 DH 密钥协商算法，这里简单介绍它的工作流程。

DH 密钥协商算法

客户端和服务端各自会生成随机数，并以此作为私钥，然后根据公开的 DH 计算公示算出各自的公钥，通过 TLS 握手双方交换各自的公钥，这样双方都有自己的私钥和对方的公钥，然后双方根据各自持有的材料算出一个随机数，这个随机数的值双方都是一样的，这就可以作为后续对称加密时使用的密钥。

DH 密钥交换过程中，即使第三方截获了 TLS 握手阶段传递的公钥，在不知道的私钥的情况下，也是无法计算出密钥的，而且每一次对称加密密钥都是实时生成的，实现前向保密。

但因为 DH 算法的计算效率问题，后面出现了 ECDHE 密钥协商算法，我们现在大多数网站使用的正是** ECDHE 密钥协商算法**。