Linux:浅谈 HTTPS 和 SSL/TLS 协议的背景与基础

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相关背景知识

要说清楚 HTTPS 协议的实现原理,至少需要如下几个背景知识。

  1. 大致了解几个基本术语(HTTPS、SSL、TLS)的含义
  2. 大致了解 HTTP 和 TCP 的关系(尤其是“短连接”VS“长连接”)
  3. 大致了解加密算法的概念(尤其是“对称加密与非对称加密”的区别)
  4. 大致了解 CA 证书的用途

考虑到很多技术菜鸟可能不了解上述背景,俺先用最简短的文字描述一下。如果你自认为不是菜鸟,请略过本章节,直接去看“HTTPS 协议的需求”。

Linux:浅谈 HTTPS 和 SSL/TLS 协议的背景与基础

Linux:浅谈 HTTPS 和 SSL/TLS 协议的背景与基础

先澄清几个术语——HTTPS、SSL、TLS

1. “HTTP”是干嘛用滴?

首先,HTTP 是一个网络协议,是专门用来帮你传输 Web 内容滴。关于这个协议,就算你不了解,至少也听说过吧?比如你访问俺的博客的主页,浏览器地址栏会出现如下的网址 http://program-think.blogspot.com/

俺加了粗体的部分就是指 HTTP 协议。大部分网站都是通过 HTTP 协议来传输 Web 页面、以及 Web 页面上包含的各种东东(图片、CSS 样式、JS 脚本)。

2. “SSL/TLS”是干嘛用滴?

SSL 是洋文“Secure Sockets Layer”的缩写,中文叫做“安全套接层”。它是在上世纪90年代中期,由网景公司设计的。(顺便插一句,网景公司不光发明了 SSL,还发明了很多 Web 的基础设施——比如“CSS 样式表”和“JS 脚本”)

为啥要发明 SSL 这个协议捏?因为原先互联网上使用的 HTTP 协议是明文的,存在很多缺点——比如传输内容会被偷窥(嗅探)和篡改。发明 SSL 协议,就是为了解决这些问题。

到了1999年,SSL 因为应用广泛,已经成为互联网上的事实标准。IETF 就在那年把 SSL 标准化。标准化之后的名称改为 TLS(是“Transport Layer Security”的缩写),中文叫做“传输层安全协议”。

很多相关的文章都把这两者并列称呼(SSL/TLS),因为这两者可以视作同一个东西的不同阶段。

3. “HTTPS”是啥意思?

解释完 HTTP 和 SSL/TLS,现在就可以来解释 HTTPS 啦。咱们通常所说的 HTTPS 协议,说白了就是“HTTP 协议”和“SSL/TLS 协议”的组合。你可以把 HTTPS 大致理解为——“HTTP over SSL”或“HTTP over TLS”(反正 SSL 和 TLS 差不多)。

再来说说 HTTP 协议的特点

作为背景知识介绍,还需要再稍微谈一下 HTTP 协议本身的特点。HTTP 本身有很多特点,考虑到篇幅有限,俺只谈那些和 HTTPS 相关的特点。

1. HTTP 的版本和历史

如今咱们用的 HTTP 协议,版本号是 1.1(也就是 HTTP 1.1)。这个 1.1 版本是1995年底开始起草的(技术文档是 RFC2068),并在1999年正式发布(技术文档是 RFC2616)。

在 1.1 之前,还有曾经出现过两个版本“0.9 和 1.0”,其中的 HTTP 0.9 【没有】被广泛使用,而 HTTP 1.0 被广泛使用过。

另外,据说明年(2015)IETF 就要发布 HTTP 2.0 的标准了。俺拭目以待。

2. HTTP 和 TCP 之间的关系

简单地说,TCP 协议是 HTTP 协议的基石——HTTP 协议需要依靠 TCP 协议来传输数据。

在网络分层模型中,TCP 被称为“传输层协议”,而 HTTP 被称为“应用层协议”。有很多常见的应用层协议是以 TCP 为基础的,比如“FTP、SMTP、POP、IMAP”等。

TCP 被称为“面向连接”的传输层协议。关于它的具体细节,俺就不展开了(否则篇幅又失控了)。你只需知道:传输层主要有两个协议,分别是 TCP 和 UDP。TCP 比 UDP 更可靠。你可以把 TCP 协议想象成某个水管,发送端这头进水,接收端那头就出水。并且 TCP 协议能够确保,先发送的数据先到达(与之相反,UDP 不保证这点)。

3. HTTP 协议如何使用 TCP 连接?

HTTP 对 TCP 连接的使用,分为两种方式:俗称“短连接”和“长连接”(“长连接”又称“持久连接”,洋文叫做“Keep-Alive”或“Persistent Connection”)

假设有一个网页,里面包含好多图片,还包含好多【外部的】CSS 文件和 JS 文件。在“短连接”的模式下,浏览器会先发起一个 TCP 连接,拿到该网页的 HTML 源代码(拿到 HTML 之后,这个 TCP 连接就关闭了)。然后,浏览器开始分析这个网页的源码,知道这个页面包含很多外部资源(图片、CSS、JS)。然后针对【每一个】外部资源,再分别发起一个个 TCP 连接,把这些文件获取到本地(同样的,每抓取一个外部资源后,相应的 TCP 就断开)

相反,如果是“长连接”的方式,浏览器也会先发起一个 TCP 连接去抓取页面。但是抓取页面之后,该 TCP 连接并不会立即关闭,而是暂时先保持着(所谓的“Keep-Alive”)。然后浏览器分析 HTML 源码之后,发现有很多外部资源,就用刚才那个 TCP 连接去抓取此页面的外部资源。

在 HTTP 1.0 版本,【默认】使用的是“短连接”(那时候是 Web 诞生初期,网页相对简单,“短连接”的问题不大);

到了1995年底开始制定 HTTP 1.1 草案的时候,网页已经开始变得复杂(网页内的图片、脚本越来越多了)。这时候再用短连接的方式,效率太低下了(因为建立 TCP 连接是有“时间成本”和“CPU 成本”滴)。所以,在 HTTP 1.1 中,【默认】采用的是“Keep-Alive”的方式。

关于“Keep-Alive”的更多介绍,可以参见维基百科词条(在“这里”)

谈谈“对称加密”和“非对称加密”的概念

1. 啥是“加密”和“解密”?

通俗而言,你可以把“加密”和“解密”理解为某种【互逆的】数学运算。就好比“加法和减法”互为逆运算、“乘法和除法”互为逆运算。

“加密”的过程,就是把“明文”变成“密文”的过程;反之,“解密”的过程,就是把“密文”变为“明文”。在这两个过程中,都需要一个关键的东东——叫做“密钥”——来参与数学运算。

2. 啥是“对称加密”?

所谓的“对称加密技术”,意思就是说:“加密”和“解密”使用【相同的】密钥。这个比较好理解。就好比你用 7zip 或 WinRAR 创建一个带密码(口令)的加密压缩包。当你下次要把这个压缩文件解开的时候,你需要输入【同样的】密码。在这个例子中,密码/口令就如同刚才说的“密钥”。

3. 啥是“非对称加密”?

所谓的“非对称加密技术”,意思就是说:“加密”和“解密”使用【不同的】密钥。这玩意儿比较难理解,也比较难想到。当年“非对称加密”的发明,还被誉为“密码学”历史上的一次革命。

由于篇幅有限,对“非对称加密”这个话题,俺就不展开了。有空的话,再单独写一篇扫盲。

4. 各自有啥优缺点?

看完刚才的定义,很显然:(从功能角度而言)“非对称加密”能干的事情比“对称加密”要多。这是“非对称加密”的优点。但是“非对称加密”的实现,通常需要涉及到“复杂数学问题”。所以,“非对称加密”的性能通常要差很多(相对于“对称加密”而言)。

这两者的优缺点,也影响到了 SSL 协议的设计。

CA 证书的原理及用途

关于这方面,请看俺4年前写的《数字证书及CA的扫盲介绍》。这里就不再重复唠叨了,免得篇幅太长。

HTTPS 协议的需求是啥?

花了好多口水,终于把背景知识说完了。下面正式进入正题。先来说说当初设计 HTTPS 是为了满足哪些需求?

很多介绍 HTTPS 的文章一上来就给你讲实现细节。个人觉得:这是不好的做法。早在2009年开博的时候,发过一篇《学习技术的三部曲:WHAT、HOW、WHY》,其中谈到“WHY 型问题”的重要性。一上来就给你讲协议细节,你充其量只能知道 WHAT 和 HOW,无法理解 WHY。俺在前一个章节讲了“背景知识”,在这个章节讲了“需求”,这就有助于你理解:当初为什么要设计成这样?——这就是 WHY 型的问题。

兼容性

因为是先有 HTTP 再有 HTTPS。所以,HTTPS 的设计者肯定要考虑到对原有 HTTP 的兼容性。

这里所说的兼容性包括很多方面。比如已有的 Web 应用要尽可能无缝地迁移到 HTTPS;比如对浏览器厂商而言,改动要尽可能小;……

基于“兼容性”方面的考虑,很容易得出如下几个结论:

1. HTTPS 还是要基于 TCP 来传输

(如果改为 UDP 作传输层,无论是 Web 服务端还是浏览器客户端,都要大改,动静太大了)

2. 单独使用一个新的协议,把 HTTP 协议包裹起来

(所谓的“HTTP over SSL”,实际上是在原有的 HTTP 数据外面加了一层 SSL 的封装。HTTP 协议原有的 GET、POST 之类的机制,基本上原封不动)

打个比方:如果原来的 HTTP 是塑料水管,容易被戳破;那么如今新设计的 HTTPS 就像是在原有的塑料水管之外,再包一层金属水管。一来,原有的塑料水管照样运行;二来,用金属加固了之后,不容易被戳破。

可扩展性

前面说了,HTTPS 相当于是“HTTP over SSL”。

如果 SSL 这个协议在“可扩展性”方面的设计足够牛逼,那么它除了能跟 HTTP 搭配,还能够跟其它的应用层协议搭配。岂不美哉?

现在看来,当初设计 SSL 的人确实比较牛。如今的 SSL/TLS 可以跟很多常用的应用层协议(比如:FTP、SMTP、POP、Telnet)搭配,来强化这些应用层协议的安全性。

接着刚才打的比方:如果把 SSL/TLS 视作一根用来加固的金属管,它不仅可以用来加固输水的管道,还可以用来加固输煤气的管道。

保密性(防泄密)

HTTPS 需要做到足够好的保密性。

说到保密性,首先要能够对抗嗅探(行话叫 Sniffer)。所谓的“嗅探”,通俗而言就是监视你的网络传输流量。如果你使用明文的 HTTP 上网,那么监视者通过嗅探,就知道你在访问哪些网站的哪些页面。

嗅探是最低级的攻击手法。除了嗅探,HTTPS 还需要能对抗其它一些稍微高级的攻击手法——比如“重放攻击”(后面讲协议原理的时候,会再聊)。

完整性(防篡改)

除了“保密性”,还有一个同样重要的目标是“确保完整性”。关于“完整性”这个概念,在之前的博文《扫盲文件完整性校验——关于散列值和数字签名》中大致提过。健忘的同学再去温习一下。

在发明 HTTPS 之前,由于 HTTP 是明文的,不但容易被嗅探,还容易被篡改。

举个例子:

比如咱们天朝的网络运营商(ISP)都比较流氓,经常有网友抱怨说访问某网站(本来是没有广告的),竟然会跳出很多中国电信的广告。为啥会这样捏?因为你的网络流量需要经过 ISP 的线路才能到达公网。如果你使用的是明文的 HTTP,ISP 很容易就可以在你访问的页面中植入广告。

所以,当初设计 HTTPS 的时候,还有一个需求是“确保 HTTP 协议的内容不被篡改”。

真实性(防假冒)

在谈到 HTTPS 的需求时,“真实性”经常被忽略。其实“真实性”的重要程度不亚于前面的“保密性”和“完整性”。

举个例子:

你因为使用网银,需要访问该网银的 Web 站点。那么,你如何确保你访问的网站确实是你想访问的网站?(这话有点绕口令)

有些天真的同学会说:通过看网址里面的域名,来确保。为啥说这样的同学是“天真的”?因为 DNS 系统本身是不可靠的(尤其是在设计 SSL 的那个年代,连 DNSSEC 都还没发明)。由于 DNS 的不可靠(存在“域名欺骗”和“域名劫持”),你看到的网址里面的域名【未必】是真实滴!

(不了解“域名欺骗”和“域名劫持”的同学,可以参见俺之前写的《扫盲 DNS 原理,兼谈“域名劫持”和“域名欺骗/域名污染”》)

所以,HTTPS 协议必须有某种机制来确保“真实性”的需求(至于如何确保,后面会细聊)。

性能

再来说最后一个需求——性能。

引入 HTTPS 之后,【不能】导致性能变得太差。否则的话,谁还愿意用?

为了确保性能,SSL 的设计者至少要考虑如下几点:

  1. 如何选择加密算法(“对称”or“非对称”)?
  2. 如何兼顾 HTTP 采用的“短连接”TCP 方式?

(SSL 是在1995年之前开始设计的,那时候的 HTTP 版本还是 1.0,默认使用的是“短连接”的 TCP 方式——默认不启用 Keep-Alive)

小结

以上就是设计 SSL 协议时,必须兼顾的各种需求。后面聊协议的实现时,俺会拿 SSL 协议的特点跟前面的需求作对照。看看这些需求是如何一一满足滴。

设计 HTTPS 协议的主要难点

设计 HTTPS 这个协议,有好几个难点。俺个人认为最大的难点在于“密钥交换”。

在传统的密码学场景中,假如张三要跟李四建立一个加密通讯的渠道,双方事先要约定好使用哪种加密算法?同时也要约定好使用的密钥是啥?在这个场景中,加密算法的【类型】让旁人知道,没太大关系。但是密钥【千万不能】让旁人知道。一旦旁人知道了密钥,自然就可以破解通讯的密文,得到明文。

好,现在回到 HTTPS 的场景。

当你访问某个公网的网站,你的浏览器和网站的服务器之间,如果要建立加密通讯,必然要商量好双方使用啥算法,啥密钥。——在网络通讯术语中,这个过程称之为“握手/handshake”。在握手阶段,因为加密方式还没有协商好,所以握手阶段的通讯必定是【明文】滴!既然是明文,自然有可能被第三方偷窥到。然后,还要考虑到双方之间隔着一个互联网,什么样的偷窥都可能发生。

因此,在握手的过程中,如何做到安全地交换密钥信息,而不让周围的第三方看到。这就是设计 HTTPS 最大的难点。

结尾

本文费这么多口水,来介绍 HTTPS 的“需求”和“难点”,为啥捏?因为只有当你了解这些,后面介绍 SSL/TLS 的实现原理时,你才能理解——当初为啥要把协议设计成这个样子。

来源:http://program-think.blogspot.com/2014/11/https-ssl-tls-1.html

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