计算机网络——应用层 HTTPS 协议分析

概述

• HTTPS（HyperText Transfer Protocol Secure）是 HTTP 的安全版本，即安全的超文本传输协议

• HTTPS 通过在 HTTP 协议基础上加入 SSL/TLS 加密层，确保数据在客户端（如浏览器）与服务器之间传输时的机密性、完整性和身份认证。

• 同样也是基于 TCP 解封装。

• 使用端口号为 443。

加密算法

加密算法历史（简要）

• 近代密码学的发展始于 20 世纪初电报和无线电的普及，在一战和二战期间，军事通信需求推动了密码技术的进步，如德国 Enigma 密码机和美军 纳瓦霍语密码 的应用，同时英国破译齐默尔曼电报等事件直接影响了战争走向，而 香农信息论 和 Kerckhoffs 原则 为密码学奠定了理论基础。

• 1976 年后，现代密码学迎来革命性发展，Diffie-Hellman 密钥交换和 RSA 算法 的提出开创了公钥密码学新时代，DES 和 AES 成为对称加密标准，ECC 椭圆曲线密码 以更短的密钥实现高强度安全，同时中国也贡献了 ZUC、SM4 等国际认可的密码算法。

• 进入 21 世纪，随着 MD5 等哈希函数被破解和量子计算的出现，密码学面临新的挑战，后量子密码学成为研究重点，各国加速推进密码算法自主化与标准化，密码学已从军事保密工具演变为支撑数字社会的核心技术，其发展始终与计算技术、数学理论和安全需求紧密交织，未来将继续在保障信息安全方面发挥关键作用。

对称加密算法

概述

• 对称加密算法（Symmetric Encryption）是一种加密技术，其核心特点是 加密和解密使用相同的密钥，常用的算法是 AES、DES。

[!tip]

这种算法速度快、效率高，适合加密大量数据，但密钥管理（如安全分发和存储）是其主要挑战。

算法运用

• 客户端用对称密钥（如 AES）加密 HTTP 请求（明文 --> 密文）。

• 服务器用相同密钥解密密文，处理请求后，再用该密钥加密响应。

主流对称加密算法汇总

哈希加密算法

概述

• 哈希函数是一种将任意长度的输入（消息）映射为固定长度输出（哈希值）的数学函数，具有 不可逆性、确定性和抗碰撞性等核心特性。

• 常用的哈希加密有 MD5，SHA256，CRC。

• 哈希算法又称杂凑算法、摘要算法。

算法运用

主流哈希加密算法汇总

非对称加密算法

概述

• 非对称加密（又称公钥加密）是一种使用一对密钥（公钥和私钥）进行加密和解密的算法。

• 公钥可公开分享，用于加密数据或验证签名；私钥必须保密，用于解密数据或生成签名。

• 公钥和私钥是数学安全的，已知公钥，不可能推导出私钥；已知私钥，也不可能推导出公钥。

算法运用

主流非对称加密算法汇总

协议分析

密钥分发

HTTPS 使用 RSA 公钥加密 AES 密码，服务器接收到加密后的 AES 密码，使用 RSA 私钥解密得到 AES 密码。

• 服务器发送公钥：服务器将自己的 ​​RSA 公钥​​发送给客户端（实际通过数字证书传递，图中简化为直接发送）。

• 客户端生成会话密钥：客户端随机生成一个 ​​AES 对称密钥​​（用于后续高效加密通信数据）。

• 客户端加密 AES 密钥：使用服务器的 ​​RSA 公钥​​加密 AES 密钥，生成密文 {AES Key}_{pk}，并发送给服务器。

• 服务器解密获取密钥：服务器用自己的 ​​RSA 私钥​​解密 {AES Key}_{pk}，得到原始的 AES 密钥。

• 双向确认密钥：客户端和服务器均持有相同的 AES 密钥，完成密钥协商。

• 通道加密就绪：双方约定后续所有通信数据均使用 ​​AES 对称加密。

• 客户端发送加密请求：使用 AES 密钥加密应用数据（如 HTTP 请求），发送给服务器。

• 服务器返回加密响应：服务器用 AES 密钥解密请求，处理后再加密响应数据，返回给客户端。

• 循环通信：后续所有通信均重复上述加密/解密过程（图中以 loop 表示循环）。

HTTPS 防篡改

Chrome 预先内置了 RSA 公钥，并通过 AES 加密和哈希验证来确保数据完整性。

• Chrome 浏览器内置百度服务器的 RSA 公钥。

• Chrome 浏览器向百度服务器发起 HTTPS 请求（tieba.baidu.com）。

• 浏览器生成 AES 密码（示例：123456）。

• 使用 RSA 公钥加密 AES 密码，得到密文（示例：goosuih ihiUFgc）。

• 对 AES 密码进行 MD5 哈希，得到哈希密文（示例：ev81984vs）。

• 将加密后的密文和哈希密文一起发送给服务器。

• 服务器使用 RSA 私钥解密获取 AES 密码。

• 对解密后的 AES 密码进行 MD5 哈希，得到验证密文（示例：ev81984vs）。

• 对比收到的哈希密文和计算出的验证密文。

CA 证书颁发机构

CA 证书颁发机构相当于公证处，证实了服务器 RSA 公钥的安全性和有效性。

• 服务器生成 RSA 密钥对（包含公钥和私钥）。

• 服务器向 CA 机构提交公钥和身份验证信息（如域名所有权证明）。

• CA 机构验证服务器身份真实性。

• CA 机构使用 CA 自己的 RSA 私钥对服务器公钥进行 数字签名。

• CA 机构颁发包含服务器公钥和 CA 签名的数字证书。

• 浏览器向服务器发起 HTTPS 连接请求。

• 服务器向浏览器返回数字证书（包含 CA 签名的服务器公钥）。

• 浏览器使用内置的 CA 公钥解密数字签名。

• 对比解密结果与证书中的服务器公钥。

• 验证证书的有效期、域名匹配等附加信息。

• 验证成功：

  • 信任该服务器公钥

  • 继续完成 TLS 握手流程

  • 建立安全加密通道

• 验证失败：

  • 显示 “不安全连接” 警告

  • 阻止用户继续访问