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
| 算法 | 分组大小 / 密钥长度 | 特点 | 安全性与应用场景 |
|---|---|---|---|
| DES | 分组: 64 位, 密钥: 56 位 | 最早广泛使用，速度快，但密钥太短 | 不安全（易暴力破解） |
| 3DES (Triple DES) | 分组: 64 位, 密钥: 112/168 位 | DES 的三重加密，安全性增强 | 逐渐淘汰（效率低，仅兼容旧系统） |
| AES | 分组: 128 位, 密钥: 128/192/256 位 | 现行国际标准，硬件加速支持（AES-NI），速度快 | 安全（TLS、VPN、磁盘加密） |
| Blowfish | 分组: 64 位, 密钥: 32~448 位 | 密钥长度灵活，适合软件实现 | 安全但 64 位分组存在局限性 |
| Twofish | 分组: 128 位, 密钥: 最大 256 位 | AES 竞赛候选算法，免费无专利 | 安全（未普及，用于 TrueCrypt 等） |
| RC4 | 流加密 | 简单快速，曾用于早期 SSL/TLS | 已废弃（漏洞多，如 WEP 攻击） |
| ChaCha20 | 流加密（基于 Salsa20 改进） | 抗侧信道攻击，移动端性能优于 AES | 安全（TLS 1.3、QUIC 协议） |
| IDEA | 分组: 64 位, 密钥: 128 位 | 曾用于 PGP，专利限制多 | 安全但基本被 AES 取代 |
| Camellia | 分组: 128 位, 密钥: 128/192/256 位 | 日本开发，性能与 AES 相当 | 安全（嵌入式设备、日本系统） |
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
| 算法 | 输出长度 | 特点 | 安全性 |
|---|---|---|---|
| MD5 | 128 位 (16 字节) | 速度快，曾用于文件校验、密码存储 | 已攻破（碰撞攻击易实现） |
| SHA-1 | 160 位 (20 字节) | 比 MD5 更安全，曾用于 SSL、Git | 已攻破（谷歌 2017 年碰撞演示） |
| SHA-256 | 256 位 (32 字节) | SHA-2 家族核心算法，比特币、TLS 标准 | 安全（当前推荐） |
| SHA-512 | 512 位 (64 字节) | SHA-2 家族，适合 64 位系统 | 安全（资源消耗较高） |
| SHA-3 | 224/256/384/512 位 | 基于 Keccak 的新标准，抗量子计算潜力 | 安全（未来主流） |
| RIPEMD-160 | 160 位 (20 字节) | 欧洲开发，比特币地址生成辅助 | 未破解但已过时 |
| BLAKE2 | 256/512 位 | 比 SHA-3 更快，被 Zcash、Argon2 采用 | 安全（现代应用首选） |
| BLAKE3 | 可变（默认 256 位） | BLAKE2 升级版，速度提升 2 倍，支持并行计算 | 安全（2020 年发布） |
| CRC32 | 32 位 | 用于网络校验、ZIP 文件，无密码学强度 | 仅校验（非加密哈希） |
| HMAC | 依赖底层哈希（如 SHA256） | 基于密钥的哈希消息认证码，防篡改 | 安全（需配合安全哈希） |
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
| 算法 | 密钥长度 | 特点 | 安全性 (截至 2024) |
|---|---|---|---|
| RSA | 常见 2048 / 3072 / 4096 bit | 历史最悠久，应用最广（SSL、数字签名） | 安全（足够长密钥情况下），但慢 |
| DSA | 1024 / 2048 / 3072 bit | 专用于数字签名，不加密数据 | 安全，但较少新项目采用 |
| ElGamal | 可变 | 基于离散对数，主要用于加密和签名 | 安全，但密文长，效率低 |
| ECC | 常见 256 / 384 / 521 bit | 相同安全级别密钥更短，效率高 | 安全，广泛推荐（例如 ECDSA, ECDH） |
| ECDSA | 常见 256 / 384 / 521 bit | 基于椭圆曲线，用于签名 | 安全，高效 |
| EdDSA | 256 bit | 现代签名算法，简单高效，抗侧信道攻击 | 安全，越来越普及 |
| Diffie-Hellman | 可变 | 密钥交换协议，不直接用于加密数据 | 安全（大素数参数） |
| ECDH | 常见 256 / 384 / 521 bit | 椭圆曲线密钥交换，高效安全 | 安全 |
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
