https服务的原理和实现

https详解

目前大部分大型网站已经全部切换到了https服务，所以很有必要了解整个https的原理，https是如何保证信息安全的。这里希望大家对以下部分名词有一定的了解：

• 数字证书
  是互联网通信中的身份标识(主要是用户身份信息和公钥)，一般由CA中心颁发，既CA认证中心，或第三方权威机构。数字证书上通常包括：CA的签名，证书所有人的公钥，CA中心的签名算法，指纹以及指纹算法，证书的唯一编号，版本，有效期等。
• 数字签名、签名算法
  对信息的摘要【通过hash算法/摘要算法/指纹算法计算的信息摘要/hash值】使用签名算法进行加密，得到的密文就叫做数字签名
• 指纹、指纹算法/摘要算法【hash值计算】
  对消息使用hash算法/摘要算法进行单向处理，获取一个固定长度的信息的摘要/hash值。
• 非对称加密
  可以使用公钥、私钥分解进行对应的加密、解密的算法，即加解密使用的是不同的一堆秘钥。
• 对称加密
  使用相同秘钥进行加解密的算法
• 公钥、私钥
  非对称加解密的一对秘钥。

https服务部署过程和原理

了解https的原理，最好的方法就是走一遍流程，理论上的流程和原理通过以下几点来解释：

1. 证书申请
2. 证书信任
3. 密文通信

证书的获取

https的关键之一就是ssl证书，为了保证证书的安全有效性，在各类委员会/厂商之间合作，通过类似圆桌会议来形成若干权威的认证机构【顶级认证机构可以有若干附属的二级、三级...认证机构】，想要得到受信任的证书，就需要向CA机构提交证书签名请求 (CSR, Certificate Signing Request)。过程如下：

1. 证书申请者【一般是公司、个人开发者等】需要使用加密算法【大部分是RSA算法】来生成私钥，其中私钥保存在服务器上，不提供给任何人。
2. 使用私钥生成证书签名请求 (CSR, Certificate Signing Request)【CSR中附带有公钥】，需要提供一些申请者相关的信息【域名、拥有者等信息】，发送给CA机构请求他们的签名，经过他们签名才能成为被信任的证书。
3. CA机构对申请者进行验证【这里不同类型收费不同，验证方式也会不同】，验证通过后，将会在证书中添加部分信息【证书颁发机构、有效期、指纹/hash算法、签名算法】，形成新的证书。【CA机构也是使用其自身的私钥来签名其他证书的】

4. 对新的证书进行签名，步骤如下：

   • 对新证书按照指纹/hash算法进行hash值计算
   • 使用CA机构的私钥对计算出来的hash值按照签名算法进行加密，得出的密文就是数字签名；
   • 将数字签名放在证书的最后面【签名完成】，得到完整的证书，并返回给申请者；
   • 申请者获取签名证书，保证自己的HTTPS服务被信任。

所以最后的证书基本包括但不限于的内容如下：

• 证书的有效期
• 公钥
• 证书所有者（Subject）
• 签名所使用的算法
• 指纹以及指纹算法【hash算法】
• Version Number，版本号。
• Serial Number，序列号。
• 颁发机构
• 数字签名

客户端识别证书

在申请到受信任的证书后，客户端是怎么知道这些证书是值得信任的呢，不同浏览器和系统的具体实现不太一样，但是基本的方式差不多，都是在系统或者浏览器中事先准备好权威的CA机构的相关信息[公钥、常使用的各类hash、签名、加密算法等]。具体过程如下：

1. 浏览器访问某https服务，带上浏览器自身支持的一系列Cipher Suite（密钥算法套件，后文简称Cipher）[C1,C2,C3, …]发给服务器【算法套件包括非对称算法、对称算法、hash算法】；
2. 服务器接收到浏览器的所有Cipher后，与自己支持的套件作对比，如果找到双方都支持的Cipher【双方套件中都能支持的最优先算法】，则告知浏览器，并返回自己的证书；
3. 浏览器确认和服务端后续的密文通信的加密算法，同时对证书进行认证；
4. 使用证书中的认证机构【可能是二级、三级机构】的公钥【系统、浏览器事先准备好的】按照证书中的签名算法进行解密【认证机构使用私钥加密的密文只能通过该认证机构的公钥进行解密】，解密获取hash值；
5. 使用证书中的hash/摘要算法对证书信息【证书签名除外的信息[服务器公钥、有效期等]】hash值计算，和4中解密的hash值进行对比，如果相等，表示证书值得信任；【通过数字签名来保证证书内容没有被篡改】。

https的加密通信过程

在上文的流程之后【证书信任，客户端和服务端握手中需要的非对称算法、握手信息验证的hash算法、正文传输的对称加密】，就是具体的通信过程：

1. 客户端信任了服务端的证书，并和服务端确认了双方的加密算法【握手中需要的非对称算法、握手信息验证的hash算法、正文传输的对称加密】；
2. 客户端生成随机数，通过证书中的公钥按照约定的非对称加密算法进行加密，得到加密的随机数秘钥，同时将之前所有的通信信息【秘钥算法套件、证书等所有的通信内容】按照约定的hash/摘要算法获取hash值，并使用随机数和协商好的对称加密算法进行签名加密，将随机数秘钥和加密签名发送到服务端。
3. 服务端收到随机数秘钥和加密签名，先使用私钥将随机数按照约定的非对称解密算法进行解密，获取随机数，同时使用随机数按照约定的对称解密算法进行解密，获取待验证的hash值，将之前的通信消息体【秘钥算法套件、证书等所有的通信内容】按照约定的hash/摘要算法获取hash值，与刚才解密获取的待验证的hash值对比，验证加密成功与否。
4. 成功以后，服务器再次将之前所有的通信信息【秘钥算法套件、证书等所有的通信内容】按照约定的hash/摘要算法获取hash值，并使用随机数和协商好的对称加密算法进行签名加密，将随机数秘钥发送到客户端，
5. 客户端使用随机数按照约定的对称解密算法进行解密，获取待验证的hash值，将之前的通信消息体【秘钥算法套件、证书等所有的通信内容】按照约定的hash/摘要算法获取hash值，与刚才解密获取的待验证的hash值对比，验证加密成功与否，
6. 成功的话整个链接过程完成，之后将使用随机数和约定的对称加密算法进行密文通信，【如果上面的任何步骤出现问题，都将会结束整个握手过程，导致建立安全连接失败】。

整个过程其实还有很多细节；ssl握手报文

综合解惑

这里的整个过程分的很细，不过还是很清晰的把整个https的原理和过程阐述了;下面解释一下其中一些疑惑点：

1. CA机构认证的作用？
   可以作为全球有限的权威认证，经过其签名的证书都可以视为可信任的，所以他们的私钥必须要保证不被泄露，如果泄露的话需要及时的进行吊销，
2. 签名为什么需要加密计算的hash值，hash值已经是单向不可逆的运算了？
   因为虽然hash值是单向的，但是计算hash的算法和内容都是公开的，如果不进行加密，那么由于其他人可以修改证书内容，根据hash算法重新计算hash，这样就会出现安全漏洞，所以使用加密的密文才是安全的。
3. 为什么要有随机数，为什么在客户端生成？
   随机数是作为后续整个密文加解密的关键秘钥，只有获取这个随机数的人才可以看到通信的内容，保证通信的安全；通过客户端产生是因为会话的发起者是用户端，为了保证用户端的唯一，以及保证服务端和客服端的会话内容不被篡改，如果是服务端来生成的话，第三方可以通过公钥来解密服务端加密的随机数，存在不安全因素。
4. 证书验证完成后，为什么客户端需要和服务端互相发送一次签名信息？
   证书验证完成以后，需要传递一个随机数，使用公钥、私钥进行非对称加解密，后面在发生内容消息的前面是为了验证通过随机数进行对称加解密，保证双方获取的数据正确性。

openssl生成证书

在大部分开发调试过程中，我们需要本地调试https的页面时候，我们需要在本地拥有证书，而openssl就是就是这样一个集成工具；通过使用openssl来完成本地调试https的请求。

1. openssl简介
2. 自签名证书
3. 本地私有CA证书

openssl的简介

OpenSSL 是一个开源项目，其组成主要包括一下三个组件：

1. openssl：多用途的命令行工具
2. libcrypto：加密算法库
3. libssl：加密模块应用库，实现了ssl及tls

openssl可以实现：秘钥证书管理、对称加密和非对称加密更多简介和官网和openssl简介。

自签名证书

为了能够把线上的https的请求，走向本地，需要我们本地也有https服务，那么证书就是不可避免的，然而一般情况我们并不是使用线上的证书，因为走本地需要本地启用服务，如果证书使用线上的，那么本地起服务的话就需要线上的私钥等隐私信息，这很容易导致私钥泄露，所以不安全，那么我们就需要生成一个本地的证书；

前文讲过了，一个证书是需要经过CA机构进行认证签名的，那么我们本地测试使用的证书然道也要去申请认证吗？但是否定的，因为这个这是只是我们本地使用，所以只需要我们有证书，并且手动添加信任就行，那么自签名证书就很好的解决了这个问题。

自签名证书：跟多详细介绍，自签名证书的核心就是自己对自己的申请进行签名【CA根证书就是这样产生的】；使用自己的私钥对自身生成的证书申请CSR进行签名得出的证书。

通过自签名证书我们获得了https服务需要的证书，根据本地不同的环境，都需要对该证书进行一个信任，这样我们本地起的https服务才会被浏览器正确的识别。整个过程如下：

1. 生成秘钥

   openssl genrsa -des3 -out cwj.key 2048

   使用以上命令，来生成一个我们本地需要的私钥，后面需要使用私钥来生成证书申请CSR以及对证书申请CSR使用私钥进行自签名

2. 生成证书申请CSR

   openssl req -new -key cwj.key -out cwj.csr

   需要填写一系列信息，包括地点、单位、域名、email之类的，这里会自动使生产与服务端私钥匹配的公钥，CSR中包含了公钥；

3. 使用私钥完成自签名，生成完整的证书

   openssl x509 -req -sha256 -days 3650 -in cwj.csr -signkey cwj.key -out cwj.crt

   使用前生产的秘钥对证书申请CSR进行信任签名，得到完整的证书；

这样的确满足了部分需求，只需要使用该证书和私钥来启动https服务，同时本地信任这个证书就大功告成了，其中优点如下：

1. 本地自签名，无须CA根证书；
2. 过程简单

不过也存在一些弊端：

1. 该证书无法被吊销，私钥需要保存好，不过对于仅用于本地调试来说就无伤大雅；
2. 多域名需要多个证书，需要根据域名生成多个证书，客服端需要分别信任这些证书。【不过openssl也可以生成多域名证书，一个证书可以供多个域名使用，一般使用openssl.cnf配置文件来生成】

所以还存在其他的方法：为了模拟完整的真是的https服务，我们可以在本地生成一个类似CA根证书，通过CA的私钥来对其他的所有的本地证书进行签名，只有信任了本地的CA根证书，那么他签名的证书都会被信任，这样就是下面文提到的进化方法本地私有CA根证书。

本地私有CA根证书伪CA根证书

这个方法的整体流程就是本地生成一个CA证书，就类似CA机构的存在，【暂且称为伪CA根证书】通过伪CA根证书的私钥来对其他的所有的本地证书进行签名，我们本地信任了这个伪CA根证书，那么通过伪CA根证书签名的证书都会被信任。避免了多个域名需要生成多个自签名证书以及要进行分别信任的复杂行为。

1. 伪CA根证书生成并添加信任

   openssl genrsa -des3 -out ca.key 2048
   openssl req -new -key ca.key -out ca.csr
   openssl x509 -req -sha256 -days 3650 -in ca.csr -signkey ca.key -out ca.crt

   可以看到，其实ca根证书就是一个自签名证书的例子；

2. 本地单一域名证书秘钥、申请CSR

   openssl genrsa -des3 -out cwj.key 2048
   openssl req -new -key cwj.key -out cwj.csr

   生成一个证书请求；

3. 伪CA根证书的私钥签名其他的申请CSR

   openssl x509 -req -sha256 -days 3650 -in cwj.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -set_serial 01 -out cwj.crt

更多内容openssl;这样证书的问题就解决了，视情况来看使用者是采用哪种方案来生成证书。

信任证书需要一些操作，不同系统有不同的过程，MAC是在钥匙串中信任，windows是需要导入证书；

nginx部署https实践

本地启动https服务的方式很多，这里就说一说nginx；nginx官网https模块，主要用到的就是私钥和证书；根据之前提到的使用不同方法生成的证书以及服务器私钥【本地CA根证书也需要本地进行信任】。

server {
        listen       443 ssl;
        server_name  cwj.cc;

        ssl_certificate      /cwjhttps/cwj.crt;
        ssl_certificate_key  /cwjhttps/cwj.key;

        ssl_session_cache    shared:SSL:1m;
        ssl_session_timeout  5m;

        ssl_ciphers  HIGH:!aNULL:!MD5;
        ssl_prefer_server_ciphers  on;

        location / {
            root   /cwjhttps;
            index  home.html index.htm test.html;
        }
    }

其实这样的做法在chrome高版本还是会被认为是不安全网站；后面的openssl的介绍会具体的进行说明，或者参见自签名证书过程详解和解决chrome不信任自签名证书、摘要/hash算法不被认为安全