HTTP的弊端及HTTPS的由来

众所周知HTTP协议是以TCP协议为基石诞生的一个用于传输Web内容的一个网络协议,在"网络分层模型"中属于"应用层协议"的一种.那么在这里我们并不研究该协议标准本身,而是从安全角度去探究使用该协议传输数据本身存在的安全问题:

• (1)、通信使用明文(不加密),内容可能被窃听;
• (2)、不验证通信方的身份,因此可能遭遇伪装;
• (3)、无法证明报文的完整行,所以可能被篡改.

为了解决HTTP协议存在的安全性问题,上世纪90年代由网景(NetScape)公司设计了SSL(Secure Sockets Layer)协议——"安全套接层"协议.经过多年发展SSL在互联网上广泛应用,标准化后名称改为TLS(Transport Layer Security)——"传输层安全"协议.

所谓的HTTPS即是"HTTP+SSL/TLS"的结合使用而已.解决的是HTTP协议数据传输的安全性问题——在HTTP协议层和TCP传输层之间加入"安全层",使得应用层数据报经过加密后再传输,保证数据在传输过程中的完整性.

那么,SSL/TLS在数据传输过程中是如何实现加密保证数据完整性的呢?在此,我们需要再进一步探讨该协议的加密逻辑.

加密算法有两种,分别是"对称加密"和"非对称加密".(本文不对密码学中的加密算法的实现做探讨,仅解释加密原理).

对称加密

关于"对称加密",可以理解成一种"互逆"的数学运算(对比单向加密它是一种可逆的加密算法).也就是说有加密,就可以解密,但是不管是加密还是解密的过程中,必须有一个至关重要的称之为"密钥"的东西参与运算.

对称加密最大的特点就在于加密和解密使用"相同的"密钥.那么关键问题来了——客户端和服务器交互使用共同的"密钥"来加密通信,这就需要服务器将密钥传输给客户端,但是如此操作又如何才能够保证密钥在传输过程中的安全性呢?如果密钥在传输过程中遭遇第三方拦截,那就意味着双端通信之于第三方而言和明文通信没有区别了.也就是说对称加密并不适用于密钥需要网络传输的应用场景.

由此,诞生了"非对称加密".

非对称加密

所谓的"非对称加密"就是加密和解密使用的密钥是不同的,双端通信各自产生公钥和私钥匙,并交换双端的公钥用于通信加密.如下图所示,当服务器把公钥交给客户端,客户端在通信时使用公钥对数据进行加密处理,即使公钥在传输过程中遭遇第三方拦截,由于解密的密钥始终存储在服务端并不会对外公开,所以拦截方仅用一个公钥是无法解密数据的.

但是上述应用场景仍然存在一定的被窃听的风险.也就是说,作为窃听者,在拦截服务器响应给客户端的公钥后,伪造服务端身份,给客户端响应窃听者的公钥.此后客户端使用窃听者的公钥加密数据,窃听者在拦截数据消息后,利用自己的私钥进行解密,得到明文数据后篡改数据,然后在使用服务器公钥加密数据和服务器通信.整个通信的过程中,客户端都无法察觉自己通信的对端到底是窃听者还是服务器.

观察下图中的图示模型,假设通信过程已被窃听.那么问题到底出在哪里?

非对称加密中的窃听风险图示

我们可以从整个流程的一开始去分析.

客户端在第一次请求公钥,并在响应中得到了来自"对端"的公钥.然后就利用该"公钥"通信.问题就是出在了这个环节——显而易见,作为客户端并没有对该"公钥"的"来源"做验证.换句话说,客户端并不清楚,该"公钥"是否真的来自真正的服务器而不是第三方窃听者.

如此,客户端就必须对"公钥"做验证,确定该公钥确实是来自合法的服务器后,才能够保证双端通信的安全性.

CA认证机制

这里需要引入第三方机构: 证书颁发机构(CA, Certificate Authority)即颁发数字证书的机构.是负责发放和管理数字证书的权威机构,作为电子商务交易中受信任的第三方,承担公钥体系中公钥合法性检验的责任.

CA中心会为每个使用公钥的用户发放一个数字证书,数字证书的作用是证明证书中列出的用户公钥的合法性.CA机构的数字签名使得攻击者无法伪造和篡改证书.换句话说,证书无法篡改,只要证书是有效且合法的,那么证书中的公钥就是有效且合法的!

服务器将公钥提供给CA机构,CA机构使用自己的私钥将服务器公钥加密后将CA证书(该证书保存有服务器公钥)返回给服务器.一般操作系统或者浏览器中都会内置CA根证书.当客户端(比如浏览器)请求服务器时,服务器会将CA证书提供给客户端,客户端获取到CA证书后会使用CA根证书进行本地验证(验证通过即表明服务器CA证书的合法性,间接表明公钥来源的合法性).

自签证书实现django+http+ssl

由于正规的证书需要向CA机构申请,在此,我通过自签证书的形式简单配置一个基于https通信的django服务器.

(1)、创建签发CA根证书的配置文件MyCompanyCA.cnf

(2)、创建拓展配置文件(用于创建服务器CA证书)MyCompanyLocalhost.ext

(3)、创建CA证书及密钥(需要使用openssl,可以通过包管理工具安装)

(4)、创建ssl证书密钥及申请文件

(5)、签发ssl证书

经过上述步骤,通过openssl实现自签发证书,其中MyCompanyCA.cer为CA根证书(由于我们这是自签发,系统或浏览器中并不会内置该根证书,需要我们手动添加).ssl证书文件为MyCompanyLocalhost.cer,ssl证书密钥文件为MyCompanyLocalhost.pvk.

Django启动HTTPS测试服务器.

(1)、安装依赖项

(2)、修改Django配置文件

(3)、启动django的https服务

自此django已启动https服务,但使用浏览器仍然无法使用https访问(服务器证书不可信).

需要将自签发的CA根证书安装到需要使用https访问的客户端中.以下为macos系统中添加证书的操作图示(windows中也有相关界面操作):

(1)、添加根证书

(2)、设置系统信任该证书

自此,客户端一方(浏览器)添加完成后,就可以使用https访问服务器.