要說清楚 HTTPS 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理，至少需要如下幾個(gè)背景知識(shí)。 1. 大致了解幾個(gè)基本術(shù)語（HTTPS、SSL、TLS）的含義 2. 大致了解 HTTP 和 TCP 的關(guān)系（尤其是“短連接”VS“長(zhǎng)連接”） 3. 大致了解加密算法的概念（尤其是“對(duì)稱加密與非對(duì)稱加密”的區(qū)別） 4. 大致了解 CA 證書的用途
考慮到很多技術(shù)菜鳥可能不了解上述背景，俺先用最簡(jiǎn)短的文字描述一下。如果你自認(rèn)為不是菜鳥，請(qǐng)略過本章節(jié)，直接去看“HTTPS 協(xié)議的需求”。
先澄清幾個(gè)術(shù)語——HTTPS、SSL、TLS
1. “HTTP”是干嘛用滴？
首先，HTTP 是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是專門用來幫你傳輸 Web 內(nèi)容滴。關(guān)于這個(gè)協(xié)議，就算你不了解，至少也聽說過吧？比如你訪問俺的博客的主頁，瀏覽器地址欄會(huì)出現(xiàn)如下的網(wǎng)址
http://www.baidu.com/
俺加了粗體的部分就是指 HTTP 協(xié)議。大部分網(wǎng)站都是通過 HTTP 協(xié)議來傳輸 Web 頁面、以及 Web 頁面上包含的各種東東（圖片、CSS 樣式、JS 腳本）。
2. “SSL/TLS”是干嘛用滴？
SSL 是洋文“Secure Sockets Layer”的縮寫，中文叫做“安全套接層”。它是在上世紀(jì)90年代中期，由網(wǎng)景公司設(shè)計(jì)的。（順便插一句，網(wǎng)景公司不光發(fā)明了 SSL，還發(fā)明了很多 Web 的基礎(chǔ)設(shè)施——比如“CSS 樣式表”和“JS 腳本”） 為啥要發(fā)明 SSL 這個(gè)協(xié)議捏？因?yàn)樵然ヂ?lián)網(wǎng)上使用的 HTTP 協(xié)議是明文的，存在很多缺點(diǎn)——比如傳輸內(nèi)容會(huì)被偷窺（嗅探）和篡改。發(fā)明 SSL 協(xié)議，就是為了解決這些問題。 到了1999年，SSL 因?yàn)閼?yīng)用廣泛，已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)上的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。IETF 就在那年把 SSL 標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化之后的名稱改為 TLS（是“Transport Layer Security”的縮寫），中文叫做“傳輸層安全協(xié)議”。 很多相關(guān)的文章都把這兩者并列稱呼（SSL/TLS），因?yàn)檫@兩者可以視作同一個(gè)東西的不同階段。
3. “HTTPS”是啥意思？
解釋完 HTTP 和 SSL/TLS，現(xiàn)在就可以來解釋 HTTPS 啦。咱們通常所說的 HTTPS 協(xié)議，說白了就是“HTTP 協(xié)議”和“SSL/TLS 協(xié)議”的組合。你可以把 HTTPS 大致理解為——“HTTP over SSL”或“HTTP over TLS”（反正 SSL 和 TLS 差不多）。
再來說說 HTTP 協(xié)議的特點(diǎn)
作為背景知識(shí)介紹，還需要再稍微談一下 HTTP 協(xié)議本身的特點(diǎn)。HTTP 本身有很多特點(diǎn)，考慮到篇幅有限，俺只談那些和 HTTPS 相關(guān)的特點(diǎn)。
1. HTTP 的版本和歷史
如今咱們用的 HTTP 協(xié)議，版本號(hào)是 1.1（也就是 HTTP 1.1）。這個(gè) 1.1 版本是1995年底開始起草的（技術(shù)文檔是 RFC2068），并在1999年正式發(fā)布（技術(shù)文檔是 RFC2616）。 在 1.1 之前，還有曾經(jīng)出現(xiàn)過兩個(gè)版本“0.9 和 1.0”，其中的 HTTP 0.9 【沒有】被廣泛使用，而 HTTP 1.0 被廣泛使用過。 另外，據(jù)說明年（2015）IETF 就要發(fā)布 HTTP 2.0 的標(biāo)準(zhǔn)了。俺拭目以待。
2. HTTP 和 TCP 之間的關(guān)系
簡(jiǎn)單地說，TCP 協(xié)議是 HTTP 協(xié)議的基石——HTTP 協(xié)議需要依靠 TCP 協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。
在網(wǎng)絡(luò)分層模型中，TCP 被稱為“傳輸層協(xié)議”，而 HTTP 被稱為“應(yīng)用層協(xié)議”。
有很多常見的應(yīng)用層協(xié)議是以 TCP 為基礎(chǔ)的，比如“FTP、SMTP、POP、IMAP”等。 TCP 被稱為“面向連接”的傳輸層協(xié)議。關(guān)于它的具體細(xì)節(jié)，俺就不展開了（否則篇幅又失控了）。你只需知道：傳輸層主要有兩個(gè)協(xié)議，分別是 TCP 和 UDP。TCP 比 UDP 更可靠。你可以把 TCP 協(xié)議想象成某個(gè)水管，發(fā)送端這頭進(jìn)水，接收端那頭就出水。并且 TCP 協(xié)議能夠確保，先發(fā)送的數(shù)據(jù)先到達(dá)（與之相反，UDP 不保證這點(diǎn)）。
3. HTTP 協(xié)議如何使用 TCP 連接？
HTTP 對(duì) TCP 連接的使用，分為兩種方式：俗稱“短連接”和“長(zhǎng)連接”（“長(zhǎng)連接”又稱“持久連接”，洋文叫做“Keep-Alive”或“Persistent Connection”） 假設(shè)有一個(gè)網(wǎng)頁，里面包含好多圖片，還包含好多【外部的】CSS 文件和 JS 文件。在“短連接”的模式下，瀏覽器會(huì)先發(fā)起一個(gè) TCP 連接，拿到該網(wǎng)頁的 HTML 源代碼（拿到 HTML 之后，這個(gè) TCP 連接就關(guān)閉了）。然后，瀏覽器開始分析這個(gè)網(wǎng)頁的源碼，知道這個(gè)頁面包含很多外部資源（圖片、CSS、JS）。然后針對(duì)【每一個(gè)】外部資源，再分別發(fā)起一個(gè)個(gè) TCP 連接，把這些文件獲取到本地（同樣的，每抓取一個(gè)外部資源后，相應(yīng)的 TCP 就斷開） 相反，如果是“長(zhǎng)連接”的方式，瀏覽器也會(huì)先發(fā)起一個(gè) TCP 連接去抓取頁面。但是抓取頁面之后，該 TCP 連接并不會(huì)立即關(guān)閉，而是暫時(shí)先保持著（所謂的“Keep-Alive”）。然后瀏覽器分析 HTML 源碼之后，發(fā)現(xiàn)有很多外部資源，就用剛才那個(gè) TCP 連接去抓取此頁面的外部資源。
在 HTTP 1.0 版本，【默認(rèn)】使用的是“短連接”（那時(shí)候是 Web 誕生初期，網(wǎng)頁相對(duì)簡(jiǎn)單，“短連接”的問題不大）； 到了1995年底開始制定 HTTP 1.1 草案的時(shí)候，網(wǎng)頁已經(jīng)開始變得復(fù)雜（網(wǎng)頁內(nèi)的圖片、腳本越來越多了）。這時(shí)候再用短連接的方式，效率太低下了（因?yàn)榻?TCP 連接是有“時(shí)間成本”和“CPU 成本”滴）。所以，在 HTTP 1.1 中，【默認(rèn)】采用的是“Keep-Alive”的方式。 關(guān)于“Keep-Alive”的更多介紹，可以參見維基百科詞條（在“這里”）
談?wù)劇皩?duì)稱加密”和“非對(duì)稱加密”的概念
1. 啥是“加密”和“解密”？
通俗而言，你可以把“加密”和“解密”理解為某種【互逆的】數(shù)學(xué)運(yùn)算。就好比“加法和減法”互為逆運(yùn)算、“乘法和除法”互為逆運(yùn)算。 “加密”的過程，就是把“明文”變成“密文”的過程；反之，“解密”的過程，就是把“密文”變?yōu)椤懊魑摹?。在這兩個(gè)過程中，都需要一個(gè)關(guān)鍵的東東——叫做“密鑰”——來參與數(shù)學(xué)運(yùn)算。
2. 啥是“對(duì)稱加密”？
所謂的“對(duì)稱加密技術(shù)”，意思就是說：“加密”和“解密”使用【相同的】密鑰。這個(gè)比較好理解。就好比你用 7zip 或 WinRAR 創(chuàng)建一個(gè)帶密碼（口令）的加密壓縮包。當(dāng)你下次要把這個(gè)壓縮文件解開的時(shí)候，你需要輸入【同樣的】密碼。在這個(gè)例子中，密碼/口令就如同剛才說的“密鑰”。
3. 啥是“非對(duì)稱加密”？
所謂的“非對(duì)稱加密技術(shù)”，意思就是說：“加密”和“解密”使用【不同的】密鑰。這玩意兒比較難理解，也比較難想到。當(dāng)年“非對(duì)稱加密”的發(fā)明，還被譽(yù)為“密碼學(xué)”歷史上的一次革命。 由于篇幅有限，對(duì)“非對(duì)稱加密”這個(gè)話題，俺就不展開了。有空的話，再單獨(dú)寫一篇掃盲。
4. 各自有啥優(yōu)缺點(diǎn)？
看完剛才的定義，很顯然：（從功能角度而言）“非對(duì)稱加密”能干的事情比“對(duì)稱加密”要多。這是“非對(duì)稱加密”的優(yōu)點(diǎn)。但是“非對(duì)稱加密”的實(shí)現(xiàn)，通常需要涉及到“復(fù)雜數(shù)學(xué)問題”。所以，“非對(duì)稱加密”的性能通常要差很多（相對(duì)于“對(duì)稱加密”而言）。 這兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，也影響到了 SSL 協(xié)議的設(shè)計(jì)。
CA 證書的原理及用途
關(guān)于這方面，請(qǐng)看俺4年前寫的《數(shù)字證書及CA的掃盲介紹》。這里就不再重復(fù)嘮叨了，免得篇幅太長(zhǎng)。
HTTPS 協(xié)議的需求是啥？
花了好多口水，終于把背景知識(shí)說完了。下面正式進(jìn)入正題。先來說說當(dāng)初設(shè)計(jì) HTTPS 是為了滿足哪些需求？ 很多介紹 HTTPS 的文章一上來就給你講實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。個(gè)人覺得：這是不好的做法。早在2009年開博的時(shí)候，發(fā)過一篇《學(xué)習(xí)技術(shù)的三部曲：WHAT、HOW、WHY》，其中談到“WHY 型問題”的重要性。一上來就給你講協(xié)議細(xì)節(jié)，你充其量只能知道 WHAT 和 HOW，無法理解 WHY。俺在前一個(gè)章節(jié)講了“背景知識(shí)”，在這個(gè)章節(jié)講了“需求”，這就有助于你理解：當(dāng)初
為什么
要設(shè)計(jì)成這樣？——這就是 WHY 型的問題。
兼容性
因?yàn)槭窍扔?HTTP 再有 HTTPS。所以，HTTPS 的設(shè)計(jì)者肯定要考慮到對(duì)原有 HTTP 的兼容性。 這里所說的兼容性包括很多方面。比如已有的 Web 應(yīng)用要盡可能無縫地遷移到 HTTPS；比如對(duì)瀏覽器廠商而言，改動(dòng)要盡可能??；…… 基于“兼容性”方面的考慮，很容易得出如下幾個(gè)結(jié)論： 1. HTTPS 還是要基于 TCP 來傳輸 （如果改為 UDP 作傳輸層，無論是 Web 服務(wù)端還是瀏覽器客戶端，都要大改，動(dòng)靜太大了） 2. 單獨(dú)使用一個(gè)新的協(xié)議，把 HTTP 協(xié)議包裹起來 （所謂的“HTTP over SSL”，實(shí)際上是在原有的 HTTP 數(shù)據(jù)外面加了一層 SSL 的封裝。HTTP 協(xié)議原有的 GET、POST 之類的機(jī)制，基本上原封不動(dòng)）
打個(gè)比方：如果原來的 HTTP 是塑料水管，容易被戳破；那么如今新設(shè)計(jì)的 HTTPS 就像是在原有的塑料水管之外，再包一層金屬水管。一來，原有的塑料水管照樣運(yùn)行；二來，用金屬加固了之后，不容易被戳破。
可擴(kuò)展性
前面說了，HTTPS 相當(dāng)于是“HTTP over SSL”。 如果 SSL 這個(gè)協(xié)議在“可擴(kuò)展性”方面的設(shè)計(jì)足夠牛逼，那么它除了能跟 HTTP 搭配，還能夠跟其它的應(yīng)用層協(xié)議搭配。豈不美哉？ 現(xiàn)在看來，當(dāng)初設(shè)計(jì) SSL 的人確實(shí)比較牛。如今的 SSL/TLS 可以跟很多常用的應(yīng)用層協(xié)議（比如：FTP、SMTP、POP、Telnet）搭配，來強(qiáng)化這些應(yīng)用層協(xié)議的安全性。
接著剛才打的比方：如果把 SSL/TLS 視作一根用來加固的金屬管，它不僅可以用來加固輸水的管道，還可以用來加固輸煤氣的管道。
保密性（防泄密）
HTTPS 需要做到足夠好的保密性。 說到保密性，首先要能夠?qū)剐崽剑ㄐ性捊?Sniffer）。所謂的“嗅探”，通俗而言就是監(jiān)視你的網(wǎng)絡(luò)傳輸流量。如果你使用明文的 HTTP 上網(wǎng)，那么監(jiān)視者通過嗅探，就知道你在訪問哪些網(wǎng)站的哪些頁面。 嗅探是最低級(jí)的攻擊手法。除了嗅探，HTTPS 還需要能對(duì)抗其它一些稍微高級(jí)的攻擊手法——比如“重放攻擊”（后面講協(xié)議原理的時(shí)候，會(huì)再聊）。
完整性（防篡改）
除了“保密性”，還有一個(gè)同樣重要的目標(biāo)是“確保完整性”。關(guān)于“完整性”這個(gè)概念，在之前的博文《掃盲文件完整性校驗(yàn)——關(guān)于散列值和數(shù)字簽名》中大致提過。健忘的同學(xué)再去溫習(xí)一下。 在發(fā)明 HTTPS 之前，由于 HTTP 是明文的，不但容易被嗅探，還容易被篡改。 舉個(gè)例子： 比如咱們天朝的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（ISP）都比較流氓，經(jīng)常有網(wǎng)友抱怨說訪問某網(wǎng)站（本來是沒有廣告的），竟然會(huì)跳出很多中國(guó)電信的廣告。為啥會(huì)這樣捏？因?yàn)槟愕木W(wǎng)絡(luò)流量需要經(jīng)過 ISP 的線路才能到達(dá)公網(wǎng)。如果你使用的是明文的 HTTP，ISP 很容易就可以在你訪問的頁面中植入廣告。 所以，當(dāng)初設(shè)計(jì) HTTPS 的時(shí)候，還有一個(gè)需求是“確保 HTTP 協(xié)議的內(nèi)容不被篡改”。
真實(shí)性（防假冒）
在談到 HTTPS 的需求時(shí)，“真實(shí)性”經(jīng)常被忽略。其實(shí)“真實(shí)性”的重要程度不亞于前面的“保密性”和“完整性”。 舉個(gè)例子： 你因?yàn)槭褂镁W(wǎng)銀，需要訪問該網(wǎng)銀的 Web 站點(diǎn)。那么，你如何確保你訪問的網(wǎng)站確實(shí)是你想訪問的網(wǎng)站？（這話有點(diǎn)繞口令） 有些天真的同學(xué)會(huì)說：通過看網(wǎng)址里面的域名，來確保。為啥說這樣的同學(xué)是“天真的”？因?yàn)?DNS 系統(tǒng)本身是不可靠的（尤其是在設(shè)計(jì) SSL 的那個(gè)年代，連 DNSSEC 都還沒發(fā)明）。由于 DNS 的不可靠（存在“域名欺騙”和“域名劫持”），你看到的網(wǎng)址里面的域名【未必】是真實(shí)滴！ （不了解“域名欺騙”和“域名劫持”的同學(xué)，可以參見俺之前寫的《掃盲 DNS 原理，兼談“域名劫持”和“域名欺騙/域名污染”》） 所以，HTTPS 協(xié)議必須有某種機(jī)制來確保“真實(shí)性”的需求（至于如何確保，后面會(huì)細(xì)聊）。
性能
再來說最后一個(gè)需求——性能。 引入 HTTPS 之后，【不能】導(dǎo)致性能變得太差。否則的話，誰還愿意用？ 為了確保性能，SSL 的設(shè)計(jì)者至少要考慮如下幾點(diǎn)： 1. 如何選擇加密算法（“對(duì)稱”or“非對(duì)稱”）？ 2. 如何兼顧 HTTP 采用的“短連接”TCP 方式？ （SSL 是在1995年之前開始設(shè)計(jì)的，那時(shí)候的 HTTP 版本還是 1.0，默認(rèn)使用的是“短連接”的 TCP 方式——默認(rèn)不啟用 Keep-Alive）
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