全面了解HTTP和HTTPS

作者：左大人

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序言

Http和Https屬於計算機網路範疇，但作為開發人員，不管是後台開發或是前台開發，都很有必要掌握它們。

在學習Http和Https的過程中，主要是參考了阮一峰老師的博客《阮一峰：HTTP 協議入門》，講的很全面，並且通俗易懂，有興趣的同學可以去學習學習。

這篇文章主要是按照自己的思路來講解對Http和Https的理解。文章將會從以下幾個方面介紹。

目錄樹：

一、網路層結構

二、Http協議

三、Tcp三次握手

四、Https協議/SSL協議

五、SSL證書

六、RSA加密和DH加密

七、Http和Https對比

從目錄結構可以看出，每個標題展開來說都是一個很大的主題。但本文旨在讓各位同學對Http和Https相關知識有一個全面的認知，不會太過深入探討各個主題，有興趣的同學可以進行針對性研究。

一、網路層結構

網路結構有兩種主流的分層方式：OSI七層模型和TCP/IP四層模型。

OSI七層模型和TCP/IP四層模型

OSI是指Open System Interconnect，意為開放式系統互聯。

TCP/IP是指傳輸控制協議/網間協議，是目前世界上應用最廣的協議。

兩種模型區別

1、OSI採用七層模型，TCP/IP是四層模型

2、TCP/IP網路介面層沒有真正的定義，只是概念性的描述。OSI把它分為2層，每一層功能詳盡。

3、在協議開發之前，就有了OSI模型，所以OSI模型具有共通性，而TCP/IP是基於協議建立的模型，不適用於非TCP/IP的網路。

4、實際應用中，OSI模型是理論上的模型，沒有成熟的產品；而TCP/IP已經成為國際標準。

二、HTTP協議

Http是基於TCP/IP協議的應用程序協議，不包括數據包的傳輸，主要規定了客戶端和伺服器的通信格式，默認使用80埠。

Http協議的發展歷史

1、1991年發布Http/0.9版本，只有Get命令，且服務端直返HTML格式字元串，伺服器響應完畢就關閉TCP連接。

2、1996年發布Http/1.0版本，優點：可以發送任何格式內容，包括文字、圖像、視頻、二進位。也豐富了命令Get，Post，Head。請求和響應的格式加入頭信息。缺點：每個TCP連接只能發送一個請求，而新建TCP連接的成本很高，導致Http/1.0新能很差。

3、1997發布Http/1.1版本，完善了Http協議，直至20年後的今天仍是最流行的版本。

優點：a. 引入持久連接，TCP默認不關閉，可被多個請求復用，對於一個域名，多數瀏覽器允許同時建立6個持久連接。b. 引入管道機制，即在同一個TCP連接中，可以同時發送多個請求，不過伺服器還是按順序響應。c. 在頭部加入Content-Length欄位，一個TCP可以同時傳送多個響應，所以就需要該欄位來區分哪些內容屬於哪個響應。d. 分塊傳輸編碼，對於耗時的動態操作，用流模式取代緩存模式，即產生一塊數據，就發送一塊數據。e. 增加了許多命令，頭信息增加Host來指定伺服器域名，可以訪問一台伺服器上的不同網站。

缺點：TCP連接中的響應有順序，伺服器處理完一個回應才能處理下一個回應，如果某個回應特別慢，後面的請求就會排隊等著（對頭堵塞）。

4、2015年發布Http/2版本，它有幾個特性：二進位協議、多工、數據流、頭信息壓縮、伺服器推送。

Http請求和響應格式

Request格式：

Response格式：

說明一下請求頭和響應頭的部分欄位：

Host：指定伺服器域名，可用來區分訪問一個伺服器上的不同服務

Connection：keep-alive表示要求伺服器不要關閉TCP連接，close表示明確要求關閉連接，默認值是keep-alive

Accept-Encoding：說明自己可以接收的壓縮方式

User-Agent：用戶代理，是伺服器能識別客戶端的操作系統（Android、IOS、WEB）及相關的信息。作用是幫助伺服器區分客戶端，並且針對不同客戶端讓用戶看到不同數據，做不同操作。

Content-Type：伺服器告訴客戶端數據的格式，常見的值有text/plain，image/jpeg，image/png，video/mp4，application/json，application/zip。這些數據類型總稱為MIME TYPE。

Content-Encoding：伺服器數據壓縮方式

Transfer-Encoding：chunked表示採用分塊傳輸編碼，有該欄位則無需使用Content-Length欄位。

Content-Length：聲明數據的長度，請求和回應頭部都可以使用該欄位。

三、Tcp三次握手

Http和Https協議請求時都會通過Tcp三次握手建立Tcp連接。

那麼，三次握手是指什麼呢？

那麼，為什麼一定要三次握手呢，一次可以嗎？兩次可以嗎？

帶著這些問題，我們來分析一下為什麼必須是三次握手。

1、第一次握手，A向B發送信息後，B收到信息。B可確認A的發信能力和B的收信能力

2、第二次握手，B向A發消息，A收到消息。A可確認A的發信能力和收信能力，A也可確認B的收信能力和發信能力

3、第三次握手，A向B發送消息，B接收到消息。B可確認A的收信能力和B的發信能力

通過三次握手，A和B都能確認自己和對方的收發信能力，相當於建立了互相的信任，就可以開始通信了。

下面，我們介紹一下三次握手具體發送的內容，用一張圖描述如下：

首先，介紹一下幾個概念：

ACK：響應標識，1表示響應，連接建立成功之後，所有報文段ACK的值都為1

SYN：連接標識，1表示建立連接，連接請求和連接接受報文段SYN=1，其他情況都是0

FIN：關閉連接標識，1標識關閉連接，關閉請求和關閉接受報文段FIN=1，其他情況都是0，跟SYN類似

seq number：序號，一個隨機數X，請求報文段中會有該欄位，響應報文段沒有

ack number：應答號，值為請求seq 1，即X 1，除了連接請求和連接接受響應報文段沒有該欄位，其他的報文段都有該欄位

知道了上面幾個概念後，看一下三次握手的具體流程：

1、第一次握手：建立連接請求。客戶端發送連接請求報文段，將SYN置為1，seq為隨機數x。然後，客戶端進入SYN_SEND狀態，等待伺服器確認。

2、第二次握手：確認連接請求。伺服器收到客戶端的SYN報文段，需要對該請求進行確認，設置ack=x 1（即客戶端seq 1）。同時自己也要發送SYN請求信息，即SYN置為1，seq=y。伺服器將SYN和ACK信息放在一個報文段中，一併發送給客戶端，伺服器進入SYN_RECV狀態。

3、第三次握手：客戶端收到SYN ACK報文段，將ack設置為y 1，向伺服器發送ACK報文段，這個報文段發送完畢，客戶端和服務券進入ESTABLISHED狀態，完成Tcp三次握手。

從圖中可以看出，建立連接經歷了三次握手，當數據傳輸完畢，需要斷開連接，而斷開連接經歷了四次揮手：

1、第一次揮手：主機1（可以是客戶端或伺服器），設置seq和ack向主機2發送一個FIN報文段，此時主機1進入FIN_WAIT_1狀態，表示沒有數據要發送給主機2了

2、第二次揮手：主機2收到主機1的FIN報文段，向主機1回應一個ACK報文段，表示同意關閉請求，主機1進入FIN_WAIT_2狀態。

3、第三次揮手：主機2向主機1發送FIN報文段，請求關閉連接，主機2進入LAST_ACK狀態。

4、第四次揮手：主機1收到主機2的FIN報文段，想主機2回應ACK報文段，然後主機1進入TIME_WAIT狀態；主機2收到主機1的ACK報文段後，關閉連接。此時主機1等待主機2一段時間後，沒有收到回復，證明主機2已經正常關閉，主機1頁關閉連接。

下面是Tcp報文段首部格式圖，對於理解Tcp協議很重要：

四、Https協議/SSL協議

Https協議是以安全為目標的Http通道，簡單來說就是Http的安全版。主要是在Http下加入SSL層（現在主流的是SLL/TLS），SSL是Https協議的安全基礎。Https默認埠號為443。

前面介紹了Http協議，各位同學能說出Http存在的風險嗎？

1、竊聽風險：Http採用明文傳輸數據，第三方可以獲知通信內容

2、篡改風險：第三方可以修改通信內容

3、冒充風險：第三方可以冒充他人身份進行通信

SSL/TLS協議就是為了解決這些風險而設計，希望達到：

1、所有信息加密傳輸，三方竊聽通信內容

2、具有校驗機制，內容一旦被篡改，通信雙發立刻會發現

3、配備身份證書，防止身份被冒充

下面主要介紹SSL/TLS協議。

SSL發展史（互聯網加密通信）

1、1994年NetSpace公司設計SSL協議（Secure Sockets Layout）1.0版本，但未發布。

2、1995年NetSpace發布SSL/2.0版本，很快發現有嚴重漏洞

3、1996年發布SSL/3.0版本，得到大規模應用

4、1999年，發布了SSL升級版TLS/1.0版本，目前應用最廣泛的版本

5、2006年和2008年，發布了TLS/1.1版本和TLS/1.2版本

SSL原理及運行過程

SSL/TLS協議基本思路是採用公鑰加密法（最有名的是RSA加密演算法）。大概流程是，客戶端向伺服器索要公鑰，然後用公鑰加密信息，伺服器收到密文，用自己的私鑰解密。

為了防止公鑰被篡改，把公鑰放在數字證書中，證書可信則公鑰可信。公鑰加密計算量很大，為了提高效率，服務端和客戶端都生成對話秘鑰，用它加密信息，而對話秘鑰是對稱加密，速度非常快。而公鑰用來機密對話秘鑰。

下面用一張圖表示SSL加密傳輸過程：

詳細介紹一下圖中過程：

1、客戶端給出協議版本號、一個客戶端隨機數A（Client random）以及客戶端支持的加密方式

2、服務端確認雙方使用的加密方式，並給出數字證書、一個伺服器生成的隨機數B（Server random）

3、客戶端確認數字證書有效，生成一個新的隨機數C（Pre-master-secret），使用證書中的公鑰對C加密，發送給服務端

4、服務端使用自己的私鑰解密出C

5、客戶端和伺服器根據約定的加密方法，使用三個隨機數ABC，生成對話秘鑰，之後的通信都用這個對話秘鑰進行加密。

SSL證書

上面提到了，Https協議中需要使用到SSL證書。

SSL證書是一個二進位文件，裡面包含經過認證的網站公鑰和一些元數據，需要從經銷商購買。

證書有很多類型，按認證級別分類：

域名認證（DV=Domain Validation）：最低級別的認證，可以確認申請人擁有這個域名

公司認證（OV=Organization Validation）：確認域名所有人是哪家公司，證書裡面包含公司的信息

擴展認證（EV=Extended Validation）：最高級別認證，瀏覽器地址欄會顯示公司名稱。

EV證書瀏覽器地址欄樣式：

OV證書瀏覽器地址欄樣式：

DV證書瀏覽器樣式：

按覆蓋範圍分類：

認證級別越高，覆蓋範圍越廣的證書，價格越貴。也有免費的證書，為了推廣Https，電子前哨基金會成立了Let"s Encrypt提供免費證書。

https://letsencrypt.org/

證書的經銷商也很多，知名度比較高的有亞洲誠信(Trust Asia)。

五、RSA加密和DH加密

加密演算法分類

加密演算法分為對稱加密、非對稱加密和Hash加密演算法。

對稱加密：甲方和乙方使用同一種加密規則對信息加解密

非對稱加密：乙方生成兩把秘鑰（公鑰和私鑰）。公鑰是公開的，任何人都可以獲取，私鑰是保密的，只存在於乙方手中。甲方獲取公鑰，然後用公鑰加密信息，乙方得到密文後，用私鑰解密。

Hash加密：Hash演算法是一種單向密碼體制，即只有加密過程，沒有解密過程

對稱加密演算法加解密效率高，速度快，適合大數據量加解密。常見的堆成加密演算法有DES、AES、RC5、Blowfish、IDEA

非對稱加密演算法複雜，加解密速度慢，但安全性高，一般與對稱加密結合使用（對稱加密通信內容，非對稱加密對稱秘鑰）。

常見的非對稱加密演算法有RSA、DH、DSA、ECC

Hash演算法特性是：輸入值一樣，經過哈希函數得到相同的散列值，但並非散列值相同則輸入值也相同。常見的Hash加密演算法有MD5、SHA-1、SHA-X系列

下面著重介紹一下RSA演算法和DH演算法。

RSA加密演算法

Https協議就是使用RSA加密演算法，可以說RSA加密演算法是宇宙中最重要的加密演算法。

RSA演算法用到一些數論知識，包括互質關係，歐拉函數，歐拉定理。此處不具體介紹加密的過程，如果有興趣，可以參照RSA演算法加密過程。

http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/07/rsa_algorithm_part_two.html

RSA演算法的安全保障基於大數分解問題，目前破解過的最大秘鑰是700 位，也就代表1024位秘鑰和2048位秘鑰可以認為絕對安全。

大數分解主要難點在於計算能力，如果未來計算能力有了質的提升，那麼這些秘鑰也是有可能被破解的。

DH加密演算法

DH也是一種非對稱加密演算法，DH加密演算法過程。

https://zh.wikipedia.org/wiki/迪菲-赫爾曼密鑰交換

DH演算法的安全保障是基於離散對數問題。

六、Http協議和Https協議的對比

Http和Https的區別如下：

1、https協議需要到CA申請證書，大多數情況下需要一定費用

2、Http是超文本傳輸協議，信息採用明文傳輸，Https則是具有安全性SSL加密傳輸協議

3、Http和Https埠號不一樣，Http是80埠，Https是443埠

4、Http連接是無狀態的，而Https採用Http SSL構建可進行加密傳輸、身份認證的網路協議，更安全。

5、Http協議建立連接的過程比Https協議快。因為Https除了Tcp三次握手，還要經過SSL握手。連接建立之後數據傳輸速度，二者無明顯區別。

總結

經過了3天的學習和總結，總算完成了這篇文章，本文可以幫助讀者大體上把握Http和Https的知識框架。

並沒有深入探討每個主題的內容，當讀者有了自己知識框架之後，可以自行深入了解每個知識點的內容。

這邊提供一份總結資料：計算機網路相關知識匯總。

https://github.com/JeffyLu/JeffyLu.github.io/issues/22

本文轉載自【黑客技術與網路安全】

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