大型网站的 HTTPS 实践(1):HTTPS 协议和原理 - Belinda

发布时间:2017-1-19 8:17:08 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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1 前言

百度已经于近日上线了全站 HTTPS 的安全搜索,默认会将 HTTP 请求跳转成 HTTPS。本文重点介绍 HTTPS 协议, 并简单介绍部署全站 HTTPS 的意义。

2 HTTPS 协议概述

HTTPS 可以认为是 HTTP + TLS。HTTP 协议大家耳熟能详了,目前大部分 WEB 应用和网站都是使用 HTTP 协议传输的。

TLS 是传输层加密协议,它的前身是 SSL 协议,最早由 netscape 公司于 1995 年发布,1999 年经过 IETF 讨论和规范后,改名为 TLS。如果没有特别说明,SSL 和 TLS 说的都是同一个协议。

HTTP 和 TLS 在协议层的位置以及 TLS 协议的组成如下图:

图 1 TLS 协议格式

TLS 协议主要有五部分:应用数据层协议,握手协议,报警协议,加密消息确认协议,心跳协议。

TLS 协议本身又是由 record 协议传输的,record 协议的格式如上图最右所示。

目前常用的 HTTP 协议是 HTTP1.1,常用的 TLS 协议版本有如下几个:TLS1.2, TLS1.1, TLS1.0 和 SSL3.0。其中 SSL3.0 由于 POODLE 攻击已经被证明不安全,但统计发现依然有不到 1% 的浏览器使用 SSL3.0。TLS1.0 也存在部分安全漏洞,比如 RC4 和 BEAST 攻击。

TLS1.2 和 TLS1.1 暂时没有已知的安全漏洞,比较安全,同时有大量扩展提升速度和性能,推荐大家使用。

需要关注一点的就是 TLS1.3 将会是 TLS 协议一个非常重大的改革。不管是安全性还是用户访问速度都会有质的提升。不过目前没有明确的发布时间。

同时 HTTP2 也已经正式定稿,这个由 SPDY 协议演化而来的协议相比 HTTP1.1 又是一个非常重大的变动,能够明显提升应用层数据的传输效率。

3 HTTPS 功能介绍

百度使用 HTTPS 协议主要是为了保护用户隐私,防止流量劫持。

HTTP 本身是明文传输的,没有经过任何安全处理。例如用户在百度搜索了一个关键字,比如“苹果手机”,中间者完全能够查看到这个信息,并且有可能打电话过来骚扰用户。也有一些用户投诉使用百度时,发现首页或者结果页面浮了一个很长很大的广告,这也肯定是中间者往页面插的广告内容。如果劫持技术比较低劣的话,用户甚至无法访问百度。

这里提到的中间者主要指一些网络节点,是用户数据在浏览器和百度服务器中间传输必须要经过的节点。比如 WIFI 热点,路由器,防火墙,反向代理,缓存服务器等。

在 HTTP 协议下,中间者可以随意嗅探用户搜索内容,窃取隐私甚至篡改网页。不过 HTTPS 是这些劫持行为的克星,能够完全有效地防御。

总体来说,HTTPS 协议提供了三个强大的功能来对抗上述的劫持行为:

1,  内容加密。浏览器到百度服务器的内容都是以加密形式传输,中间者无法直接查看原始内容。

2,  身份认证。保证用户访问的是百度服务,即使被 DNS 劫持到了第三方站点,也会提醒用户没有访问百度服务,有可能被劫持

3,  数据完整性。防止内容被第三方冒充或者篡改。

那 HTTPS 是如何做到上述三点的呢?下面从原理角度介绍一下。

4 HTTPS 原理介绍

4.1 内容加密

加密算法一般分为两种,对称加密和非对称加密。所谓对称加密(也叫密钥加密)就是指加密和解密使用的是相同的密钥。而非对称加密(也叫公钥加密)就是指加密和解密使用了不同的密钥。

pic2

图 2 对称加密

图 3 非对称加密

对称内容加密强度非常高,一般破解不了。但存在一个很大的问题就是无法安全地生成和保管密钥。假如客户端软件和服务器之间每次会话都使用固定的,相同的密钥加密和解密,肯定存在很大的安全隐患。如果有人从客户端端获取到了对称密钥,整个内容就不存在安全性了,而且管理海量的客户端密钥也是一件很复杂的事情。

非对称加密主要用于密钥交换(也叫密钥协商),能够很好地解决这个问题。浏览器和服务器每次新建会话时都使用非对称密钥交换算法协商出对称密钥,使用这些对称密钥完成应用数据的加解密和验证,整个会话过程中的密钥只在内存中生成和保存,而且每个会话的对称密钥都不相同(除非会话复用),中间者无法窃取。

非对称密钥交换很安全,但同时也是 HTTPS 性能和速度严重降低的“罪魁祸首”。想要知道 HTTPS 为什么影响速度,为什么消耗资源,就一定要理解非对称密钥交换的整个过程。

下面重点介绍一下非对称密钥交换的数学原理及在 TLS 握手过程中的应用。

4.1.1 非对称密钥交换

在非对称密钥交换算法出现以前,对称加密一个很大的问题就是不知道如何安全生成和保管密钥。非对称密钥交换过程主要就是为了解决这个问题,使得对称密钥的生成和使用更加安全。

密钥交换算法本身非常复杂,密钥交换过程涉及到随机数生成,模指数运算,空白补齐,加密,签名等操作。

常见的密钥交换算法有 RSA,ECDHE,DH,DHE 等算法。它们的特性如下:

  •  RSA:算法实现简单,诞生于 1977 年,历史悠久,经过了长时间的破解测试,安全性高。缺点就是需要比较大的素数(目前常用的是 2048 位)来保证安全强度,很消耗 CPU 运算资源。RSA 是目前唯一一个既能用于密钥交换又能用于证书签名的算法。
  • DH:diffie-hellman 密钥交换算法,诞生时间比较早(1977 年),但是 1999 年才公开。缺点是比较消耗 CPU 性能。
  • ECDHE:使用椭圆曲线(ECC)的 DH 算法,优点是能用较小的素数(256 位)实现 RSA 相同的安全等级。缺点是算法实现复杂,用于密钥交换的历史不长,没有经过长时间的安全攻击测试。
  •  ECDH:不支持 PFS,安全性低,同时无法实现 false start。
  •  DHE:不支持 ECC。非常消耗 CPU 资源。

建议优先支持 RSA 和 ECDH_RSA 密钥交换算法。原因是:

1,  ECDHE 支持 ECC 加速,计算速度更快。支持 PFS,更加安全。支持 false start,用户访问速度更快。

2,  目前还有至少 20% 以上的客户端不支持 ECDHE,我们推荐使用 RSA 而不是 DH 或者 DHE,因为 DH 系列算法非常消耗 CPU(相当于要做两次 RSA 计算)。

需要注意通常所说的 ECDHE 密钥交换默认都是指 ECDHE_RSA,使用 ECDHE 生成 DH 算法所需的公私钥,然后使用 RSA 算法进行签名最后再计算得出对称密钥。

非对称加密相比对称加密更加安全,但也存在两个明显缺点:

1,  CPU 计算资源消耗非常大。一次完全 TLS 握手,密钥交换时的非对称解密计算量占整个握手过程的 90% 以上。而对称加密的计算量只相当于非对称加密的 0.1%,如果应用层数据也使用非对称加解密,性能开销太大,无法承受。

2,  非对称加密算法对加密内容的长度有限制,不能超过公钥长度。比如现在常用的公钥长度是 2048 位,意味着待加密内容不能超过 256 个字节。

所以公钥加密目前只能用来作密钥交换或者内容签名,不适合用来做应用层传输内容的加解密。

非对称密钥交换算法是整个 HTTPS 得以安全的基石,充分理解非对称密钥交换算法是理解 HTTPS 协议和功能的关键。

下面分别通俗地介绍一下 RSA 和 ECDHE 在密钥交换过程中的应用。

4.1.1.1 RSA 密钥协商

4.1.1.1.1 RSA 算法介绍

RSA 算法的安全性是建立在乘法不可逆或者大数因子很难分解的基础上。RSA 的推导和实现涉及到了欧拉函数和费马定理及模反元素的概念,有兴趣的读者可以自行百度。

RSA 算法是统治世界的最重要算法之一,而且从目前来看,RSA 也是 HTTPS 体系中最重要的算法,没有之一。

RSA 的计算步骤如下:

1,  随机挑选两个质数 p, q,假设 p = 13, q = 19。 n = p * q = 13 * 19 = 247;

2,  ∅(n) 表示与整数 n 互质数的个数。如果 n 等于两个质数的积,则∅(n)=(p-1)(q-1) 挑选一个数 e,满足 1< e <∅(n) 并且 e 与互质,假设 e = 17;

3,  计算 e 关于 n 的模反元素, ed=1 mod ∅(n) , 由 e = 17 ,∅(n) =216  可得 d = 89;

4,  求出了 e,和 d,假设明文 m = 135,密文用 c 表示。那么加解密计算如下:

实际应用中,(n,e) 组成了公钥对,(n,d)组成了私钥对,其中 n 和 d 都是一个接近 22048的大数。即使现在性能很强的 CPU,想要计算 m≡c^d mod(n),也需要消耗比较大的计算资源和时间。

公钥对 (n, e) 一般都注册到了证书里,任何人都能直接查看,比如百度证书的公钥对如下图,其中最末 6 个数字(010001)换算成 10 进制就是 65537,也就是公钥对中的 e。e 取值比较小的好处有两个:

1,  由 c=m^e mod(n) 可知,e 较小,客户端 CPU 计算消耗的资源较少。

2,  加大 server 端的破解难度。e 比较小,私钥对中的 d 必然会非常大。所以 d 的取值空间也就非常大,增加了破解难度。

那为什么 (n,e) 能做为公钥公开,甚至大家都能直接从证书中查看到,这样安全吗?分析如下:

由于 ed≡1 mod ∅(n),知道了 e 和 n,想要求出私钥 d,就必须知道∅(n)。而∅(n)=(p-1)*(q-1),必须计算出 p 和 q 才能确定私钥 d。但是当 n 大到一定程度时(比如接近 2^2048),即使现在最快的 CPU 也无法进行这个因式分解,即无法知道 n 是由哪个数 p 和 q 乘出来的。所以就算知道了公钥,整个加解密过程还是非常安全的。

图 5 百度 HTTPS 证书公钥

4.1.1.1.2 握手过程中的 RSA 密钥协商

介绍完了 RSA 的原理,那最终会话所需要的对称密钥是如何生成的呢?跟 RSA 有什么关系?

以 TLS1.2 为例简单描述一下,省略跟密钥交换无关的握手消息。过程如下:

1,  浏览器发送 client_hello,包含一个随机数 random1。

2,  服务端回复 server_hello,包含一个随机数 random2,同时回复 certificate,携带了证书公钥 P。

3,  浏览器接收到 random2 之后就能够生成 premaster_secrect 以及 master_secrect。其中 premaster_secret 长度为 48 个字节,前 2 个字节是协议版本号,剩下的 46 个字节填充一个随机数。结构如下:

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