一次安全可靠的通信

摘抄自——拉风的博客——一次安全可靠的通信

公众号文章一直被运营商各种挟持插广告，今年逐步都切换成 HTTPS，前两周再重新梳理了一些 HTTPS 细节，趁有空整理成文章做个分享。

Alice 与 Bob 的通信

我们以 Alice 与 Bob 一次通信来贯穿全文，一开始他们都是用铭文的形式在网络传输通信内容。

嗅探以及篡改

如果在他们的通信链路出现了一个 Hacker，由于通信内容都是明文可见，所以 Hacker 可以嗅探看到这些内容，也可以篡改这些内容。

公众号的文章之前就遇到很多被挟持篡改了内容，插入广告。

加密解密

既然铭文有问题，那就需要对明文进行加密处理，让中间人看不懂内容，于是乎要对原来的内容变成一段看不懂的内容，称为加密，反之则是解密。而本质其实就是一种数学运算的逆运算，类似加法减法，例如发送方可以将 abcd…xyz每个字母+1映射成 bcde…yza，使得原文字母变成看不懂的序列，而接收方只需要将每个字母-1就可以恢复成原来的序列，当然这种做法规律太容易被破解了，后边会有案例示意图：

对称加密

如果对两个二进制数 A 和 B 进行异或运算得到结果 C，那 C 和 B 再异或运算一次就会回到 A，所以异或也可以作为加密解密的运算。

把操作数 A 作为明文，操作数 B 作为秘钥，结果 C 作为密文。可以看到加密解密运用同一个秘钥 B，把这种加密解密都用同一个秘钥的方式叫做对称加密。

可以看到简单的额异或加密/解密操作，需要秘钥跟明文位数相同。为了克服这个确定，需要改进一下，把明文进行分组，每组长度跟秘钥一致，分别做异或操作就可以得到密文分片，再合并到一起就得到密文了。

但是这种简单分组的模式也是很容易发现规律，可以从下图看到，中间采用队员图进行 DES 的 ECB 模式加密（就是上边提到的简单分组的模式）

很显然，原图一些特征在加密后还是暴露无遗，因此需要再改进一把。一般的思路就是讲上次分组运算的结果/中间结果参与到下次分组的运算中去，是的更随机混乱，更难破解。一下图片来自维基百科：

经过改良后，Alice 与 Bob 如果能提前拿到一个对称加密的秘钥，他们就可以通过加密明文来保证他们的说话内容不会被 Hacker 看到了。

非对称加密

刚刚还引发另一个问题，这个对称加密用到的秘钥如何互相告知呢？如果在传输真正的数据之前，先把密钥传过去，那 Hacker 还是能嗅探到，那之后就了无秘密了。于是乎出现另外一种手段：

这就是非对称加密，任何人都可以通过拿到 Bob 公开的公钥对内容进行加密，然后只有 Bob 自己私有的钥匙才能解密还原出原来内容。

RSA 就是这样一个算法，具体数学证明利用了大质数乘法难以分解、费马小定理等数学理论支撑它难以破解。相对于前面的对称加密来说，其需要做乘法模除等操作，性能效率比对称加密差很多。

由于非对称加密的性能低，因此我们用它来先协商对称加密的秘钥即可，后续真正通信的内容还是用对称加密的手段，提高整体的性能。如果机器上安装了 OpenSSL，可以通过以下两个命令对比 RSA 和 AES 的速度比较： openssl speed rsa; openssl speed aes;

认证

上边虽然解决了密钥配送的问题，但是中间人还是可以欺骗双方，只要在 Alice 向 Bob 要公钥的时候，Hacker 把自己的公钥给了 Alice，而 Alice 是不知道这个事情的，以为一直都是 Bob 跟她在通信。

那怎么证明现在传过来的公钥就是 Bob 给的呢？在危险的网络环境下，还是没有解决这个问题。

一般我们现实生活中是怎么证明 Bob 就是 Bob 呢？一般都是政府给我们每个人发一个身份证（假设身份证没法伪造），我只要看到 Bob 身份证，就证明 Bob 就是 Bob。
网络也可以这么做，如果有个大家都信任的组织 CA 给每个人出证明，那 Alice 只要拿到这个证明，检查一下是不是 CA 制作的 Bob 证书就可以证明 Bob 是 Bob。所以这个证书里面需要有两个重要的东西：Bob 的公钥+CA 做的数字签名。

前面说到用公钥加密，只有拥有私钥的人才能解密。数字证书有点反过来：用私钥进行加密，用公钥进行解密。CA 用自己的私钥对 Bob 的信息（包含 Bob 公钥）进行加密，由于 Alice 无条件信任 CA，所以已经提前知道 CA 的公钥，当她收到 Bob 证书的时候，只要用 CA 的公钥对 Bob 证书内容进行解密，发现能否成功解开（还需要校验完整性），此时说明 Bob 就是 Bob，那之后用证书里面的 Bob 公钥来走之前的流程，就解决了中间人欺骗这个问题了。
这种方式也是一种防抵赖的方式，让对方把消息做成一个数字签名，只要我收到信息，用对方的公钥成功解开校验这个签名，说明这个消息必然是对方发给我的，对方不可以抵赖这个行为，因为只有他才拥有做数字签名的私钥。

CA 其实是有多级关系，顶层有个根 CA，只要他信任 B，B 信任 C，C信任D，那我们基本就可以认为 D 是可信的。

完整性

上面基本上已经解决了保密性和认证，还有一个完整性没有保障。虽然 Hacker 还是看不懂内容，但是 Hacker 可以随便篡改通信内容的几个 bit 位，此时 Bob 解密看到的可能是很乱的内容，但是他也不知道这个究竟是 Alice 真是发的内容，还是被别人投投改了的内容。

单项 hash 函数可以把输入变成一个定长的输出串，其特点就是无法从这个输出还原回输入内容，并且不同的输入几乎不可能产生相同的诶输出，即使你要特意去找也很难找到这样的输入（抗碰撞性），因此 Alice 只要将明文内容做一个 Hash 运算得到一个 Hash 值，并一起加密传递过去给 Bob。Hacker 即便篡改了内容，Bob 解密之后发现拿到的内容以及对应计算出来的 Hash 值与传递过来的不一致，说明这个包的完整性被破坏了。

一次安全可靠的通信

总结一下，安全可靠的保障：
1. 对称加密以及非对称加密来解决：保密性
2. 数字签名：认证、不可抵赖
3. 单项 Hash 算法：完整性

HTTPS 的原理就是这样，真正交换应用数据之前，所协商的信息的过程称为 ssl 握手，可以用此命令：curl -c “TCP connect time: %{time_connect}, SSL connect time: %{time_appconnect}\n” -so /dev/null https://mp.weixin.qq.com; 来对比 tcp 连接时间跟 ssl 连接时间，可以看出，为了安全会带来额外的性能消耗。

来一张完整的图：