前言：全網HTTPS勢在必行
HTTPS（全稱：HyperText Transfer Protocol over Secure Socket Layer），是爲了保證客戶端與服務器之間數據傳輸的安全。 近兩年，Google、Baidu、Facebook 等這樣的互聯網巨頭，不謀而合地開始大力推行 HTTPS， 國內外的大型互聯網公司很多也都已經啓用了全站 HTTPS，這也是未來互聯網發展的趨勢，作爲前端工程師，瞭解HTTPS的原理也是必修課之一。
2019年離全網使用HTTPS已經不遠了，列舉幾個各大互聯網公司爲鼓勵使用HTTPS而提出的要求：
1.Google的搜索引擎算法，讓採用 HTTPS 的網站在搜索中排名更靠前；
2.蘋果要求App Store中的所有應用都必須使用 HTTPS 加密連接；
3.微信小程序也要求必須使用 HTTPS 協議；
4.新一代的 HTTP/2 協議的支持需以 HTTPS 爲基礎；
5.新版本chrome已將HTTP協議網站標記不安全
隱患：爲什麼要給HTTP加S？
HTTP協議從誕生至今已經具有相當優秀和方便的一面，然而HTTP並非只有好的一面，事物皆具兩面性，它的不足之處也是很明顯：
- 通信使用明文傳輸，內容可能會被竊聽
- 不驗證通信方的身份，因此有可能遭遇僞裝
- 無法證明報文的完整性，所以有可能已經遭到篡改
除此之外，HTTP本身還有很多缺點。而且，還有像某些特定的Web服務器和特定的Web瀏覽器在實際應用中存在的不足（也可以說成是脆弱性或安全漏洞），另外，用Java和PHP等編程語言開發的Web應用也可能存在安全漏洞。
1. 通信使用明文可能會被竊聽
由於HTTP本身不具備加密的功能，所以也無法做到對通信整體（使用HTTP協議通信的請求和響應的內容）進行加密。所以，HTTP報文使用明文方式發送。如果要問爲什麼通信時不加密是一個缺點，這是因爲，按TCP/IP協議族的工作機制，通信內容在所有的通信線路上都有可能遭到窺視。
所謂互聯網，是由能連通到全世界的網絡組成，無論世界哪個角落的服務器在和客戶端通信時，在此通信線路上的某些網絡設備、光纜、計算機等都不可能是個人的私有物，所以不排除某個環節中會遭到惡意窺視行爲。
即使已經過加密處理的通信，也會被窺視到通信內容，這點和未加密的通信是相同的。只是說如果通信經過加密，就有可能讓人無法破解報文信息的含義，但加密處理後的報文信息本身還是會被看到。
竊聽相同段上的通信並非難事。只需要收集在互聯網上流動的數據包就行。對於收集來的數據包的解析工作，可以交給那些抓包或嗅探工具。
2. 不驗證通信方的身份就可能遭到僞裝
HTTP協議中的請求和相應不會對通信方進行確認。也就是說存在“服務器是否就是發送請求中URI真正指定的主機，返回的響應是否真的返回到實際提出請求的客戶端”等類似問題。
在HTTP協議通信時，由於不存在確認通信方的處理步驟，任何人都可以發送請求，同時，服務器只要接收到請求，只要發送端的IP地址和端口號沒有被Web服務器設定限制訪問，不管對方是誰都會返回一個響應，因此會存在以下各種隱患：
- 無法確定請求發送至目標的Web服務器是否是按真實意圖返回響應的那臺服務器，有可能是已僞裝的Web服務器。
- 無法確定響應返回到的客戶端是否是按真實意圖接收響應的那個客戶端，有可能是已僞裝的客戶端。
- 無法確定正在通信的對方是否具備訪問權限。因爲某些Web服務器上保存着重要的信息，指向發給特定用戶通信的權限。
- 無法判定請求是來自何方、出自誰手。
- 及時是無意義的請求也會照單全收。無法阻止海量請求下的DoS攻擊（Denial of Service,拒絕服務攻擊）。
3. 無法證明報文的完整性，可能已遭到篡改
所謂完整性是指信息的準確度。若無法證明其完整性，通常也就意味着無法判斷信息是否準確。
因此，在請求或響應送出之後知道對方接收之前的這段時間內，即使請求或相應的內容遭到篡改，也沒有辦法獲悉。
換句話說，沒有任何辦法確認，發出的請求、響應和接收到的請求、響應是前後相同的。文件內容在傳輸中可能已經被村改爲其他內容，像這樣，請求或響應在傳輸途中遭攻擊者攔截並篡改內容的攻擊成爲中間人攻擊（Man-in-the-Middle attack,MITM)。
解決：HTTP + 加密 + 認證 + 完整性保護 = HTTPS
上面提了那麼多HTTP的缺點自然在HTTPS中我們得解決它，下面我們來看看HTTPS是如何保證我們數據傳輸安全的。
1. HTTPS其實是身披SSL外殼的HTTP
HTTPS並非是應用層的一種新協議。知識HTTP通信接口部分用SSL(Secure Socket Layer，安全套階層)和TLS（Transport Layer Security，安全傳輸層協議)協議代替而已。
通常,HTTP直接和TCP通信。當使用SSL時，則變成先和SSL通信，再由SSL和TCP通信了。簡單來說，與SSL組合使用的HTTP被稱爲HTTPS（HTTP Secure,超文本傳輸安全協議）或HTTP over SSL。
採用了SSL後，HTTP就擁有了HTTPS的加密、證書和完整性保護這些功能。SSL是獨立於HTTP的協議，所以不光是HTTP協議，其它運行在應用層的SMTP和Telnet等協議均可配合SSL協議使用。可以說SSL是當今世界上應用最爲廣泛的網絡安全技術。
HTTPS的加密原理
近代的加密算法中加密算法是公開的，而密鑰是保密的。通過這種方式來保持加密方法的安全性。
加密和解密要用到密鑰，如果沒有密鑰就沒有辦法對密碼解密。換句話來說，任何人只要持有密鑰就能夠對密文進行解密。
HTTPS在加密過程中使用了非對稱加密技術和對稱加密技術。
對稱加密算法
採用單鑰密碼系統的加密方式，同一個密鑰可以同時做信息的加密和解密，這種加密的方法稱爲對稱加密，也稱爲單密鑰加密。
下面會把對稱加密算法稱爲共享密鑰加密算法。
假如現在，SSL在通信過程中，使用了對稱加密算法，也就是說客戶端和服務器同時共享一個密鑰。
於是，以共享密鑰的方式加密，必須將密鑰發給對方。這個時候，假如通信過程被監聽，密鑰被攻擊者獲取了，那麼這個時候也就失去了加密的意義了。
那麼，有沒有辦法解決這個問題呢？答案是肯定的，也就是使用兩把密鑰。
下面先看使用兩把密鑰的非對稱加密算法。
非對稱加密算法
與對稱加密算法相反，非對稱加密算法需要兩個密鑰來進行加密和解密，這兩個密鑰是配對的，分別是公開密鑰（公鑰）和私有密鑰（私鑰）。
一般情況下，公鑰是可以被公開的，它主要用來加密明文。而相應的，私鑰不能被公開，用來解密公鑰加密的密文。
值得注意的是：公鑰加密後的密文只能通過對應的私鑰來解密，而私鑰加密的密文卻可以通過對應的公鑰來解密。
以上，公鑰加密私鑰解密用來加密，私鑰加密公鑰解密用來簽名。相關用途後面會講到。
下面會把非對稱加密算法稱爲公開密鑰加密算法。
於是現在，假設現在由服務器來生成一對公鑰和密鑰。
當客戶端第一次發請求和服務器協商的時候，服務器就生成了一對公鑰和私鑰。
緊接着，服務器把公鑰發給客戶端（明文，不需要做任何加密），客戶端接收後，隨機生成一個密鑰，使用服務器發過來的公鑰進行加密。
再接着，客戶端把使用公鑰加密的密鑰發給服務器，服務器接收到了以後，用配對的私鑰進行解密，就得到了客戶端隨機生成的那個密鑰。
這個時候，客戶端和服務端所持的密鑰都是相同的。此時，交換密鑰環節就完成了。
於是通信開始時就可進行上面所述的共享密鑰加密方式來進行加密。
同時使用
可能，有小夥伴就會問，爲什麼要大費周章使用非對稱加密的方式，然後再得到相同的密鑰，進行共享密鑰加密的通信呢？
由於公開密鑰加密處理起來比共享密鑰加密方式更爲複雜，因此在通信的時候使用公開密鑰加密的方式，效率很低。
於是，我們需要使用非對稱加密的方式來保證密鑰共享的過程中密鑰的安全性，而後在通信的過程中使用對稱加密算法，這是最合理的設計方式，在保證安全性的同時又保證了性能。
所以，HTTPS採用共享密鑰加密和公開密鑰加密兩者並用的混合加密機制。在交換密鑰使用環節使用公開密鑰加密方式，之後建立的通信交換報文階段則使用共享密鑰加密方式。
以上，大概就是使用對稱加密和非對稱加密的過程。看似過程很完美，其實還存在着一個問題，就是：如何保證服務器傳過來的公開密鑰的正確性。換句話說，就是保證它不被攔截篡改。
使用證書保證公鑰的正確性
假如現在正準備和某臺服務器建立公開密鑰加密方式下的通信，如何證明客戶端收到的公開密鑰就是原本預想的那臺服務器發行的公開密鑰呢？或許，在公開密鑰傳輸的過程中，真正的公開密鑰可能已經被攻擊者替換掉了。
爲了解決這個問題，可以使用由數字證書機構和其相關頒發的公開密鑰證書。
下面闡述一下數字證書認證機構（簡稱CA）的業務流程：
首先，服務器的運營人員向數字證書機構提出公開密鑰的申請。數字證書認證機構在判明提出申請者的身份之後，會對已申請的公開密鑰做數字簽名，然後分配這個已簽名的公開密鑰，並將該公開密鑰放入公鑰證書後綁定在一起。
我們用白話文來翻譯一下上面這段話：
首先，CA會向申請者頒發一個證書，這個證書裏面的內容有：簽發者、證書用途、服務器申請的時候附帶的公鑰、服務器的加密算法、使用的HASH算法、證書到期的時間等等。
緊接着，把上面所提到的內容，做一次HASH求值，得到一個HASH值。
再接着，用CA的私鑰進行加密，這樣就完成了數字簽名。而用CA的私鑰加密後，就生成了類似人體指紋的簽名，任何篡改證書的嘗試，都會被數字簽名發現。
最後，把數字簽名，附在數字證書的末尾，傳輸回來給服務器。
接下來，服務器會把這份由數字證書認證機構頒發的公鑰證書發給客戶端。這個時候，客戶端可以使用數字證書機構的公開密鑰對其進行驗證。一旦驗證成功，客戶端便能夠確定這個公開密鑰是可信的。
我們再用白話文來翻譯一下：
客戶端拿到這個數字證書以後，用CA私鑰對應的公鑰，可以解密數字證書末尾的數字簽名，得到原始的HASH值。
緊接着，客戶端按照證書中的HASH算法，對證書的內容求HASH值。如果通過CA公鑰解密的HASH和通過計算求得的HASH值相同，那麼認證通過，否則失敗。
如果認證通過，就可以取得服務器的公開密鑰。
那客戶端上面的CA公鑰是從哪裏來的呢？
多數瀏覽器開發商發佈版本時，會事先在內部植入常用認證機關的公開密鑰。這樣，就方便客戶端對於數字證書真實性的驗證。
其具體過程是這樣子的（圖中簡化了數字簽名的過程）：
這裏其實就用到了非對稱加密算法，只不過現在這個加密算法用來簽名而不是加密。
使用私鑰加密，公鑰解密，用於公鑰的持有者驗證通過私鑰加密的內容是否被篡改，但是不用來保證內容是否被他人獲得。
而使用公鑰加密，私鑰解密，則是相反的，它不保證信息被他人截獲篡改，但是保證信息無法被中間人獲得。
客戶端證書
HTTPS中不僅可以使用服務器證書，還可以使用客戶端證書。以客戶端證書進行客戶端認證，它的作用與服務器證書是相同的。
由於客戶端獲取證書需要用戶自行安裝客戶端證書，同時也面臨着費用的問題。
因此，現狀是，安全性極高的認證機構可辦法客戶端證書但是僅用於特殊用途的業務。比如那些可支撐客戶端證書支出費用的業務。
例如，銀行的網上銀行就採用了客戶端證書。在登錄網銀時不僅要求用戶確認輸入ID和密碼，還會要求用戶的客戶端證書，以確認用戶是否從特定的終端訪問網銀。
HTTPS的安全通信機制
爲了更好的理解HTTPS，小肆給大家畫了下圖來一起觀察一下HTTPS的通信步驟：
步驟1：客戶端通過發送Client Hello報文開始SSL通信。報文中包含客戶端支持的SSL的指定版本、加密組件列表（所使用的加密算法及密鑰長度等）。
步驟2：服務器可進行SSL通信時，會以Server Hello報文作爲應答。和客戶端一樣，在報文中包含SSL版本以及加密組件。服務器的加密組件內容是從接收到的客戶端加密組件內篩選出來的。
步驟3：之後服務器發送Certificate報文。報文中包含公開密鑰證書。
步驟4：最後服務器發送Server Hello Done報文通知客戶端，最初階段的SSL握手協商部分結束。
步驟5：SSL第一次握手結束之後，客戶端以Client Key Exchange報文最爲迴應。報文中包含通信加密中使用的一種被稱爲Pre-master secret的隨機密碼串。該報文已用步驟3中的公開密鑰進行加密。
步驟6：接着客戶端繼續發送Change Cipher Spec報文。該報文會提示服務器，在此報文之後的通信會採用Pre-master secret密鑰加密。
步驟7：客戶端發送Finished報文。該報文包含連接至今全部報文的整體效驗值。這次握手協商是否能夠成功，要以服務器是否能夠正確解密該報文作爲判定標準。
步驟8：服務器同樣發送Change Cipher Spec報文。
步驟9：服務器同樣發送Finished報文。
步驟10：服務器和客戶端的Finished報文交換完畢之後，SSL連接就算建立完成，當然，通信會受到SSL的保護。從此處開始進行應用層協議的通信，即發送HTTP請求。
步驟11：應用層協議通信，即發送HTTP響應。
步驟12：最後由客戶端斷開連接。斷開連接時，發送close_notify報文。上圖做了一些省略，這步之後再發送TCP FIN報文來關閉與TCP的通信。
在以上流程中，應用層發送數據時會附加一種叫做MAC（Message Authentication Code）的報文摘要。MAC能夠查知報文是否遭到篡改，從而保護報文的完整性。
那現在有一個問題，整個過程中產生的三個隨機數有什麼用呢？還有，後面進行HTTP通信的時候，是用哪一個密鑰進行加密，還有怎麼保證報文的完整性。
看下面這張圖。
對於客戶端：
當其生成了Pre-master secret之後，會結合原來的A、B隨機數，用DH算法計算出一個master secret，緊接着根據這個master secret推導出hash secret和session secret。
對於服務端：
當其解密獲得了Pre-master secret之後，會結合原來的A、B隨機數，用DH算法計算出一個master secret，緊接着根據這個master secret推導出hash secret和session secret。
在客戶端和服務端的master secret是依據三個隨機數推導出來的，它是不會在網絡上傳輸的，只有雙方知道，不會有第三者知道。同時，客戶端推導出來的session secret和hash secret與服務端也是完全一樣的。
那麼現在雙方如果開始使用對稱算法加密來進行通訊，使用哪個作爲共享的密鑰呢？過程是這樣子的：
雙方使用對稱加密算法進行加密，用hash secret對HTTP報文做一次運算生成一個MAC，附在HTTP報文的後面，然後用session-secret加密所有數據（HTTP+MAC），然後發送。
接收方則先用session-secret解密數據，然後得到HTTP+MAC，再用相同的算法計算出自己的MAC，如果兩個MAC相等，證明數據沒有被篡改。
至此，整個過程介紹完畢。
