TLS、SSL、CA 证书、公钥、私钥...今天捋一捋!

网络 通信技术
通过 HTTPS,客户端可以确认服务端的身份,保证数据在传输过程中不被篡改,当我们在自己的浏览器上与某一个网站建立 HTTPS 连接的时候,满足如下情况可以表示这个服务端可以被信任。

松哥最近在和小伙伴们连载 gRPC,如何确保 gRPC 通信的安全性?这就涉及到 TSL 了,但是考虑到可能有小伙伴对加密连接这一整套方案比较陌生,因此我们今天先用一篇文章跟大家捋清楚这些概念,概念搞明白了,再来看 TSL+gRPC 就很容易了。

1. HTTP 的问题

HTTP 协议是超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol)的缩写,它是从 WEB 服务器传输超文本标记语言 HTML 到本地浏览器的传送协议。HTTP 设计之初是为了提供一种发布和接收 HTML 页面的方法,时至今日,它的作用已经不仅仅于此了。

对于我们 Java 工程师而言,HTTP 应该算是再熟悉不过的东西了,目前 HTTP 有多个版本,使用较多的是 HTTP/1.1 版本。

然而 HTTP 协议有一个缺陷那就是它是通过明文传输数据的,用户通过 HTTP 协议传输的内容很容易被恶意拦截,并且黑客可以伪装成服务端,向用户传送错误的信息,并且能轻易获取用户的隐私信息,而这些操作用户是完全无感知的。

由于存在这样的安全隐患,现在小伙伴们见到的大部分网站都在逐步转为 HTTPS,HTTP 网站会越来越少了。

2. HTTPS

HTTPS(HyperText Transfer Protocol Secure)中文译作超文本传输安全协议,这是一种通过计算机网络进行安全通讯的传输协议。

HTTPS 本质上还是由 HTTP 进行通信,只是在 HTTP 协议和 TCP 层之间增加了一个 SSL 的安全传输协议。整个传输的加密过程都在新的安全层 SSL/TLS 中实现,而原来的 HTTP 层的传输流程保持不变,这样就很好地兼容了旧的 HTTP 协议,也沿袭了 TCP/IP 协议族的分层思想。

通过 HTTPS,客户端可以确认服务端的身份,保证数据在传输过程中不被篡改,当我们在自己的浏览器上与某一个网站建立 HTTPS 连接的时候,满足如下情况可以表示这个服务端可以被信任:

  1. 首先我们的操作系统中安装了正确且受信任的证书。我们在 cmd 命令行中执行 ​​certmgr.msc​​ 命令,可以查看操作系统已经安装的证书列表。

图片

  1. 浏览器本身正确实现了 HTTPS。
  2. 被访问的网站提供了一个证书,这个证书是由一个操作系统所信任的证书颁发机构签发的,操作系统所信任的证书颁发机构一般都预装在操作系统中,通过第一步的方式可以查看。
  3. 被访问的网站所提供的证书被成功认证。

这里边涉及到一些证书和协议的概念,接下来松哥和大家把整个过程捋一捋。

3. TLS/SSL

前面我们提到,HTTPS 就是在 HTTP 的基础之上增加了 TLS/SSL,那么这两个东西该如何理解呢?

SSL/TLS 是一种密码通信方案,算是目前使用最广泛的密码通信方案了。SSL 全称是 Secure Socket Layer,中文译作安全套接层,是 1994 年由 Netscape 公司设计的一套协议,并与 1995 年发布了 3.0 版本;TLS 全称是 Transport Layer Security,中文译作传输层安全,则是 IETF 在 SSL3.0 基础上设计的协议,实际上相当于 SSL 的后续版本,目前 TLS 先后迭代了 ​​TLS 1.0​​​、​​TLS 1.1​​​、​​TLS 1.2​​​ 和 ​​TLS 1.3​​​,目前被广泛使用的是 ​​TLS 1.2​​ 版本。

SSL/TLS 涉及到了密码学中的对称加密、非对称加密、数字签名等等,算是密码学领域里的集大成者了。

3.1 TLS

接下来我们就来看看 TLS 如何确保 HTTP 安全。

为了确保客户端和服务端之间的数据安全,我们很容易想到一种方案就是对传输的数据进行加密,没错,这是一个办法,事实上也是这么做的。

加密又分为两种:

  1. 对称加密
  2. 非对称加密

那么该使用哪一种呢?

对称加密,也就是加密密钥和解密密钥是同一个,当浏览器和服务端需要进行通信的时候,约定好一个密钥,然后使用这个密钥对发送的消息进行加密,对方收到消息之后再使用相同的密钥对消息进行解密。但是,在 B/S 架构的项目中,这种方案显然不合适,一个网站把自己的密钥告诉全世界所有的浏览器,那加密和不加密还有区别吗?

有小伙伴可能又想到了不对称加密,不对称加密倒是个办法,因为不对称加密是有一个密钥对公钥和私钥,公钥可以公布出来告诉所有人,私钥只有自己知道。通信的时候,客户端首先使用公钥对消息进行加密,服务端收到之后,再通过私钥对消息进行解密,这看起来似乎挺完美的。但是!!!非对称加密存在一个问题,就是非对称加密和解密相当耗时,通过这种方式处理加解密效率太低。

那怎么办?我们可以将两者结合起来。

具体来说,就是这样:首先服务端会生成一个非对称加密的密钥对,私钥自己保存,公钥发送给客户端,客户端拿到这个公钥之后,再生成一个对称加密的密钥,然后把对称加密的密钥通过公钥进行加密,加密之后发送给服务端,服务端通过私钥进行解密,这样客户端和服务端就可以通过对称加密进行通信了。

事实上,TLS 大致上的思路就是这样的。

不过上面这个方案还是有一个漏洞,那就是服务端要通过明文传输的方式把公钥发送给客户端,这个过程还是不安全的,可能被人恶意截胡,那么这个问题该如何解决呢?

这就涉及到另外一个概念叫做数字证书了。

3.2 CA

数字证书是一个包含了目标网站各种信息如网站域名、证书有效期、签发机构、用于生成对称密钥的公钥、上级证书签发的签名等的文件,通过数字证书我们可以确认一个用户或者服务站点的身份。

实际场景中的数字证书是一系列的,形成了一个信任链,信任链的最顶端是 CA。

CA 是 Certificate Authority 的简写,它是一个负责发放和管理数字的证书的第三方权威机构。CA 的工作流程是这样的:

  1. CA 自己给自己颁发的用自己的私钥签名的证书称为根证书,根证书的私钥安全性至关重要,根证书的私钥都是被保存在离线计算机中,有严格的操作规章,每次需要使用时,会有专人将数据通过 USB 拷贝过去,操作完了以后,再将数据带出来(这个专指 CA 根证书的私钥)。
  2. 一个用户想要获取一个证书,首先自己得有一个密钥对,私钥自己留着,公钥以及其他信息发送给 CA,向 CA 提出申请,CA 判明用户的身份之后,会将这个公钥和用户的身份信息绑定,并且为绑定后的信息进行签名(签名是通过 CA 根证书的私钥进行的),最后将签名后的证书发给申请者。
  3. 一个用户想要鉴定一个证书的真伪,就通过 CA 的公钥对证书上的数字签名进行验证,验证通过,就认为这个这个证书是有效的。

上面这个流程中有一个重要前提,那就是 CA 受到大家所有人的信任。

然而在实际操作中,我们并不能直接去跟 CA 申请一个数字证书,因为全世界要认证的内容太多了,CA 搞不过来,而且频繁的找 CA 申请,还有可能导致私钥泄漏,这可就是一个大的灾难了。

那怎么办呢?实际操作中,我们可以基于 CA 来构建一个信任链。具体来说,步骤是这样:

  1. 首先我们的手机、笔记本等操作系统中都预装了 CA 颁发的根证书,他们是所有信任构建的基石,前面松哥已经截图给大家看了 Windows 中预装的根证书了。
  2. 假设 CA 签发了一个证书 A,在这个过程中 CA 称为 Issuer,A 称为 Subject,假设 A 是一个受信任的中间证书,已经预装在我们的操作系统中了。现在由 A 利用它自己的私钥给某一个网站签发了一个证书 B。
  3. 现在当我们的电脑需要访问该网站的时候,该网站就会给我们发来一个证书 B,由于我们的浏览器并不知道 B 证书是否合法,但是我们的电脑上已经预装了 A 证书,我们可以从 A 证书中提取出 A 的公钥,然后利用 A 的公钥对 B 证书的签名进行验证(因为 B 证书的签名是 A 的私钥签的),如果验证通过了,就说明 B 是合法的。
  4. 相同的道理,B 也可以继续签发 C 证书,C 继续签发 D 证书,这样就形成了一个信任链。
  5. 如果服务端的签名是 D 证书,那么一般来说,服务器返回给浏览器的就会包含 B、C、D 三个证书(因为 A 证书已经在我们的电脑上了),即使只返回 D 证书,浏览器也可以根据 D 书中的信息,自动下载到 B、C 两个证书然后进行验证。

松哥记得以前上大学的时候,在 12306 网站上买火车票,第一次访问的时候必须要自己先手动安装一个根证书到系统中,然后才能访问。这就是因为当时 12306 所使用的证书的签发机构不被浏览器认可,类似于上面的第 3 步,12306 给我发了一个数字证书 B 回来,但是浏览器上没有合适的公钥对这个 B 证书进行验证,当我往自己的系统上安装了 12306 给的证书之后,相当于我的电脑上有了一个证书 A,现在就可以对 B 证书进行验证了。

总结一下:

  1. CA 是一个权威的机构,是一个发证机关,CA 发出来的证书可以证明一个人或者组织的身份。
  2. 任何人都可以得到 CA 的证书(含公钥),用以验证 CA 所签发的证书。
  3. 每一个数字证书都是由上级证书的私钥来签发的,处于最顶层的就是 CA 签发的根证书了,这个根证书没有上级证书了,所以这个根证书实际上是由 CA 自己的私钥来签发的,这也叫做自签名,即 Self-Signed。

当我们有了数字签名之后,就可以解决 3.1 小节最后提出的问题了。服务端将数字签名发给浏览器,浏览器利用系统已经内置的公钥验签,确认签名没问题,然后就提取出来数字签名中的公钥,开始协商对称加密的私钥了~

好啦,有了这些知识储备之后,下篇文章松哥来和大家聊一聊 TLS+gRPC 怎么玩!

责任编辑:武晓燕 来源: 江南一点雨
相关推荐

2021-07-07 22:27:54

磁盘分区硬盘

2021-11-04 18:15:55

下载上传浏览器

2020-12-18 06:09:07

Java浅拷贝深拷贝

2021-05-17 10:50:15

系统调用内核

2020-05-18 14:12:41

PostgreSQLDB架构数据库

2019-02-18 14:18:04

2021-03-10 10:00:31

Go语言strconv包类型转换工具

2023-11-28 12:42:56

数据分析管理

2009-10-28 10:24:26

2018-09-03 13:39:43

手机苹果iPhone

2022-05-17 14:16:54

区块链加密货币私钥

2021-03-11 07:14:01

Epoll原理线程

2009-10-28 10:20:10

2024-03-15 09:06:48

HTTPSCA私钥

2022-08-17 11:36:18

Vue3插件

2021-07-12 23:21:52

MyISAM引擎InnoDB

2020-06-08 10:14:55

OpenSSLSSL证书Linux

2022-09-13 10:40:48

Flowable功能Spring

2021-07-27 05:32:22

CSS 技巧方位与顺序

2023-07-13 08:12:26

ControllerSpring管理
点赞
收藏

51CTO技术栈公众号