HTTPS学习笔记（一）

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HTTPS特性,SSL/TLS,TLS中的对称加密算法,其他知识补充

HTTPS特性

  • 机密性：（Secrecy/Confidentiality）数据的“保密”，只能由可信的人访问，对其他人是不可见的“秘密”，简单来说就是不能让不相关的人看到不该看的东西。
  • 完整性/一致性：（Integrity）数据在传输过程中没有被篡改，不多也不少，“完完整整”地保持着原状。
  • 身份认证：（Authentication）确认对方的真实身份，也就是“证明你真的是你”，保证消息只能发送给可信的人。
  • 不可否认：（Non-repudiation/Undeniable）也叫不可抵赖，意思是不能否认已经发生过的行为，不能“说话不算数”“耍赖皮”。

HTTP的默认端口号：443

HTTP的默认端口号：80

HTTP下层的传输协议：TCP/IP

HTTPS下层的传输协议：SSL/TLS

SSL/TLS

SSL ：即安全套接层（Secure Sockets Layer），在 OSI 模型中处于第 5 层（会话层），由网景公司于 1994 年发明

TLS：互联网工程组 IETF 在 1999 年把它改名为 TLS

浏览器和服务器在使用TLS建立连接时，需要选择一套恰当的加密算法来实现安全通信，这些算法的组合被称为：“密码套件”

密码套件：密钥交换算法 + 签名算法 + 对称加密算法 + 摘要算法

除了HTTP，SSL/TLS也可以承载其他的应用协议，例如FTP=>FTPS，LDAP=>LDAPS等。

TLS中的对称加密算法

RC4、DES、3DES、AES、ChaCha20 等，但前三种算法都被认为是不安全的，通常都禁止使用，目前常用的只有AES 和 ChaCha20。

  • DES和AES只能加密固定长度的明文

  • AES： 的意思是“高级加密标准”（Advanced Encryption Standard），密钥长度可以是 128、192 或 256。它是 DES 算法的替代者，安全强度很高，性能也很好，而且有的硬件还会做特殊优化，所以非常流行，是应用最广泛的对称加密算法。

  • ChaCha20 ：是 Google 设计的另一种加密算法，密钥长度固定为 256 位，纯软件运行性能要超过 AES，曾经在移动客户端上比较流行，但 ARMv8 之后也加入了 AES 硬件优化，所以现在不再具有明显的优势，但仍然算得上是一个不错的算法。

加密分组模式

可以让算法用固定长度的密钥加密任意长度的明文，把小秘密转化为大秘密。

最新的分组模式被称为 AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data），在加密的同时增加了认证的功能，常用的是 GCM、CCM 和 Poly1305。

  • AES128-GCM，意思是密钥长度为 128 位的 AES 算法，使用的分组模式是 GCM；
  • ChaCha20-Poly1305 的意思是 ChaCha20 算法，使用的分组模式是 Poly1305。

非对称加密算法

对称加密的问题：如何将密钥传递给对方？

这就需要非对称加密了。

有两个密钥，一个叫“公钥”（public key），一个叫“私钥”（private key）。

两个密钥是不同的，“不对称”，公钥可以公开给任何人使用，而私钥必须严格保密。

公钥和私钥有个特别的“单向”性，虽然都可以用来加密解密，但公钥加密后只能用私钥解密，反过来，私钥加密后也只能用公钥解密。

相关算法：DH、DSA、RSA、ECC 等。

  • RSA：它的安全性基于“整数分解”的数学难题，使用两个超大素数的乘积作为生成密钥的材料，想要从公钥推算出私钥是非常困难的。10 年前 RSA 密钥的推荐长度是 1024，但随着计算机运算能力的提高，现在 1024 已经不安全，普遍认为至少要 2048 位。
  • ECC（Elliptic Curve Cryptography）：是非对称加密里的“后起之秀”，它基于“椭圆曲线离散对数”的数学难题，使用特定的曲线方程和基点生成公钥和私钥，子算法 ECDHE 用于密钥交换，ECDSA 用于数字签名。
    • 目前比较常用的两个曲线是 P-256（secp256r1，在 OpenSSL 称为 prime256v1）和 x25519。P-256 是 NIST（美国国家标准技术研究所）和 NSA（美国国家安全局）推荐使用的曲线，而 x25519 被认为是最安全、最快速的曲线。
    • ECC 在安全强度和性能上都有明显的优势。160 位的 ECC 相当于 1024 位的 RSA，而 224 位的 ECC 则相当于 2048 位的 RSA。因为密钥短，所以相应的计算量、消耗的内存和带宽也就少，加密解密的性能就上去了，对于现在的移动互联网非常有吸引力。

混合加密

混合加密实现了机密性

混合加密的原因在于：非对称加密虽然解决了密钥交换的问题；但是，非对称加密是基于复杂的数学难题，运算速度很慢，即使是 ECC 也要比 AES 差上好几个数量级。如果仅用非对称加密，虽然保证了安全，但通信速度有如乌龟、蜗牛，实用性就变成了零。

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plain = hello openssl
count = 1000

aes_128_cbc enc/dec 1000 times : 51.41ms, 0.25MB/s

rsa_1024 enc/dec 1000 times : 105.68ms, 123.02KB/s

rsa_1024/aes ratio = 2.06

rsa_2048 enc/dec 1000 times : 580.58ms, 22.39KB/s

rsa_2048/aes ratio = 11.29

可以看到，RSA 的运算速度是非常慢的，2048 位的加解密大约是 15KB/S（微秒或毫秒级），而 AES128 则是 13MB/S（纳秒级），差了几百倍。

混合加密的步骤：

  1. 在通信刚开始的时候使用非对称算法，比如 RSA、ECDHE，首先解决密钥交换的问题。（即服务端生成公钥和私钥，非对称算法将公钥传递给客户端）

  2. 然后用随机数产生对称算法使用的“会话密钥”（session key）（客户端生成），再用（服务端的）公钥加密。因为会话密钥很短，通常只有 16 字节或 32 字节，所以慢一点也无所谓。

  3. 服务端拿到密文后用其私钥私钥解密，取出会话密钥。

    混合加密

细节步骤参考：

HTTPS前瞻

其他知识补充

  • 比特币、以太坊等区块链技术里也用到了ECC（非对称加密），它们选择的曲线是secp256k1。
  • 由于密码学界普遍不信任NIST和NSA，怀疑secp 系列曲线有潜在的弱点，所以研究出了“x25519”，它的名字来源于曲线方程里的参数“2^255 - 19”。另有一个更高强度的曲线“x448”，参数是“2^448 - 2^224 - 1”。
  • TLS1.2要求必须实现TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA，TLS1.3要求必须实现TLS_AES_128_GCM_SHA256，并且因为前向安全的原因废除了DH和 RSA密钥交换算法。
  • 非对称加密慢的原因：
    • 非对称加密基于大数运算，比如大素数或者椭圆曲线，是复杂的数学难题，所以消耗计算量，运算速度慢。
    • 除了慢，可能还有一个缺点就是需要更多的位数，相同强度的对称密钥要比非对称密钥短。
    • 对称密钥一般都128位、256位，而rsa一般要2048位，不过椭圆曲线的会短一点。
  • 简单来说，SSL 就是通信双方通过非对称加密协商出一个用于对称加密的密钥（会话密钥）。
    • 会话密钥：即一次会话使用一次密钥，之前的都会被废弃，就算被别人破解了也仅仅是破解了一个会话。

参考文档：https://time.geekbang.org/column/article/109062