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全面了解HTTP和HTTPS(开发人员必备)

鸿洋 2019-02-13
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本文作者


链接:

https://www.jianshu.com/p/27862635c077

本文由作者授权发布。


0
序言


Http和Https属于计算机网络范畴,但作为开发人员,不管是后台开发或是前台开发,都很有必要掌握它们。
在学习Http和Https的过程中,主要是参考了阮一峰老师的博客,讲的很全面,并且通俗易懂,有兴趣的同学可以去学习学习。


http://www.ruanyifeng.com/blog/2016/08/http.html


这篇文章主要是按照自己的思路来讲解对Http和Https的理解。文章将会从以下几个方面介绍。

目录树:


  • 一、网络层结构

  • 二、Http协议

  • 三、Tcp三次握手

  • 四、Https协议/SSL协议

  • 五、SSL证书

  • 六、RSA加密和DH加密

  • 七、Http和Https对比


从目录结构可以看出,每个标题展开来说都是一个很大的主题。但本文旨在让各位同学对Http和Https相关知识有一个全面的认知,不会太过深入探讨各个主题,有兴趣的同学可以进行针对性研究。


1
网络层结构


网络结构有两种主流的分层方式:OSI七层模型和TCP/IP四层模型。


OSI七层模型和TCP/IP四层模型


OSI是指Open System Interconnect,意为开放式系统互联。


TCP/IP是指传输控制协议/网间协议,是目前世界上应用最广的协议。



两种模型区别


  1. OSI采用七层模型,TCP/IP是四层模型

  2. TCP/IP网络接口层没有真正的定义,只是概念性的描述。OSI把它分为2层,每一层功能详尽。

  3. 在协议开发之前,就有了OSI模型,所以OSI模型具有共通性,而TCP/IP是基于协议建立的模型,不适用于非TCP/IP的网络。

  4. 实际应用中,OSI模型是理论上的模型,没有成熟的产品;而TCP/IP已经成为国际标准。


2
HTTP协议


Http是基于TCP/IP协议的应用程序协议,不包括数据包的传输,主要规定了客户端和服务器的通信格式,默认使用80端口。


Http协议的发展历史


  1. 1991年发布Http/0.9版本,只有Get命令,且服务端直返HTML格式字符串,服务器响应完毕就关闭TCP连接。

  2. 1996年发布Http/1.0版本,优点:可以发送任何格式内容,包括文字、图像、视频、二进制。也丰富了命令Get,Post,Head。请求和响应的格式加入头信息。缺点:每个TCP连接只能发送一个请求,而新建TCP连接的成本很高,导致Http/1.0新能很差。

  3. 1997发布Http/1.1版本,完善了Http协议,直至20年后的今天仍是最流行的版本。
    优点:a. 引入持久连接,TCP默认不关闭,可被多个请求复用,对于一个域名,多数浏览器允许同时建立6个持久连接。b. 引入管道机制,即在同一个TCP连接中,可以同时发送多个请求,不过服务器还是按顺序响应。c. 在头部加入Content-Length字段,一个TCP可以同时传送多个响应,所以就需要该字段来区分哪些内容属于哪个响应。d. 分块传输编码,对于耗时的动态操作,用流模式取代缓存模式,即产生一块数据,就发送一块数据。e. 增加了许多命令,头信息增加Host来指定服务器域名,可以访问一台服务器上的不同网站。
    缺点:TCP连接中的响应有顺序,服务器处理完一个回应才能处理下一个回应,如果某个回应特别慢,后面的请求就会排队等着(对头堵塞)。

  4. 2015年发布Http/2版本,它有几个特性:二进制协议、多工、数据流、头信息压缩、服务器推送。


Http请求和响应格式


Request格式:


GET /barite/account/stock/groups HTTP/1.1
QUARTZ-SESSION: MC4xMDQ0NjA3NTI0Mzc0MjAyNg.VPXuA8rxTghcZlRCfiAwZlAIdCA
DEVICE-TYPE: ANDROID
API-VERSION: 15
Host: shitouji.bluestonehk.com
Connection: Keep-Alive
Accept-Encoding: gzip
User-Agent: okhttp/3.10.0


Response格式:


HTTP/1.1 200 OK
Server: nginx/1.6.3
Date: Mon, 15 Oct 2018 03:30:28 GMT
Content-Type: application/json;charset=UTF-8
Pragmano-cache
Cache-Control: no-cache
Expires: Thu, 01 Jan 1970 00:00:00 GMT
Content-Encoding: gzip
Transfer-Encoding: chunked
Proxy-ConnectionKeep-alive

{"errno":0,"dialogInfo":null,"body":{"list":[{"flag":2,"group_id":1557,"group_name":"港股","count":1},{"flag":3,"group_id":1558,"group_name":"美股","count":7},{"flag":1,"group_id":1556,"group_name":"全部","count":8}]},"message":"success"}


说明一下请求头和响应头的部分字段:


  • Host:指定服务器域名,可用来区分访问一个服务器上的不同服务

  • Connection:keep-alive表示要求服务器不要关闭TCP连接,close表示明确要求关闭连接,默认值是keep-alive

  • Accept-Encoding:说明自己可以接收的压缩方式

  • User-Agent:用户代理,是服务器能识别客户端的操作系统(Android、IOS、WEB)及相关的信息。作用是帮助服务器区分客户端,并且针对不同客户端让用户看到不同数据,做不同操作。

  • Content-Type:服务器告诉客户端数据的格式,常见的值有text/plain,image/jpeg,image/png,video/mp4,application/json,application/zip。这些数据类型总称为MIME TYPE。

  • Content-Encoding:服务器数据压缩方式

  • Transfer-Encoding:chunked表示采用分块传输编码,有该字段则无需使用Content-Length字段。

  • Content-Length:声明数据的长度,请求和回应头部都可以使用该字段。


Tcp三次握手


Http和Https协议请求时都会通过Tcp三次握手建立Tcp连接。


那么,三次握手是指什么呢?


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那么,为什么一定要三次握手呢,一次可以吗?两次可以吗?


带着这些问题,我们来分析一下为什么必须是三次握手。


  1. 第一次握手,A向B发送信息后,B收到信息。B可确认A的发信能力和B的收信能力

  2. 第二次握手,B向A发消息,A收到消息。A可确认A的发信能力和收信能力,A也可确认B的收信能力和发信能力

  3. 第三次握手,A向B发送消息,B接收到消息。B可确认A的收信能力和B的发信能力


通过三次握手,A和B都能确认自己和对方的收发信能力,相当于建立了互相的信任,就可以开始通信了。

下面,我们介绍一下三次握手具体发送的内容,用一张图描述如下:


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首先,介绍一下几个概念:


  • ACK:响应标识,1表示响应,连接建立成功之后,所有报文段ACK的值都为1

  • SYN:连接标识,1表示建立连接,连接请求和连接接受报文段SYN=1,其他情况都是0

  • FIN:关闭连接标识,1标识关闭连接,关闭请求和关闭接受报文段FIN=1,其他情况都是0,跟SYN类似

  • seq number:序号,一个随机数X,请求报文段中会有该字段,响应报文段没有

  • ack number:应答号,值为请求seq+1,即X+1,除了连接请求和连接接受响应报文段没有该字段,其他的报文段都有该字段


知道了上面几个概念后,看一下三次握手的具体流程:


  1. 第一次握手:建立连接请求。客户端发送连接请求报文段,将SYN置为1,seq为随机数x。然后,客户端进入SYN_SEND状态,等待服务器确认。

  2. 第二次握手:确认连接请求。服务器收到客户端的SYN报文段,需要对该请求进行确认,设置ack=x+1(即客户端seq+1)。同时自己也要发送SYN请求信息,即SYN置为1,seq=y。服务器将SYN和ACK信息放在一个报文段中,一并发送给客户端,服务器进入SYN_RECV状态。

  3. 第三次握手:客户端收到SYN+ACK报文段,将ack设置为y+1,向服务器发送ACK报文段,这个报文段发送完毕,客户端和服务券进入ESTABLISHED状态,完成Tcp三次握手。


从图中可以看出,建立连接经历了三次握手,当数据传输完毕,需要断开连接,而断开连接经历了四次挥手:


  1. 第一次挥手:主机1(可以是客户端或服务器),设置seq和ack向主机2发送一个FIN报文段,此时主机1进入FIN_WAIT_1状态,表示没有数据要发送给主机2了

  2. 第二次挥手:主机2收到主机1的FIN报文段,向主机1回应一个ACK报文段,表示同意关闭请求,主机1进入FIN_WAIT_2状态。

  3. 第三次挥手:主机2向主机1发送FIN报文段,请求关闭连接,主机2进入LAST_ACK状态。

  4. 第四次挥手:主机1收到主机2的FIN报文段,想主机2回应ACK报文段,然后主机1进入TIME_WAIT状态;主机2收到主机1的ACK报文段后,关闭连接。此时主机1等待主机2一段时间后,没有收到回复,证明主机2已经正常关闭,主机1页关闭连接。


下面是Tcp报文段首部格式图,对于理解Tcp协议很重要:


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3
Https协议/SSL协议


Https协议是以安全为目标的Http通道,简单来说就是Http的安全版。主要是在Http下加入SSL层(现在主流的是SLL/TLS),SSL是Https协议的安全基础。Https默认端口号为443。


前面介绍了Http协议,各位同学能说出Http存在的风险吗?


  1. 窃听风险:Http采用明文传输数据,第三方可以获知通信内容

  2. 篡改风险:第三方可以修改通信内容

  3. 冒充风险:第三方可以冒充他人身份进行通信


SSL/TLS协议就是为了解决这些风险而设计,希望达到:


  1. 所有信息加密传输,三方窃听通信内容

  2. 具有校验机制,内容一旦被篡改,通信双发立刻会发现

  3. 配备身份证书,防止身份被冒充


下面主要介绍SSL/TLS协议。


SSL发展史(互联网加密通信)


  1. 1994年NetSpace公司设计SSL协议(Secure Sockets Layout)1.0版本,但未发布。

  2. 1995年NetSpace发布SSL/2.0版本,很快发现有严重漏洞

  3. 1996年发布SSL/3.0版本,得到大规模应用

  4. 1999年,发布了SSL升级版TLS/1.0版本,目前应用最广泛的版本

  5. 2006年和2008年,发布了TLS/1.1版本和TLS/1.2版本


SSL原理及运行过程


SSL/TLS协议基本思路是采用公钥加密法(最有名的是RSA加密算法)。大概流程是,客户端向服务器索要公钥,然后用公钥加密信息,服务器收到密文,用自己的私钥解密。


为了防止公钥被篡改,把公钥放在数字证书中,证书可信则公钥可信。公钥加密计算量很大,为了提高效率,服务端和客户端都生成对话秘钥,用它加密信息,而对话秘钥是对称加密,速度非常快。而公钥用来机密对话秘钥。


下面用一张图表示SSL加密传输过程:


全面了解HTTP和HTTPS(开发人员必备)


详细介绍一下图中过程:


  1. 客户端给出协议版本号、一个客户端随机数A(Client random)以及客户端支持的加密方式

  2. 服务端确认双方使用的加密方式,并给出数字证书、一个服务器生成的随机数B(Server random)

  3. 客户端确认数字证书有效,生成一个新的随机数C(Pre-master-secret),使用证书中的公钥对C加密,发送给服务端

  4. 服务端使用自己的私钥解密出C

  5. 客户端和服务器根据约定的加密方法,使用三个随机数ABC,生成对话秘钥,之后的通信都用这个对话秘钥进行加密。


SSL证书


上面提到了,Https协议中需要使用到SSL证书。


SSL证书是一个二进制文件,里面包含经过认证的网站公钥和一些元数据,需要从经销商购买。
证书有很多类型,按认证级别分类:


  • 域名认证(DV=Domain Validation):最低级别的认证,可以确认申请人拥有这个域名

  • 公司认证(OV=Organization Validation):确认域名所有人是哪家公司,证书里面包含公司的信息



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DV证书浏览器样式:



按覆盖范围分类:


  • 单域名证书:只能用于单域名,foo.com证书不能用不www.foo.com

  • 通配符证书:可用于某个域名及所有一级子域名,比如*.foo.com的证书可用于foo.com,也可用于www.foo.com

  • 多域名证书:可用于多个域名,比如foo.com和bar.com


认证级别越高,覆盖范围越广的证书,价格越贵。也有免费的证书,为了推广Https,电子前哨基金会成立了Let's Encrypt提供免费证书。


https://letsencrypt.org/


证书的经销商也很多,知名度比较高的有亚洲诚信(Trust Asia)。


RSA加密和DH加密


加密算法分类


加密算法分为对称加密、非对称加密和Hash加密算法。


  • 对称加密:甲方和乙方使用同一种加密规则对信息加解密

  • 非对称加密:乙方生成两把秘钥(公钥和私钥)。公钥是公开的,任何人都可以获取,私钥是保密的,只存在于乙方手中。甲方获取公钥,然后用公钥加密信息,乙方得到密文后,用私钥解密。

  • Hash加密:Hash算法是一种单向密码体制,即只有加密过程,没有解密过程


对称加密算法加解密效率高,速度快,适合大数据量加解密。常见的堆成加密算法有DES、AES、RC5、Blowfish、IDEA


非对称加密算法复杂,加解密速度慢,但安全性高,一般与对称加密结合使用(对称加密通信内容,非对称加密对称秘钥)。


常见的非对称加密算法有RSA、DH、DSA、ECC


Hash算法特性是:输入值一样,经过哈希函数得到相同的散列值,但并非散列值相同则输入值也相同。常见的Hash加密算法有MD5、SHA-1、SHA-X系列


下面着重介绍一下RSA算法和DH算法。


RSA加密算法


Https协议就是使用RSA加密算法,可以说RSA加密算法是宇宙中最重要的加密算法。


RSA算法用到一些数论知识,包括互质关系,欧拉函数,欧拉定理。此处不具体介绍加密的过程,如果有兴趣,可以参照RSA算法加密过程。

http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/07/rsa_algorithm_part_two.html


RSA算法的安全保障基于大数分解问题,
目前破解过的最大秘钥是700+位,也就代表1024位秘钥和2048位秘钥可以认为绝对安全。


大数分解主要难点在于计算能力,如果未来计算能力有了质的提升,那么这些秘钥也是有可能被破解的。


DH加密算法


DH也是一种非对称加密算法,DH加密算法过程。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BF%AA%E8%8F%B2-%E8%B5%AB%E7%88%BE%E6%9B%BC%E5%AF%86%E9%91%B0%E4%BA%A4%E6%8F%9B


DH算法的安全保障是基于离散对数问题。


Http协议和Https协议的对比


Http和Https的区别如下:


  1. https协议需要到CA申请证书,大多数情况下需要一定费用

  2. Http是超文本传输协议,信息采用明文传输,Https则是具有安全性SSL加密传输协议

  3. Http和Https端口号不一样,Http是80端口,Https是443端口

  4. Http连接是无状态的,而Https采用Http+SSL构建可进行加密传输、身份认证的网络协议,更安全。

  5. Http协议建立连接的过程比Https协议快。因为Https除了Tcp三次握手,还要经过SSL握手。连接建立之后数据传输速度,二者无明显区别。


总结


经过了3天的学习和总结,总算完成了这篇文章,本文可以帮助读者大体上把握Http和Https的知识框架。


并没有深入探讨每个主题的内容,当读者有了自己知识框架之后,可以自行深入了解每个知识点的内容。
这边提供一份总结资料:计算机网络相关知识汇总。


https://github.com/JeffyLu/JeffyLu.github.io/issues/22


如果你读到最后,其实以前也有一篇https的文章,不是那么偏定义,从另外一个角度来解释 https



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