浅谈HTTPS认证

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在学习kubernetes的过程中，关于监控部署这一部分中涉及到了HTTPS方面的知识。以前曾经在Web安全实践这门课上了解过这方面的知识，如今需要再详细的梳理一下HTTPS的认证过程。

HTTP VS HTTPS

因特网早期的很多东西在设计方面都没有考虑安全方面的因素，HTTP协议就是一个鲜明的例子。HTTP采用的明文传输的，如果我们使用wireshark抓包工具，可以很轻易的嗅探一些信息。

HTTPS在HTTP的基础上增加了安全方面的考虑，主要分为2个过程。

  • 使用RSA加密算法来进行身份认证以及协商加密算法和秘钥
  • 使用协商后的加密算法进行数据传输

HTTPS的身份认证

这里的身份认证分为2类，大多数情况下都是客户端需要验证服务端的身份，在政府以及银行一些领域，服务端也需要验证客户端的身份，这身份认证过程中使用的是RSA加密算法。

RSA加密算法

RSA加密算法是一种非对称加密算法，加密和解密的钥匙是不同的，所以被称为非对称加密算法。它有2种秘钥，分为公钥和私钥，公钥任何人都可以查到的，而私钥属于私人保管。这种加密体系下，私钥加密的的密文只有公钥可以解开，所以私钥可以用来签名；而公钥加密的密文只有私钥可以解开，它可以用来加密传输。

在密码学中，很多加密算法都来源于一个数学难题，没错RSA算法的原理也来自于数论领域中的大数难于被质因分解的问题。它的秘钥生成过程大致如下：

  • 选取2个非常大的质数 p 和 q ，而 n = p * q
  • 随机选取一个数 e1 ，但要求 e1 与 (p-1) * (q-1) 互质
  • 再选择 e2 ，e2 是 e1 关于 (p-1) * (q-1)的模逆
  • (n, e1) 和 (n, e2) 即是我们的公私钥

注意 e1 和 e2 要相距较远，不然暴力很容易求解这一对秘钥。假如 (n, e1) 是公钥，待加密的明文为 0x4089 那么加密后的密文为 X 为：

 X = 0x4089 ^ e1 mod n

解密过程为 ：

 X ^ e2 mod n = 0x4089

大致了解了RSA加密算法的原理，那怎么应用到HTTPS中的呢？为了进行服务端或者客户端的认证，我们需要生成一个证书。

使用OpenSSL生成证书

关于认证方面的事情一般都需要个第三者，为了验证某个人身份的合法性，我们需要向一个公信力非常强的组织求证。在HTTPS中，CA 就是这个第三者，它会给一个公司或者组织颁发一个证书，为了获取这个证书，公司或者组织往往要交一大笔费用的。

在12306的网站中，就是没有 CA 认证的证书，所以每次访问的时候，都要手动点击信任。为了测试使用，我们自己生成一个 CA ，用来认证自己颁发的证书。首先我们生成一个2048位的 CA 私钥 ca.key

# openssl genrsa -out ca.key 2048

通过私钥 ca.key 可以生成公钥 ca.csr

# openssl rsa -in ca.key -pubout -out ca.csr

然后我们用 ca.key 来颁发 CA 的证书 ca.crt

# openssl req -x509 -new -nodes -key ca.key -subj "/CN=baidu.com" -days 5000 -out ca.crt

其他人可以根据 CA 的公钥 ca.csr 来解密解密这个证书进行验证 CA 的身份。因为 CA 的证书是通过 ca.key 来颁发的，也就是说这个证书上有 CA 的签名，我们使用 CA 的公钥 ca.csr 就可以解密这个证书，来验证这个 CA 证书的有效性。

同理，为了让我们的公司或者组织可以被其他人信任，我们需要让 CA 给我们的公司或者组织颁发一个证书。首先我们先自己生成一个公私钥对

# openssl genrsa -out server.key 2048
# openssl req -new -key server.key -subj "/CN=lecury.cn" -out server.csr

我们把生成后的私钥 server.key 自己保管，公钥 server.csr 交给 CA ，为我们制作证书 server.crt

# openssl x509 -req -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out server.crt -days 5000

HTTPS中对服务端的验证

在一些HTTPS网站中，在进行通信前，客户端和服务端的双方需要一些身份认证。大部分的情况下，客户端需要对服务端进行验证，过程如下：

  • 服务端将自己的证书发给客户端（浏览器）
  • 客户端（浏览器）向本地的 CA 求证服务端的证书信息是否合法，即用CA的公钥来解密服务端证书的内容
  • 若验证成功之后，会提取出服务端证书中的服务端的公钥，用这个公钥来加密信息（自己支持的加密算法以及秘钥）
  • 服务端收到之后，利用私钥解开，协商一种加密算法，然后利用此算法进行数据传输过程中的加密。

在HTTPS过程中RSA加密算法用来对双方身份信息的验证，因为RSA为非对称加密算法，加密效率相对低下，所以在实际进行数据传输的过程中，采用的一般是对称加密算法比如说DES等。

对客户端的认证

服务端请求对客户端身份信息的验证，这种情况一般发生在政府或者银行的网站上。一般的解决办法是网银盾或者是USBkey，客户端的证书保存在服务端那里，由服务端来验客户端身份的有效性。

总结

HTTPS是因特网安全领域的一个重要变现，它广泛的应用在了各个网站的身份认证中，了解一下它的基本原理还是非常有必要的。