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TLS、SSL、CA 证书、公钥、私钥...今天捋一捋！

江南一点雨 2023-03-28 原文
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。

  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！

TLSSSLdata-id的data网络通信技术$HTTPS服务端身份

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