HTTPS 原理

1. HTTPS 概述#

1.1 什么是 HTTPS#

HTTPS = HTTP + TLS/SSL，在传输层对 HTTP 通信进行加密，提供：

1.2 TLS 版本演进#

2. TLS 1.2 握手过程#

2.1 完整握手流程#

Client                                          Server
  |                                                |
  |  1. ClientHello                                |
  |  (TLS版本, 密码套件, 随机数Rc, SNI)           |
  |----------------------------------------------->|
  |                                                |
  |  2. ServerHello                                |
  |  (TLS版本, 选定套件, 随机数Rs)                 |
  |  Certificate (服务器证书链)                     |
  |  ServerKeyExchange (DH参数)                    |
  |  ServerHelloDone                               |
  |<-----------------------------------------------|
  |                                                |
  |  3. ClientKeyExchange (DH公钥)                 |
  |  ChangeCipherSpec                              |
  |  Finished                                      |
  |----------------------------------------------->|
  |                                                |
  |  4. ChangeCipherSpec                           |
  |  Finished                                      |
  |<-----------------------------------------------|
  |                                                |
  |  ========== 加密通信开始 ==========            |

2.2 密钥推导#

使用 ECDHE 密钥交换（椭圆曲线临时 Diffie-Hellman）：

1. 双方交换各自的椭圆曲线公钥：$Q_A = d_A \cdot G$、$Q_B = d_B \cdot G$
2. 各自计算共享点（椭圆曲线标量乘法，非模幂运算）： $d_A \cdot Q_B = d_B \cdot Q_A = d_A d_B \cdot G$
3. 经 HKDF 从共享密钥推导主密钥与会话密钥（加密密钥、IV 等）

注意区分：$g^{ab} \bmod p$ 的模幂形式是经典 DHE 的计算方式； ECDHE 用的是椭圆曲线点乘，安全性对应「椭圆曲线离散对数问题」。 两者都属于「临时（ephemeral）」密钥交换，因此都提供前向保密。

2.3 密码套件#

flowchart TD
    T0["TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256"]
    T1["PRF/HMAC"]
    T2["加密模式"]
    T3["加密算法"]
    T4["签名算法"]
    T5["密钥交换"]
    T6["协议"]
    T5 --> T6

3. TLS 1.3 握手过程#

3.1 1-RTT 握手#

Client                                          Server
  |                                                |
  |  1. ClientHello                                |
  |  (TLS 1.3, 密码套件, DH公钥share, 随机数)     |
  |----------------------------------------------->|
  |                                                |
  |  2. ServerHello                                |
  |  (选定套件, DH公钥share)                       |
  |  EncryptedExtensions                           |
  |  Certificate                                   |
  |  CertificateVerify                             |
  |  Finished                                      |
  |<-----------------------------------------------|
  |                                                |
  |  3. Finished                                   |
  |----------------------------------------------->|
  |                                                |
  |  ========== 加密通信开始 ==========            |

3.2 TLS 1.3 改进#

3.3 0-RTT 恢复#

Client                                          Server
  |                                                |
  |  ClientHello + Early Data                      |
  |  (PSK + DH share + 应用数据)                   |
  |----------------------------------------------->|
  |                                                |
  |  ServerHello + New Session Ticket              |
  |  Application Data                              |
  |<-----------------------------------------------|

注意：0-RTT 数据存在重放攻击风险，仅适用于幂等操作。

4. 证书验证#

4.1 验证流程#

1. 检查证书是否由受信 CA 签发（签名验证）
2. 检查证书域名是否匹配（SAN/CN）
3. 检查证书是否在有效期内
4. 检查证书是否被吊销（OCSP/CRL）
5. 检查证书链完整性

4.2 主机名验证#

import ssl
import socket

context = ssl.create_default_context()
with socket.create_connection(('example.com', 443)) as sock:
    with context.wrap_socket(sock, server_hostname='example.com') as ssock:
        cert = ssock.getpeercert()
        # 自动验证主机名

5. HTTPS 安全配置#

5.1 Nginx 配置#

server {
    listen 443 ssl http2;
    server_name example.com;

    # 证书
    ssl_certificate /etc/ssl/certs/example.com.pem;
    ssl_certificate_key /etc/ssl/private/example.com.key;

    # TLS 版本
    ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;

    # 密码套件
    ssl_ciphers ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384;

    # 优先服务器密码套件
    ssl_prefer_server_ciphers on;

    # HSTS
    add_header Strict-Transport-Security "max-age=31536000; includeSubDomains; preload" always;

    # OCSP Stapling
    ssl_stapling on;
    ssl_stapling_verify on;
}

5.2 安全头#

6. TLS 常见攻击#

7. 证书部署最佳实践#

7.1 时效补充：证书有效期正在快速缩短#

公共 TLS 证书的寿命正走向「以周计」，自动化续期从「最佳实践」变成「生存必需」。 CA/Browser Forum 于 2025 年 4 月通过 SC-081v3 投票，分阶段压缩最长有效期：

同时域名验证数据的复用期同步缩短（最终仅 10 天）；Let’s Encrypt 等已提供/宣布 更短的数天级证书选项。工程含义：任何依赖人工换证书的流程都不可持续， 务必全量 ACME 自动化（含内网专用 CA 的自动化）。

7.2 时效补充：后量子混合密钥交换#

RSA/ECC 面临「先截获后解密」的量子威胁，主流浏览器与 CDN 已在 TLS 1.3 中默认 启用 X25519 + ML-KEM（FIPS 203）混合密钥交换（如 X25519MLKEM768 组合）： 两类算法其一未被攻破即可保证前向机密。新部署的服务端网关应确认其 TLS 栈 （OpenSSL 3.5+ 等）支持混合组，作为平滑过渡的现成方案（背景见 016 第 6 节）。