一篇文章让您了解HTTPS

前段时间在做HTTPS相关的需求碰到了一些问题，今天有空整理一下HTTPS的相关知识，希望对您能有所帮助。

HTTPS

什么是HTTPS

HTTPS，即HTTP Security，是建立在SSL / TSL协议之上，其中，TSL是SSL协议的升级版，TLS 1.0通常被标示为SSL 3.1，TLS 1.1为SSL 3.2，TLS 1.2为SSL 3.3，可以理解为同一套协议。他的作用主要以下三点：

防止窃听。 所有信息都是加密传播，第三方无法窃听。
防止篡改。具有校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。
防止冒充。配备身份证书，防止身份被冒充。

本文将从android使用者的角度，尽量解释清楚什么是HTTPS。

TLS验证流程

交互流程如下：

客户端发出请求给服务端，请求的内容包括：
1. 支持的协议版本，比如TLS 1.0版。
2. 一个客户端生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
3. 支持的加密方法，比如RSA公钥加密。
4. 支持的压缩方法。
服务器回应客户端，包含以下内容：
1. 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。
2. 一个服务器生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
3. 确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。
4. 服务器证书。
客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。

如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。
1. 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。
2. 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
3. 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。
服务器收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的"会话密钥"。然后，向客户端最后发送下面信息。
1. 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
2. 服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。

至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥"，dog250解释得很好：

"不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。

对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。

pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的可不是一。"

HTTPS相关名词

HTTPS涉及到的概念比较多，什么X509，.pem，.crt等等，理解了HTTPS的交互流程之后，先来理一理这些概念。

X509 - 这是一种证书标准,主要定义了证书中应该包含哪些内容.其详情可以参考RFC5280,SSL使用的就是这种证书标准。
PEM - Privacy Enhanced Mail,打开看文本格式,以"-----BEGIN..."开头, "-----END..."结尾,内容是BASE64编码.
查看PEM格式证书的信息:
```
openssl x509 -in certificate.pem -text -noout
```
Apache和*NIX服务器偏向于使用这种编码格式.
DER - Distinguished Encoding Rules,打开看是二进制格式,不可读.

查看DER格式证书的信息:
```
openssl x509 -in certificate.der -inform der -text -noout
```
Java和Windows服务器偏向于使用这种编码格式.

上面是证书标准和两种常用的编码格式。下面我们来认识一下都有哪些文件扩展名。
CRT - CRT应该是certificate的三个字母,其实还是证书的意思,常见于*NIX系统,有可能是PEM编码,也有可能是DER编码,大多数应该是PEM编码,相信你已经知道怎么辨别.
CER - 还是certificate,还是证书,常见于Windows系统,同样的,可能是PEM编码,也可能是DER编码,大多数应该是DER编码.
KEY - 通常用来存放一个公钥或者私钥,并非X.509证书,编码同样的,可能是PEM,也可能是DER.

查看KEY的办法:
```
openssl rsa -in mykey.key -text -noout
```
如果是DER格式的话,同理应该这样了:openssl rsa -in mykey.key -text -noout -inform der
CSR - Certificate Signing Request,即证书签名请求,这个并不是证书,而是向权威证书颁发机构获得签名证书的申请,其核心内容是一个公钥(当然还附带了一些别的信息),在生成这个申请的时候,同时也会生成一个私钥,私钥要自己保管好.做过iOS APP的朋友都应该知道是怎么向苹果申请开发者证书的吧.

查看的办法:(如果是DER格式的话照旧加上-inform der,这里不写了)
```
openssl req -noout -text -in my.csr 
```
PFX/P12 - predecessor of PKCS#12,对*nix服务器来说,一般CRT和KEY是分开存放在不同文件中的,但Windows的IIS则将它们存在一个PFX文件中,(因此这个文件包含了证书及私钥)这样会不会不安全？应该不会,PFX通常会有一个"提取密码",你想把里面的东西读取出来的话,它就要求你提供提取密码,PFX使用的时DER编码,如何把PFX转换为PEM编码？
```
openssl pkcs12 -in for-iis.pfx -out for-iis.pem -nodes
```
这个时候会提示你输入提取代码. for-iis.pem就是可读的文本.
生成pfx的命令类似这样:openssl pkcs12 -export -in certificate.crt -inkey privateKey.key -out certificate.pfx -certfile CACert.crt

其中CACert.crt是CA(权威证书颁发机构)的根证书,有的话也通过-certfile参数一起带进去.这么看来,PFX其实是个证书密钥库.
JKS - 即Java Key Storage,这是Java的专利,跟OpenSSL关系不大,利用Java的一个叫"keytool"的工具,可以将PFX转为JKS,当然了,keytool也能直接生成JKS,不过在此就不多表了.
BKS - 来自BouncyCastleProvider，它使用的也是TripleDES来保护密钥库中的Key，它能够防止证书库被不小心修改（Keystore的keyentry改掉1个bit都会产生错误），BKS能够跟JKS互操作。

通过以下命令可以将crt转换成bks，也就是说，其实bks就是上文说的证书文件，jks也是。
```
keytool -importcert -trustcacerts -keystore e:\key.bks -file e:\server.crt -storetype BKS -provider org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider
```
bks的生成参考：Android中SSL通信中使用的bks格式证书的生成

Android上的HTTPS

Android上使用HTTPS很简单，一个典型的HTTPS方式如下：

URL url = new URL("https://google.com");  
HttpsURLConnection urlConnection = url.openConnection();  
InputStream in = urlConnection.getInputStream();

此时使用的是默认的SSLSocketFactory，与下段代码使用的SSLContext是一致的

private synchronized SSLSocketFactory getDefaultSSLSocketFactory() {  
  try {
    SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLS");
    sslContext.init(null, null, null);
    return defaultSslSocketFactory = sslContext.getSocketFactory();
  } catch (GeneralSecurityException e) {
    throw new AssertionError(); // The system has no TLS. Just give up.
  }
}

这段代码里面最重要的方法是sslContext.init(null, null, null);，这里有三个参数，分别是：

KeyManager[]，自己的证书，用来校验服务端是否可信，如果是单向校验则传空，表示不需要校验服务端。
TrustManager[]，认证服务端证书是否可信，如果传空则使用android自己的证书库，如果服务端证书的办法机构在默认库里面，则校验通过。

有时候CA也是不可信的，为了获得更高的安全新，需要我们自己指定新人的锚点，可以采用如下的代码：

// 取到证书的输入流
InputStream is = new FileInputStream("anchor.crt");  
CertificateFactory cf = CertificateFactory.getInstance("X.509");  
Certificate ca = cf.generateCertificate(is);

// 创建 Keystore 包含我们的证书
String keyStoreType = KeyStore.getDefaultType();  
KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance(keyStoreType);  
keyStore.load(null);  
keyStore.setCertificateEntry("anchor", ca);

// 创建一个 TrustManager 仅把 Keystore 中的证书 作为信任的锚点
String algorithm = TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm();  
TrustManagerFactory trustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance(algorithm);  
trustManagerFactory.init(keyStore);  
TrustManager[] trustManagers = trustManagerFactory.getTrustManagers();

// 用 TrustManager 初始化一个 SSLContext
SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLS");  
sslContext.init(null, trustManagers, null);  
return sslContext.getSocketFactory();

这种情况下，只有 anchor.crt 以及他签发的证书才会被信任。

SecureRandom，也就是生成随机数的策略，一般都是直接new SecureRandom()作为参数传进去。

注意这里使用的是单向认证，也就是只需要客户端验证服务端的证书，客户端本地部缓存证书，所以这里sslContext.init()方法的三个参数都是空的。

默认的 SSLSocketFactory 校验服务器的证书时（也就是TrustManager[]传空的时候），会信任设备内置的100多个根证书。

既然有单向验证，那么也有双向验证，即不仅仅客户端需要校验服务端，服务端也需要验证客户端。这种情况下，客户端需要将自己的证书发给服务端做验证，这种情况只需要将证书的KeyManager作为在init()的第一个参数来SSLContext就行了。