全面瞭解HTTP和HTTPS（開發人員必備）

HTML 瀏覽器 JSON Android Nginx 簡書 Java識堂 2019-04-15

序言

Http和Https屬於計算機網絡範疇，但作為開發人員，不管是後臺開發或是前臺開發，都很有必要掌握它們。

在學習Http和Https的過程中，主要是參考了阮一峰老師的博客，講的很全面，並且通俗易懂，有興趣的同學可以去學習學習。

這篇文章主要是按照自己的思路來講解對Http和Https的理解。文章將會從以下幾個方面介紹。

目錄樹（暫時還不知道簡書編輯器怎麼通過目錄樹進行頁面內跳轉，哪位同學知道希望不吝告知）：

一、網絡層結構
二、Http協議
三、Tcp三次握手
四、Https協議/SSL協議
五、SSL證書
六、RSA加密和DH加密
七、Http和Https對比

從目錄結構可以看出，每個標題展開來說都是一個很大的主題。但本文旨在讓各位同學對Http和Https相關知識有一個全面的認知，不會太過深入探討各個主題，有興趣的同學可以進行鍼對性研究。

一、網絡層結構

網絡結構有兩種主流的分層方式：OSI七層模型和TCP/IP四層模型。

OSI七層模型和TCP/IP四層模型

OSI是指Open System Interconnect，意為開放式系統互聯。

TCP/IP是指傳輸控制協議/網間協議，是目前世界上應用最廣的協議。

兩種模型區別

OSI採用七層模型，TCP/IP是四層模型
TCP/IP網絡接口層沒有真正的定義，只是概念性的描述。OSI把它分為2層，每一層功能詳盡。
在協議開發之前，就有了OSI模型，所以OSI模型具有共通性，而TCP/IP是基於協議建立的模型，不適用於非TCP/IP的網絡。
實際應用中，OSI模型是理論上的模型，沒有成熟的產品；而TCP/IP已經成為國際標準。

二、HTTP協議

Http是基於TCP/IP協議的應用程序協議，不包括數據包的傳輸，主要規定了客戶端和服務器的通信格式，默認使用80端口。

Http協議的發展歷史

1991年發佈Http/0.9版本，只有Get命令，且服務端直返HTML格式字符串，服務器響應完畢就關閉TCP連接。
1996年發佈Http/1.0版本，優點：可以發送任何格式內容，包括文字、圖像、視頻、二進制。也豐富了命令Get，Post，Head。請求和響應的格式加入頭信息。缺點：每個TCP連接只能發送一個請求，而新建TCP連接的成本很高，導致Http/1.0新能很差。
1997發佈Http/1.1版本，完善了Http協議，直至20年後的今天仍是最流行的版本。
優點：a. 引入持久連接，TCP默認不關閉，可被多個請求複用，對於一個域名，多數瀏覽器允許同時建立6個持久連接。b. 引入管道機制，即在同一個TCP連接中，可以同時發送多個請求，不過服務器還是按順序響應。c. 在頭部加入Content-Length字段，一個TCP可以同時傳送多個響應，所以就需要該字段來區分哪些內容屬於哪個響應。d. 分塊傳輸編碼，對於耗時的動態操作，用流模式取代緩存模式，即產生一塊數據，就發送一塊數據。e. 增加了許多命令，頭信息增加Host來指定服務器域名，可以訪問一臺服務器上的不同網站。
缺點：TCP連接中的響應有順序，服務器處理完一個迴應才能處理下一個迴應，如果某個迴應特別慢，後面的請求就會排隊等著（對頭堵塞）。
2015年發佈Http/2版本，它有幾個特性：二進制協議、多工、數據流、頭信息壓縮、服務器推送。

Http請求和響應格式

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
Pragma: no-cache
Cache-Control: no-cache
Expires: Thu, 01 Jan 1970 00:00:00 GMT
Content-Encoding: gzip
Transfer-Encoding: chunked
Proxy-Connection: Keep-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"}

說明一下請求頭和響應頭的部分字段：

Host：指定服務器域名，可用來區分訪問一個服務器上的不同服務
Connection：keep-alive表示要求服務器不要關閉TCP連接，close表示明確要求關閉連接，默認值是keep-alive
Accept-Encoding：說明自己可以接收的壓縮方式
User-Agent：用戶代理，是服務器能識別客戶端的操作系統（Android、IOS、WEB）及相關的信息。作用是幫助服務器區分客戶端，並且針對不同客戶端讓用戶看到不同數據，做不同操作。
Content-Type：服務器告訴客戶端數據的格式，常見的值有text/plain，image/jpeg，image/png，video/mp4，application/json，application/zip。這些數據類型總稱為MIME TYPE。
Content-Encoding：服務器數據壓縮方式
Transfer-Encoding：chunked表示採用分塊傳輸編碼，有該字段則無需使用Content-Length字段。
Content-Length：聲明數據的長度，請求和迴應頭部都可以使用該字段。

Tcp三次握手

Http和Https協議請求時都會通過Tcp三次握手建立Tcp連接。那麼，三次握手是指什麼呢？

image.png

那麼，為什麼一定要三次握手呢，一次可以嗎？兩次可以嗎？帶著這些問題，我們來分析一下為什麼必須是三次握手。

第一次握手，A向B發送信息後，B收到信息。B可確認A的發信能力和B的收信能力
第二次握手，B向A發消息，A收到消息。A可確認A的發信能力和收信能力，A也可確認B的收信能力和發信能力
第三次握手，A向B發送消息，B接收到消息。B可確認A的收信能力和B的發信能力

通過三次握手，A和B都能確認自己和對方的收發信能力，相當於建立了互相的信任，就可以開始通信了。

下面，我們介紹一下三次握手具體發送的內容，用一張圖描述如下：

image.png

首先，介紹一下幾個概念：

ACK：響應標識，1表示響應，連接建立成功之後，所有報文段ACK的值都為1
SYN：連接標識，1表示建立連接，連接請求和連接接受報文段SYN=1，其他情況都是0
FIN：關閉連接標識，1標識關閉連接，關閉請求和關閉接受報文段FIN=1，其他情況都是0，跟SYN類似
seq number：序號，一個隨機數X，請求報文段中會有該字段，響應報文段沒有
ack number：應答號，值為請求seq+1，即X+1，除了連接請求和連接接受響應報文段沒有該字段，其他的報文段都有該字段

知道了上面幾個概念後，看一下三次握手的具體流程：

第一次握手：建立連接請求。客戶端發送連接請求報文段，將SYN置為1，seq為隨機數x。然後，客戶端進入SYN_SEND狀態，等待服務器確認。
第二次握手：確認連接請求。服務器收到客戶端的SYN報文段，需要對該請求進行確認，設置ack=x+1（即客戶端seq+1）。同時自己也要發送SYN請求信息，即SYN置為1，seq=y。服務器將SYN和ACK信息放在一個報文段中，一併發送給客戶端，服務器進入SYN_RECV狀態。
第三次握手：客戶端收到SYN+ACK報文段，將ack設置為y+1，向服務器發送ACK報文段，這個報文段發送完畢，客戶端和服務券進入ESTABLISHED狀態，完成Tcp三次握手。

從圖中可以看出，建立連接經歷了三次握手，當數據傳輸完畢，需要斷開連接，而斷開連接經歷了四次揮手：

第一次揮手：主機1（可以是客戶端或服務器），設置seq和ack向主機2發送一個FIN報文段，此時主機1進入FIN_WAIT_1狀態，表示沒有數據要發送給主機2了
第二次揮手：主機2收到主機1的FIN報文段，向主機1迴應一個ACK報文段，表示同意關閉請求，主機1進入FIN_WAIT_2狀態。
第三次揮手：主機2向主機1發送FIN報文段，請求關閉連接，主機2進入LAST_ACK狀態。
第四次揮手：主機1收到主機2的FIN報文段，想主機2迴應ACK報文段，然後主機1進入TIME_WAIT狀態；主機2收到主機1的ACK報文段後，關閉連接。此時主機1等待主機2一段時間後，沒有收到回覆，證明主機2已經正常關閉，主機1頁關閉連接。

下面是Tcp報文段首部格式圖，對於理解Tcp協議很重要：

image.png

Https協議/SSL協議

Https協議是以安全為目標的Http通道，簡單來說就是Http的安全版。主要是在Http下加入SSL層（現在主流的是SLL/TLS），SSL是Https協議的安全基礎。Https默認端口號為443。

前面介紹了Http協議，各位同學能說出Http存在的風險嗎？

竊聽風險：Http採用明文傳輸數據，第三方可以獲知通信內容
篡改風險：第三方可以修改通信內容
冒充風險：第三方可以冒充他人身份進行通信

SSL/TLS協議就是為了解決這些風險而設計，希望達到：

所有信息加密傳輸，三方竊聽通信內容
具有校驗機制，內容一旦被篡改，通信雙發立刻會發現
配備身份證書，防止身份被冒充

下面主要介紹SSL/TLS協議。

SSL發展史（互聯網加密通信）

1994年NetSpace公司設計SSL協議（Secure Sockets Layout）1.0版本，但未發佈。
1995年NetSpace發佈SSL/2.0版本，很快發現有嚴重漏洞
1996年發佈SSL/3.0版本，得到大規模應用
1999年，發佈了SSL升級版TLS/1.0版本，目前應用最廣泛的版本
2006年和2008年，發佈了TLS/1.1版本和TLS/1.2版本

SSL原理及運行過程

SSL/TLS協議基本思路是採用公鑰加密法（最有名的是RSA加密算法）。大概流程是，客戶端向服務器索要公鑰，然後用公鑰加密信息，服務器收到密文，用自己的私鑰解密。

為了防止公鑰被篡改，把公鑰放在數字證書中，證書可信則公鑰可信。公鑰加密計算量很大，為了提高效率，服務端和客戶端都生成對話祕鑰，用它加密信息，而對話祕鑰是對稱加密，速度非常快。而公鑰用來機密對話祕鑰。

下面用一張圖表示SSL加密傳輸過程：

image.png

詳細介紹一下圖中過程：

客戶端給出協議版本號、一個客戶端隨機數A（Client random）以及客戶端支持的加密方式
服務端確認雙方使用的加密方式，並給出數字證書、一個服務器生成的隨機數B（Server random）
客戶端確認數字證書有效，生成一個新的隨機數C（Pre-master-secret），使用證書中的公鑰對C加密，發送給服務端
服務端使用自己的私鑰解密出C
客戶端和服務器根據約定的加密方法，使用三個隨機數ABC，生成對話祕鑰，之後的通信都用這個對話祕鑰進行加密。

SSL證書

上面提到了，Https協議中需要使用到SSL證書。

SSL證書是一個二進制文件，裡面包含經過認證的網站公鑰和一些元數據，需要從經銷商購買。

證書有很多類型，按認證級別分類：

域名認證（DV=Domain Validation）：最低級別的認證，可以確認申請人擁有這個域名
公司認證（OV=Organization Validation）：確認域名所有人是哪家公司，證書裡面包含公司的信息
擴展認證（EV=Extended Validation）：最高級別認證，瀏覽器地址欄會顯示公司名稱。

EV證書瀏覽器地址欄樣式：

image.png

OV證書瀏覽器地址欄樣式：

image.png

DV證書瀏覽器樣式：

image.png

按覆蓋範圍分類：

單域名證書：只能用於單域名，foo.com證書不能用不www.foo.com
通配符證書：可用於某個域名及所有一級子域名，比如*.foo.com的證書可用於foo.com，也可用於www.foo.com
多域名證書：可用於多個域名，比如foo.com和bar.com

認證級別越高，覆蓋範圍越廣的證書，價格越貴。也有免費的證書，為了推廣Https，電子前哨基金會成立了Let's Encrypt提供免費證書。

證書的經銷商也很多，知名度比較高的有亞洲誠信(Trust Asia)。

RSA加密和DH加密

加密算法分類

加密算法分為對稱加密、非對稱加密和Hash加密算法。

對稱加密：甲方和乙方使用同一種加密規則對信息加解密
非對稱加密：乙方生成兩把祕鑰（公鑰和私鑰）。公鑰是公開的，任何人都可以獲取，私鑰是保密的，只存在於乙方手中。甲方獲取公鑰，然後用公鑰加密信息，乙方得到密文後，用私鑰解密。
Hash加密：Hash算法是一種單向密碼體制，即只有加密過程，沒有解密過程

對稱加密算法加解密效率高，速度快，適合大數據量加解密。常見的堆成加密算法有DES、AES、RC5、Blowfish、IDEA

非對稱加密算法複雜，加解密速度慢，但安全性高，一般與對稱加密結合使用（對稱加密通信內容，非對稱加密對稱祕鑰）。常見的非對稱加密算法有RSA、DH、DSA、ECC

Hash算法特性是：輸入值一樣，經過哈希函數得到相同的散列值，但並非散列值相同則輸入值也相同。常見的Hash加密算法有MD5、SHA-1、SHA-X系列

下面著重介紹一下RSA算法和DH算法。

RSA加密算法

Https協議就是使用RSA加密算法，可以說RSA加密算法是宇宙中最重要的加密算法。

RSA算法用到一些數論知識，包括互質關係，歐拉函數，歐拉定理。此處不具體介紹加密的過程，如果有興趣，可以參照RSA算法加密過程。

RSA算法的安全保障基於大數分解問題，目前破解過的最大祕鑰是700+位，也就代表1024位祕鑰和2048位祕鑰可以認為絕對安全。

大數分解主要難點在於計算能力，如果未來計算能力有了質的提升，那麼這些祕鑰也是有可能被破解的。

DH加密算法

DH也是一種非對稱加密算法，DH加密算法過程。

DH算法的安全保障是基於離散對數問題。

Http協議和Https協議的對比

Http和Https的區別如下：

https協議需要到CA申請證書，大多數情況下需要一定費用
Http是超文本傳輸協議，信息採用明文傳輸，Https則是具有安全性SSL加密傳輸協議
Http和Https端口號不一樣，Http是80端口，Https是443端口
Http連接是無狀態的，而Https採用Http+SSL構建可進行加密傳輸、身份認證的網絡協議，更安全。
Http協議建立連接的過程比Https協議快。因為Https除了Tcp三次握手，還要經過SSL握手。連接建立之後數據傳輸速度，二者無明顯區別。

總結

經過了3天的學習總結，總算完成了這篇文章，本文可以幫助讀者大體上把握Http和Https的知識框架。並沒有深入探討每個主題的內容，當讀者有了自己知識框架之後，可以自行深入瞭解每個知識點的內容。

作者：左大人
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全面瞭解HTTP和HTTPS（開發人員必備）

序言

一、網絡層結構

兩種模型區別

二、HTTP協議

Http協議的發展歷史

Tcp三次握手

Https協議/SSL協議

SSL發展史（互聯網加密通信）

SSL證書

RSA加密和DH加密

總結

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