【Linux 网络基础】HTTPS 技能文档

HTTPS 技术文档

适用对象：网络/后端/安全工程师。文档涵盖 HTTPS 概述、加密原理、证书体系、TLS 握手、配置示例与常见问题，并引用相关 RFC。

目录

• HTTPS 概述
• 加密技术原理
• 数字证书体系
• SSL/TLS 握手过程
  • TLS 1.3 完整握手
  • TLS 1.2 完整握手
• 配置示例
• 常见问题与排查
• 术语表
• RFC 与参考资料

HTTPS 概述

• 定义：HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）是在 HTTP 之上叠加 TLS/SSL 的安全扩展版本，通过加密、完整性校验与身份认证保护应用层通信。
• 分层位置：TLS 位于传输层（TCP）与应用层（HTTP）之间；典型端口 443。
• HTTP vs HTTPS 对比：
  • 加密：HTTP 明文传输；HTTPS 使用对称加密（AES/ChaCha20）保护内容。
  • 完整性：HTTP 易被篡改；HTTPS 使用 AEAD（如 AES-GCM/ChaCha20-Poly1305）与序列号确保完整性。
  • 身份认证：HTTPS 通过服务器证书建立对站点的信任，支持双向认证（可选客户端证书）。
  • 协议扩展：ALPN 协商应用协议（HTTP/2、HTTP/1.1），HSTS 强制全站使用 HTTPS，SNI 支持同 IP 多证书。
  • 性能影响：握手增加往返；TLS 1.3 与会话复用/0-RTT 显著降低延迟。

加密技术原理

• 对称加密（如 AES）：同一密钥用于加/解密；HTTPS 采用 AEAD 模式（AES-GCM/ChaCha20-Poly1305）提供机密性与完整性。
• 非对称加密（RSA/ECDSA）：使用公钥/私钥对；在 HTTPS 中用于签名验证与密钥交换（TLS 1.2 可使用 RSA 密钥交换；TLS 1.3 移除 RSA 密钥交换，仅使用（EC）DHE）。
• 混合加密体系：
  • 握手阶段使用非对称与密钥协商（DHE/ECDHE/PSK）建立会话密钥。
  • 数据传输阶段使用高效对称加密保护记录层数据。
• 密钥交换：
  • TLS 1.2：支持 RSA、DHE、ECDHE；前向保密（PFS）依赖 DHE/ECDHE。
  • TLS 1.3：仅 ECDHE/DHE 与 PSK（会话票或外部 PSK）；移除静态 RSA/DH。
• 密钥派生：
  • TLS 1.2：master_secret = PRF(pre_master_secret, ClientRandom||ServerRandom) 并派生读写密钥与 IV。
  • TLS 1.3：基于 HKDF（RFC 5869）进行 early_secret、handshake_secret、master_secret 逐步派生，提供更强的密钥分离与前向保密。

数字证书体系

• 信任链：根 CA（受操作系统/浏览器信任）→ 中间 CA → 服务器证书。客户端根据信任存储验证整条链的签名与约束。
• 关键字段（X.509，RFC 5280）：
  • Subject/Issuer：主体与签发者；Serial Number：证书序列号。
  • Subject Alternative Name (SAN)：域名/IP 绑定（现代浏览器以 SAN 为准）。
  • Public Key/Signature Algorithm：公钥与签名算法（RSA/ECDSA）。
  • Validity：Not Before/Not After 有效期；时间漂移会导致验证失败。
  • Key Usage/Extended Key Usage (EKU)：密钥用途（digitalSignature、keyEncipherment 等）与扩展用途（serverAuth/clientAuth）。
  • Basic Constraints：CA 标识与路径长度约束。
• 证书验证流程：
  1. 构建证书链：服务器证书 + 中间证书（可由服务器发送/OCSP/缓存补全）。
  2. 路径验证：逐级验证签名与约束，检查根 CA 是否在信任存储中。
  3. 名称校验：使用 SAN 字段匹配访问域名（支持通配符规则）。
  4. 有效期与撤销：检查时间有效性；通过 CRL/OCSP（RFC 6960）验证撤销状态；启用 OCSP Stapling 可提升性能与可靠性。
  5. 可选客户端认证：服务器请求客户端证书并验证链/用途后建立双向认证。

SSL/TLS 握手过程

TLS 1.3 完整握手

• 特性：握手消息更少、默认前向保密、支持 0-RTT（仅在安全评估通过情况下使用）。
• 时序（Mermaid）：

• 状态转换：Initial → Handshake（密钥派生）→ Authenticated → Secure（应用数据）。
• 会话复用：NewSessionTicket 生成 PSK；后续 1-RTT 或 0-RTT 握手减少延迟。

TLS 1.2 完整握手

• 时序（Mermaid）：

• 状态转换：Initial → Negotiated → KeyExchange → Secure。
• 密钥计算：pre_master_secret（RSA 或（EC）DHE）→ master_secret（PRF）→ 派生读写密钥与 IV。

配置示例

Nginx（TLS 1.2/1.3，HTTP/2，HSTS，OCSP Stapling）

server {listen 443 ssl http2;server_name example.com;ssl_certificate     /etc/letsencrypt/live/example.com/fullchain.pem;ssl_certificate_key /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem;ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;# TLS 1.2 套件；TLS 1.3 套件由 OpenSSL 默认控制ssl_ciphers 'ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-ECDSA-CHACHA20-POLY1305:ECDHE-RSA-CHACHA20-POLY1305:ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384';ssl_prefer_server_ciphers off;# HSTSadd_header Strict-Transport-Security "max-age=31536000; includeSubDomains; preload" always;# OCSP Staplingssl_stapling on;ssl_stapling_verify on;resolver 1.1.1.1 8.8.8.8 valid=300s;resolver_timeout 5s;ssl_trusted_certificate /etc/letsencrypt/live/example.com/chain.pem;# 会话复用ssl_session_cache shared:SSL:50m;ssl_session_timeout 1d;location / {proxy_pass http://127.0.0.1:8080;}
}

OpenSSL 证书与调试

# 生成 ECDSA 私钥与 CSR（推荐 P-256 或使用 Ed25519 视支持情况）
openssl ecparam -name prime256v1 -genkey -noout -out server.key
openssl req -new -key server.key -out server.csr -subj '/CN=example.com'
# 使用 ACME 客户端（如 certbot）签发
# certbot certonly --nginx -d example.com
# 测试握手与证书链
openssl s_client -connect example.com:443 -servername example.com -alpn h2 -tls1_3 -showcerts
# 查看证书字段
openssl x509 -in fullchain.pem -text -noout

Curl/HTTP 客户端验证

# 验证 HTTPS 与 HTTP/2 协商
curl -I https://example.com --http2 -v
# 指定 CA 证书文件（自签场景）
curl https://internal.example --cacert /path/to/ca.crt

常见问题与排查

• 证书不匹配：域名未在 SAN 中；修复为重新签发包含正确域名的证书。
• 中间链缺失：服务器未发送完整链；在 ssl_certificate 提供 fullchain 或配置 ssl_trusted_certificate。
• 时间漂移：系统时间错误导致验证失败；启用 NTP 并校准时间。
• SNI 问题：多域同 IP 未正确提供相应证书；确保客户端发送 SNI，服务器按 server_name 匹配证书。
• 版本/套件不兼容：旧客户端不支持 TLS 1.3 或现代套件；开启 TLS 1.2 并提供兼容套件，避免启用过时算法（RC4、3DES）。
• OCSP Stapling 失败：DNS/防火墙阻断或 ssl_trusted_certificate 未配置；检查解析与上游 OCSP 服务。
• HTTP/2 协商失败：ALPN 未开启或证书/配置不支持；确认 http2 监听与 ALPN。
• 混合内容：HTTPS 页面加载 HTTP 资源被浏览器阻止；统一资源为 HTTPS 或使用 CSP 约束。
• 性能优化：开启会话复用/0-RTT（谨慎评估重放风险）；优先 ECDSA 证书与 ECDHE 曲线（x25519/secp256r1）。

术语表

• AEAD：具备同时提供加密与完整性的模式（如 AES-GCM）。
• ALPN：应用层协议协商，选择 h2 或 http/1.1。
• SNI：服务器名称指示，使同 IP 能托管多证书。
• PFS：前向保密，密钥泄露不影响已完成会话，依赖（EC）DHE。
• OCSP：在线证书状态协议，用于撤销检查；Stapling 为服务器缓存并提供结果。
• HKDF：基于 HMAC 的密钥派生函数，TLS 1.3 的关键组成。

RFC 与参考资料

• RFC 8446：TLS 1.3 规范
• RFC 5246：TLS 1.2 规范
• RFC 5280：互联网 X.509 公钥基础设施证书与 CRL
• RFC 6066：TLS 扩展（含 SNI）
• RFC 7301：ALPN（应用层协议协商）
• RFC 6797：HSTS（HTTP 严格传输安全）
• RFC 6960：OCSP（在线证书状态协议）
• RFC 5869：HKDF（基于 HMAC 的提取与扩展密钥派生函数）

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注：示例配置需结合具体 OpenSSL/Nginx 版本与平台进行适配与测试；生产环境建议使用自动化证书管理与安全基线审查，并通过 SSL Labs 等工具进行合规与性能评估。