松哥最近在和小伙伴們連載 gRPC，如何確保 gRPC 通信的安全性？這就涉及到 TSL 了，但是考慮到可能有小伙伴對(duì)加密連接這一整套方案比較陌生，因此我們今天先用一篇文章跟大家捋清楚這些概念，概念搞明白了，再來看 TSL+gRPC 就很容易了。

1. HTTP 的問題

HTTP 協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol）的縮寫，它是從 WEB 服務(wù)器傳輸超文本標(biāo)記語言 HTML 到本地瀏覽器的傳送協(xié)議。HTTP 設(shè)計(jì)之初是為了提供一種發(fā)布和接收 HTML 頁面的方法，時(shí)至今日，它的作用已經(jīng)不僅僅于此了。

對(duì)于我們 Java 工程師而言，HTTP 應(yīng)該算是再熟悉不過的東西了，目前 HTTP 有多個(gè)版本，使用較多的是 HTTP/1.1 版本。

然而 HTTP 協(xié)議有一個(gè)缺陷那就是它是通過明文傳輸數(shù)據(jù)的，用戶通過 HTTP 協(xié)議傳輸?shù)膬?nèi)容很容易被惡意攔截，并且黑客可以偽裝成服務(wù)端，向用戶傳送錯(cuò)誤的信息，并且能輕易獲取用戶的隱私信息，而這些操作用戶是完全無感知的。

由于存在這樣的安全隱患，現(xiàn)在小伙伴們見到的大部分網(wǎng)站都在逐步轉(zhuǎn)為 HTTPS，HTTP 網(wǎng)站會(huì)越來越少了。

2. HTTPS

HTTPS（HyperText Transfer Protocol Secure）中文譯作超文本傳輸安全協(xié)議，這是一種通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全通訊的傳輸協(xié)議。

HTTPS 本質(zhì)上還是由 HTTP 進(jìn)行通信，只是在 HTTP 協(xié)議和 TCP 層之間增加了一個(gè) SSL 的安全傳輸協(xié)議。整個(gè)傳輸?shù)募用苓^程都在新的安全層 SSL/TLS 中實(shí)現(xiàn)，而原來的 HTTP 層的傳輸流程保持不變，這樣就很好地兼容了舊的 HTTP 協(xié)議，也沿襲了 TCP/IP 協(xié)議族的分層思想。

通過 HTTPS，客戶端可以確認(rèn)服務(wù)端的身份，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被篡改，當(dāng)我們?cè)谧约旱臑g覽器上與某一個(gè)網(wǎng)站建立 HTTPS 連接的時(shí)候，滿足如下情況可以表示這個(gè)服務(wù)端可以被信任：

1. 首先我們的操作系統(tǒng)中安裝了正確且受信任的證書。我們?cè)?cmd 命令行中執(zhí)行 ??certmgr.msc?? 命令，可以查看操作系統(tǒng)已經(jīng)安裝的證書列表。

2. 瀏覽器本身正確實(shí)現(xiàn)了 HTTPS。
3. 被訪問的網(wǎng)站提供了一個(gè)證書，這個(gè)證書是由一個(gè)操作系統(tǒng)所信任的證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)簽發(fā)的，操作系統(tǒng)所信任的證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)一般都預(yù)裝在操作系統(tǒng)中，通過第一步的方式可以查看。
4. 被訪問的網(wǎng)站所提供的證書被成功認(rèn)證。

這里邊涉及到一些證書和協(xié)議的概念，接下來松哥和大家把整個(gè)過程捋一捋。

3. TLS/SSL

前面我們提到，HTTPS 就是在 HTTP 的基礎(chǔ)之上增加了 TLS/SSL，那么這兩個(gè)東西該如何理解呢？

SSL/TLS 是一種密碼通信方案，算是目前使用最廣泛的密碼通信方案了。SSL 全稱是 Secure Socket Layer，中文譯作安全套接層，是 1994 年由 Netscape 公司設(shè)計(jì)的一套協(xié)議，并與 1995 年發(fā)布了 3.0 版本；TLS 全稱是 Transport Layer Security，中文譯作傳輸層安全，則是 IETF 在 SSL3.0 基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的協(xié)議，實(shí)際上相當(dāng)于 SSL 的后續(xù)版本，目前 TLS 先后迭代了 ??TLS 1.0???、??TLS 1.1???、??TLS 1.2??? 和 ??TLS 1.3???，目前被廣泛使用的是 ??TLS 1.2?? 版本。

SSL/TLS 涉及到了密碼學(xué)中的對(duì)稱加密、非對(duì)稱加密、數(shù)字簽名等等，算是密碼學(xué)領(lǐng)域里的集大成者了。

3.1 TLS

接下來我們就來看看 TLS 如何確保 HTTP 安全。

為了確?？蛻舳撕头?wù)端之間的數(shù)據(jù)安全，我們很容易想到一種方案就是對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，沒錯(cuò)，這是一個(gè)辦法，事實(shí)上也是這么做的。

加密又分為兩種：

1. 對(duì)稱加密
2. 非對(duì)稱加密

那么該使用哪一種呢？

對(duì)稱加密，也就是加密密鑰和解密密鑰是同一個(gè)，當(dāng)瀏覽器和服務(wù)端需要進(jìn)行通信的時(shí)候，約定好一個(gè)密鑰，然后使用這個(gè)密鑰對(duì)發(fā)送的消息進(jìn)行加密，對(duì)方收到消息之后再使用相同的密鑰對(duì)消息進(jìn)行解密。但是，在 B/S 架構(gòu)的項(xiàng)目中，這種方案顯然不合適，一個(gè)網(wǎng)站把自己的密鑰告訴全世界所有的瀏覽器，那加密和不加密還有區(qū)別嗎？

有小伙伴可能又想到了不對(duì)稱加密，不對(duì)稱加密倒是個(gè)辦法，因?yàn)椴粚?duì)稱加密是有一個(gè)密鑰對(duì)公鑰和私鑰，公鑰可以公布出來告訴所有人，私鑰只有自己知道。通信的時(shí)候，客戶端首先使用公鑰對(duì)消息進(jìn)行加密，服務(wù)端收到之后，再通過私鑰對(duì)消息進(jìn)行解密，這看起來似乎挺完美的。但是?。?！非對(duì)稱加密存在一個(gè)問題，就是非對(duì)稱加密和解密相當(dāng)耗時(shí)，通過這種方式處理加解密效率太低。

那怎么辦？我們可以將兩者結(jié)合起來。

具體來說，就是這樣：首先服務(wù)端會(huì)生成一個(gè)非對(duì)稱加密的密鑰對(duì)，私鑰自己保存，公鑰發(fā)送給客戶端，客戶端拿到這個(gè)公鑰之后，再生成一個(gè)對(duì)稱加密的密鑰，然后把對(duì)稱加密的密鑰通過公鑰進(jìn)行加密，加密之后發(fā)送給服務(wù)端，服務(wù)端通過私鑰進(jìn)行解密，這樣客戶端和服務(wù)端就可以通過對(duì)稱加密進(jìn)行通信了。

事實(shí)上，TLS 大致上的思路就是這樣的。

不過上面這個(gè)方案還是有一個(gè)漏洞，那就是服務(wù)端要通過明文傳輸?shù)姆绞桨压€發(fā)送給客戶端，這個(gè)過程還是不安全的，可能被人惡意截胡，那么這個(gè)問題該如何解決呢？

這就涉及到另外一個(gè)概念叫做數(shù)字證書了。

3.2 CA

數(shù)字證書是一個(gè)包含了目標(biāo)網(wǎng)站各種信息如網(wǎng)站域名、證書有效期、簽發(fā)機(jī)構(gòu)、用于生成對(duì)稱密鑰的公鑰、上級(jí)證書簽發(fā)的簽名等的文件，通過數(shù)字證書我們可以確認(rèn)一個(gè)用戶或者服務(wù)站點(diǎn)的身份。

實(shí)際場(chǎng)景中的數(shù)字證書是一系列的，形成了一個(gè)信任鏈，信任鏈的最頂端是 CA。

CA 是 Certificate Authority 的簡(jiǎn)寫，它是一個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)放和管理數(shù)字的證書的第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)。CA 的工作流程是這樣的：

1. CA 自己給自己頒發(fā)的用自己的私鑰簽名的證書稱為根證書，根證書的私鑰安全性至關(guān)重要，根證書的私鑰都是被保存在離線計(jì)算機(jī)中，有嚴(yán)格的操作規(guī)章，每次需要使用時(shí)，會(huì)有專人將數(shù)據(jù)通過 USB 拷貝過去，操作完了以后，再將數(shù)據(jù)帶出來（這個(gè)專指 CA 根證書的私鑰）。
2. 一個(gè)用戶想要獲取一個(gè)證書，首先自己得有一個(gè)密鑰對(duì)，私鑰自己留著，公鑰以及其他信息發(fā)送給 CA，向 CA 提出申請(qǐng)，CA 判明用戶的身份之后，會(huì)將這個(gè)公鑰和用戶的身份信息綁定，并且為綁定后的信息進(jìn)行簽名（簽名是通過 CA 根證書的私鑰進(jìn)行的），最后將簽名后的證書發(fā)給申請(qǐng)者。
3. 一個(gè)用戶想要鑒定一個(gè)證書的真?zhèn)?，就通過 CA 的公鑰對(duì)證書上的數(shù)字簽名進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過，就認(rèn)為這個(gè)這個(gè)證書是有效的。

上面這個(gè)流程中有一個(gè)重要前提，那就是 CA 受到大家所有人的信任。

然而在實(shí)際操作中，我們并不能直接去跟 CA 申請(qǐng)一個(gè)數(shù)字證書，因?yàn)槿澜缫J(rèn)證的內(nèi)容太多了，CA 搞不過來，而且頻繁的找 CA 申請(qǐng)，還有可能導(dǎo)致私鑰泄漏，這可就是一個(gè)大的災(zāi)難了。

那怎么辦呢？實(shí)際操作中，我們可以基于 CA 來構(gòu)建一個(gè)信任鏈。具體來說，步驟是這樣：

1. 首先我們的手機(jī)、筆記本等操作系統(tǒng)中都預(yù)裝了 CA 頒發(fā)的根證書，他們是所有信任構(gòu)建的基石，前面松哥已經(jīng)截圖給大家看了 Windows 中預(yù)裝的根證書了。
2. 假設(shè) CA 簽發(fā)了一個(gè)證書 A，在這個(gè)過程中 CA 稱為 Issuer，A 稱為 Subject，假設(shè) A 是一個(gè)受信任的中間證書，已經(jīng)預(yù)裝在我們的操作系統(tǒng)中了?，F(xiàn)在由 A 利用它自己的私鑰給某一個(gè)網(wǎng)站簽發(fā)了一個(gè)證書 B。
3. 現(xiàn)在當(dāng)我們的電腦需要訪問該網(wǎng)站的時(shí)候，該網(wǎng)站就會(huì)給我們發(fā)來一個(gè)證書 B，由于我們的瀏覽器并不知道 B 證書是否合法，但是我們的電腦上已經(jīng)預(yù)裝了 A 證書，我們可以從 A 證書中提取出 A 的公鑰，然后利用 A 的公鑰對(duì) B 證書的簽名進(jìn)行驗(yàn)證（因?yàn)?B 證書的簽名是 A 的私鑰簽的），如果驗(yàn)證通過了，就說明 B 是合法的。
4. 相同的道理，B 也可以繼續(xù)簽發(fā) C 證書，C 繼續(xù)簽發(fā) D 證書，這樣就形成了一個(gè)信任鏈。
5. 如果服務(wù)端的簽名是 D 證書，那么一般來說，服務(wù)器返回給瀏覽器的就會(huì)包含 B、C、D 三個(gè)證書（因?yàn)?A 證書已經(jīng)在我們的電腦上了），即使只返回 D 證書，瀏覽器也可以根據(jù) D 書中的信息，自動(dòng)下載到 B、C 兩個(gè)證書然后進(jìn)行驗(yàn)證。

松哥記得以前上大學(xué)的時(shí)候，在 12306 網(wǎng)站上買火車票，第一次訪問的時(shí)候必須要自己先手動(dòng)安裝一個(gè)根證書到系統(tǒng)中，然后才能訪問。這就是因?yàn)楫?dāng)時(shí) 12306 所使用的證書的簽發(fā)機(jī)構(gòu)不被瀏覽器認(rèn)可，類似于上面的第 3 步，12306 給我發(fā)了一個(gè)數(shù)字證書 B 回來，但是瀏覽器上沒有合適的公鑰對(duì)這個(gè) B 證書進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)我往自己的系統(tǒng)上安裝了 12306 給的證書之后，相當(dāng)于我的電腦上有了一個(gè)證書 A，現(xiàn)在就可以對(duì) B 證書進(jìn)行驗(yàn)證了。

總結(jié)一下：

1. CA 是一個(gè)權(quán)威的機(jī)構(gòu)，是一個(gè)發(fā)證機(jī)關(guān)，CA 發(fā)出來的證書可以證明一個(gè)人或者組織的身份。
2. 任何人都可以得到 CA 的證書（含公鑰），用以驗(yàn)證 CA 所簽發(fā)的證書。
3. 每一個(gè)數(shù)字證書都是由上級(jí)證書的私鑰來簽發(fā)的，處于最頂層的就是 CA 簽發(fā)的根證書了，這個(gè)根證書沒有上級(jí)證書了，所以這個(gè)根證書實(shí)際上是由 CA 自己的私鑰來簽發(fā)的，這也叫做自簽名，即 Self-Signed。

當(dāng)我們有了數(shù)字簽名之后，就可以解決 3.1 小節(jié)最后提出的問題了。服務(wù)端將數(shù)字簽名發(fā)給瀏覽器，瀏覽器利用系統(tǒng)已經(jīng)內(nèi)置的公鑰驗(yàn)簽，確認(rèn)簽名沒問題，然后就提取出來數(shù)字簽名中的公鑰，開始協(xié)商對(duì)稱加密的私鑰了～

好啦，有了這些知識(shí)儲(chǔ)備之后，下篇文章松哥來和大家聊一聊 TLS+gRPC 怎么玩！