HTTPS握手过程与密钥交换详解

一、HTTPS概述
HTTPS是在HTTP协议基础上添加SSL/TLS加密层的安全传输协议，通过加密通信内容防止窃听、篡改和冒充。其核心安全机制依赖于数字证书和密钥交换过程。

二、SSL/TLS协议分层

1. 握手协议：协商加密参数、验证身份、生成会话密钥
2. 记录协议：对传输数据分段、压缩、加密和添加MAC
3. 警报协议：传输错误警告和连接关闭通知
4. 变更密码规范协议：通知对方切换至加密通信模式

三、完整握手过程（RSA密钥交换为例）

Client                                                  Server
  |                                                       |
  | 1. ClientHello（随机数、密码套件列表）                 |
  | ----------------------------------------------------> |
  |                                                       |
  | 2. ServerHello（随机数、选定密码套件）                 |
  | 3. Certificate（服务器证书链）                        |
  | 4. ServerKeyExchange（可选，如DH参数）               |
  | 5. ServerHelloDone                                   |
  | <---------------------------------------------------- |
  |                                                       |
  | 6. ClientKeyExchange（预主密钥加密传输）              |
  | 7. ChangeCipherSpec（切换加密通知）                   |
  | 8. Finished（加密的握手完成消息）                     |
  | ----------------------------------------------------> |
  |                                                       |
  | 9. ChangeCipherSpec                                  |
  |10. Finished                                          |
  | <---------------------------------------------------- |
  |                                                       |
  |                加密的应用数据通信开始                  |

四、逐步解析关键阶段
阶段1：ClientHello

• 客户端生成随机数ClientRandom（32字节）
• 发送支持的TLS版本、密码套件列表（如TLS_AES_128_GCM_SHA256）
• 包含SNI扩展指示目标域名

阶段2：ServerHello响应

• 服务器生成随机数ServerRandom（32字节）
• 从客户端列表中选择双方都支持的密码套件
• 确定是否使用会话恢复或重新握手

阶段3：证书验证

• 服务器发送X.509数字证书链（叶子证书→中间CA→根CA）
• 客户端用预置的根证书验证证书链的完整性和有效性
• 检查证书域名匹配、有效期和吊销状态（OCSP/CRL）

阶段4：密钥交换（核心）

1. 预主密钥生成：客户端生成48字节预主密钥（Premaster Secret）
2. 密钥传输：用服务器证书公钥加密预主密钥，发送ClientKeyExchange
3. 密钥推导：双方通过PRF函数基于以下输入计算主密钥：

   主密钥 = PRF(预主密钥, "master secret", ClientRandom + ServerRandom)
   

4. 会话密钥生成：基于主密钥派生实际加密使用的密钥块：

   密钥块 = PRF(主密钥, "key expansion", ServerRandom + ClientRandom)
   

   分割为：客户端MAC密钥、服务器MAC密钥、客户端加密密钥、服务器加密密钥

阶段5：切换加密与完成验证

1. ChangeCipherSpec：明文通知对方后续消息将加密
2. Finished消息：发送加密的HMAC值，包含之前所有握手消息的摘要
3. 双向验证：双方校验Finished消息确保握手过程未被篡改

五、密钥交换算法演进

1. RSA密钥交换：预主密钥由客户端生成并通过服务器公钥加密传输
2. DH系列算法：
   • 传统DH：双方交换DH参数计算共享密钥
   • ECDHE（现代主流）：基于椭圆曲线，支持前向保密

   客户端生成临时密钥对 → 发送ClientKeyExchange包含公钥参数
   服务器生成临时密钥对 → 发送ServerKeyExchange包含公钥参数
   双方通过ECDH计算得到相同的预主密钥
   

六、会话恢复优化

1. Session ID恢复：服务器保存会话状态，客户端发送之前会话ID跳过完整握手
2. Session Ticket：服务器加密会话状态发送给客户端，客户端下次握手时带回

七、安全特性分析

• 保密性：对称加密保护传输数据（如AES-GCM）
• 完整性：HMAC防止数据篡改
• 身份验证：数字证书验证服务器身份（客户端证书可选）
• 前向保密：ECDHE等算法确保即使服务器私钥泄露，历史通信仍安全

通过以上步骤，HTTPS在TCP连接基础上建立了安全的加密通道，后续所有HTTP通信都通过该通道进行加密传输，保障了Web通信的安全性。