字节面试深入解析 HTTPS：如何保证互联网数据传输安全的全面指南及实战教程

前言

目前关于 HTTPS 的文章已经不少，但很多讨论都停留在理论层面，缺乏深入的分析和原因解释。这种情况下，对于刚接触这一领域的新人而言，阅读后往往只会感到似懂非懂。因此，本文希望通过从 HTTP 开始，逐步深入到 HTTPS 的内容来帮助你更清晰地理解 HTTPS 的本质、必要性以及其具体实现方式。相信你在看完本文后将能对 HTTPS 有更深刻的认识。

不仅如此，除了原理部分，本文还附带了 HTTP 和 HTTPS 的实战教程，指导你从零开始构建一个 HTTPS 加密的网络服务器。通过实践，你将对 HTTPS 的运作有更直观的理解。

接下来，我们将直接进入主题。

什么是 HTTPS？

HTTPS 是在 HTTP 的基础上，通过 SSL（安全套接层）增加了一层加密协议，以增强 HTTP 协议的安全性。因此，在深入了解 HTTPS 之前，我们首先需要了解 HTTP。

一、HTTP

HTTP，全名为超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol），是一种广泛应用于互联网中，浏览器与服务器之间的应用层传输协议。简单来说，浏览器通过发送 HTTP 请求与服务器进行交流，并接收响应，从而在用户的电脑屏幕上显示数据。

以访问 http://httpbin.org 为例，一个典型的 HTTP 请求如下所示：

GET / HTTP/1.1
Accept: text/html,...
Accept-Encoding: gzip, deflate
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Cache-Control: no-cache
Connection: keep-alive
Host: httpbin.org
Pragma: no-cache
Upgrade-Insecure-Requests: 1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/112.0.0.0 Safari/537.36

此请求中，GET 表示请求方法，后面的 / 则表示请求路径。HTTP/1.1 是协议版本，接下来的部分是 HTTP 头部信息。

那么，一个典型的 HTTP 响应如下所示：

HTTP/1.1 200 OK
Date: Sat, 08 Apr 2023 16:28:43 GMT
Content-Type: text/html; charset=utf-8
Content-Length: 9593
Connection: keep-alive
Server: gunicorn/19.9.0
Access-Control-Allow-Origin: *
Access-Control-Allow-Credentials: true

响应同样包括协议版本、响应状态码（如 200 OK 表示成功），以及后续的 HTTP 头部信息和响应体内容。由于本文的重点不在于 HTTP 的深入探讨，因此这里不再详细介绍各个部分的作用。如果你对 HTTP 还不太了解，建议你查看本文附录部分，进行简单的实践。

二、为什么需要 HTTPS

在讨论 HTTPS 之前，我们首先要弄清楚 HTTP 的缺点。我们知道，HTTP（除了最新的 HTTP/3 外）基于 TCP 协议进行传输。在建立 TCP 连接时，数据是明文传输的，这也是 HTTP 最不安全的地方。

明文传输意味着当你通过浏览器访问网页时，数据在各个节点之间的传输过程中，任何一个节点都可以窃听或修改数据。打个比方，如果在战场上，两个部队通过电台进行明文交流，敌军就可以窃听获取重要的军事情报。

HTTPS 正是通过加密数据来解决这一问题。具体而言，在发送 HTTP 请求之前，浏览器会对请求数据进行加密，服务器接收后解密并生成响应，同样对响应进行加密后返回给浏览器。这样，无论是路由器还是运营商，都无法窃听或篡改数据。

因此，HTTPS 的主要作用是确保数据传输的安全性，防止中间节点进行窃听和篡改。

三、HTTP + SSL = HTTPS！

在 HTTPS 的具体实现中，SSL（安全套接层）成为了数据加密的关键。SSL 是一种安全协议，保护互联网数据的传输安全，主要通过加密技术防止敏感数据被黑客窃取和篡改。SSL 协议现已演变为更安全的 TLS（传输层安全协议）。

在 TCP 协议中，三次握手成功后，数据传输之前需要进行 TLS 握手。TLS 握手的目的在于确保通信双方约定一个安全的加密方案，这个过程即使被窃听也无法解析。通过对称加密和非对称加密的结合使用，TLS 握手确保双方能够安全地商量出一个共同的密钥。

四、对称加密与非对称加密

对称加密的特征是双方共享一个密钥，用于加密和解密数据。问题在于如何安全地传输这个密钥，防止其被窃取。此时，非对称加密应运而生。在非对称加密中，每个用户有一对密钥：公钥和私钥。公钥可以公开，而私钥则需严格保密。任何用公钥加密的数据，只有私钥能够解密，反之亦然。

通过这种方式，服务器生成的一对公私钥可以保护预主密钥的安全传输，确保密钥在传输过程中不会被第三方窃取。

五、中间人攻击

中间人攻击是一种常见的网络攻击手段，攻击者通过伪冒目标服务器或窃听通信渠道，获取用户数据。为了防止中间人攻击，我们需要确保我们访问的确实是目标服务器。

为此，需要引入数字证书和证书权威机构（CA）。数字证书由 CA 颁发，证明服务器的身份并包含公钥等信息。通过验证数字证书，用户可以确认与其建立连接的服务器是可信的。

六、数字证书与 CA

数字证书由 CA 颁发，证明身份并包含公钥等信息。用户在访问网站时，服务器会发送数字证书，用户通过 CA 的公钥验证证书的有效性。

数字证书的内容包括颁发者的信息、有效期、指纹等。一旦数字证书被篡改，浏览器会立刻警告用户。

七、TLS 握手具体过程

TLS 握手的过程包括多个步骤，确保双方安全协商加密方案。首先，客户端与服务器之间通过 Client Hello 和 Server Hello 信息交换，确认支持的加密算法。然后，客户端会生成并加密预主密钥，服务器解密后双方生成共享密钥并开始加密通信。整个过程中，使用非对称加密确保密钥传输的安全。

八、总结

HTTPS 的主要成果是确保数据在传输过程中的安全性以及与目标服务器的身份可信性。它通过加密技术和数字证书有效保护用户数据，避免中间人攻击和数据篡改。

附录一：HTTP 实战

对于不熟悉 HTTP 的读者，可以尝试进行简单的实战。通过访问 httpbin.org 并使用开发者工具观察 HTTP 请求和响应的细节，可以帮助理解 HTTP 的基本结构。

附录二：数字证书实战

本部分的实战教程将引导你体验 HTTPS 的完整流程，包括证书生成、HTTPS 服务器建设以及浏览器访问。通过实际操作，你将更深入地理解 HTTPS 的原理和应用。

通过这些内容，你将全面掌握 HTTPS 的安全机制，成为一个更具技术实力的开发者。