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 協議是超文本傳輸協議（Hyper Text Transfer Protocol）的縮寫，它是從 WEB 服務器傳輸超文本標記語言 HTML 到本地瀏覽器的傳送協議。HTTP 設計之初是為了提供一種發布和接收 HTML 頁面的方法，時至今日，它的作用已經不僅僅于此了。

對于我們 Java 工程師而言，HTTP 應該算是再熟悉不過的東西了，目前 HTTP 有多個版本，使用較多的是 HTTP/1.1 版本。

然而 HTTP 協議有一個缺陷那就是它是通過明文傳輸數據的，用戶通過 HTTP 協議傳輸的內容很容易被惡意攔截，并且黑客可以偽裝成服務端，向用戶傳送錯誤的信息，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，現在小伙伴們見到的大部分網站都在逐步轉為 HTTPS，HTTP 網站會越來越少了。

2. HTTPS

HTTPS（HyperText Transfer Protocol Secure）中文譯作超文本傳輸安全協議，這是一種通過計算機網絡進行安全通訊的傳輸協議。

HTTPS 本質上還是由 HTTP 進行通信，只是在 HTTP 協議和 TCP 層之間增加了一個 SSL 的安全傳輸協議。整個傳輸的加密過程都在新的安全層 SSL/TLS 中實現，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 協議，也沿襲了 TCP/IP 協議族的分層思想。

通過 HTTPS，客戶端可以確認服務端的身份，保證數據在傳輸過程中不被篡改，當我們在自己的瀏覽器上與某一個網站建立 HTTPS 連接的時候，滿足如下情況可以表示這個服務端可以被信任：

1. 首先我們的操作系統中安裝了正確且受信任的證書。我們在 cmd 命令行中執行 ??certmgr.msc?? 命令，可以查看操作系統已經安裝的證書列表。

2. 瀏覽器本身正確實現了 HTTPS。
3. 被訪問的網站提供了一個證書，這個證書是由一個操作系統所信任的證書頒發機構簽發的，操作系統所信任的證書頒發機構一般都預裝在操作系統中，通過第一步的方式可以查看。
4. 被訪問的網站所提供的證書被成功認證。

這里邊涉及到一些證書和協議的概念，接下來松哥和大家把整個過程捋一捋。

3. TLS/SSL

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

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 公司設計的一套協議，并與 1995 年發布了 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 基礎上設計的協議，實際上相當于 SSL 的后續版本，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 涉及到了密碼學中的對稱加密、非對稱加密、數字簽名等等，算是密碼學領域里的集大成者了。

3.1 TLS

接下來我們就來看看 TLS 如何確保 HTTP 安全。

為了確保客戶端和服務端之間的數據安全，我們很容易想到一種方案就是對傳輸的數據進行加密，沒錯，這是一個辦法，事實上也是這么做的。

加密又分為兩種：

1. 對稱加密
2. 非對稱加密

那么該使用哪一種呢？

對稱加密，也就是加密密鑰和解密密鑰是同一個，當瀏覽器和服務端需要進行通信的時候，約定好一個密鑰，然后使用這個密鑰對發送的消息進行加密，對方收到消息之后再使用相同的密鑰對消息進行解密。但是，在 B/S 架構的項目中，這種方案顯然不合適，一個網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別嗎？

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

那怎么辦？我們可以將兩者結合起來。

具體來說，就是這樣：首先服務端會生成一個非對稱加密的密鑰對，私鑰自己保存，公鑰發送給客戶端，客戶端拿到這個公鑰之后，再生成一個對稱加密的密鑰，然后把對稱加密的密鑰通過公鑰進行加密，加密之后發送給服務端，服務端通過私鑰進行解密，這樣客戶端和服務端就可以通過對稱加密進行通信了。

事實上，TLS 大致上的思路就是這樣的。

不過上面這個方案還是有一個漏洞，那就是服務端要通過明文傳輸的方式把公鑰發送給客戶端，這個過程還是不安全的，可能被人惡意截胡，那么這個問題該如何解決呢？

這就涉及到另外一個概念叫做數字證書了。

3.2 CA

數字證書是一個包含了目標網站各種信息如網站域名、證書有效期、簽發機構、用于生成對稱密鑰的公鑰、上級證書簽發的簽名等的文件，通過數字證書我們可以確認一個用戶或者服務站點的身份。

實際場景中的數字證書是一系列的，形成了一個信任鏈，信任鏈的最頂端是 CA。

CA 是 Certificate Authority 的簡寫，它是一個負責發放和管理數字的證書的第三方權威機構。CA 的工作流程是這樣的：

1. CA 自己給自己頒發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重要，根證書的私鑰都是被保存在離線計算機中，有嚴格的操作規章，每次需要使用時，會有專人將數據通過 USB 拷貝過去，操作完了以后，再將數據帶出來（這個專指 CA 根證書的私鑰）。
2. 一個用戶想要獲取一個證書，首先自己得有一個密鑰對，私鑰自己留著，公鑰以及其他信息發送給 CA，向 CA 提出申請，CA 判明用戶的身份之后，會將這個公鑰和用戶的身份信息綁定，并且為綁定后的信息進行簽名（簽名是通過 CA 根證書的私鑰進行的），最后將簽名后的證書發給申請者。
3. 一個用戶想要鑒定一個證書的真偽，就通過 CA 的公鑰對證書上的數字簽名進行驗證，驗證通過，就認為這個這個證書是有效的。

上面這個流程中有一個重要前提，那就是 CA 受到大家所有人的信任。

然而在實際操作中，我們并不能直接去跟 CA 申請一個數字證書，因為全世界要認證的內容太多了，CA 搞不過來，而且頻繁的找 CA 申請，還有可能導致私鑰泄漏，這可就是一個大的災難了。

那怎么辦呢？實際操作中，我們可以基于 CA 來構建一個信任鏈。具體來說，步驟是這樣：

1. 首先我們的手機、筆記本等操作系統中都預裝了 CA 頒發的根證書，他們是所有信任構建的基石，前面松哥已經截圖給大家看了 Windows 中預裝的根證書了。
2. 假設 CA 簽發了一個證書 A，在這個過程中 CA 稱為 Issuer，A 稱為 Subject，假設 A 是一個受信任的中間證書，已經預裝在我們的操作系統中了?，F在由 A 利用它自己的私鑰給某一個網站簽發了一個證書 B。
3. 現在當我們的電腦需要訪問該網站的時候，該網站就會給我們發來一個證書 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預裝了 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 B 證書的簽名進行驗證（因為 B 證書的簽名是 A 的私鑰簽的），如果驗證通過了，就說明 B 是合法的。
4. 相同的道理，B 也可以繼續簽發 C 證書，C 繼續簽發 D 證書，這樣就形成了一個信任鏈。
5. 如果服務端的簽名是 D 證書，那么一般來說，服務器返回給瀏覽器的就會包含 B、C、D 三個證書（因為 A 證書已經在我們的電腦上了），即使只返回 D 證書，瀏覽器也可以根據 D 書中的信息，自動下載到 B、C 兩個證書然后進行驗證。

松哥記得以前上大學的時候，在 12306 網站上買火車票，第一次訪問的時候必須要自己先手動安裝一個根證書到系統中，然后才能訪問。這就是因為當時 12306 所使用的證書的簽發機構不被瀏覽器認可，類似于上面的第 3 步，12306 給我發了一個數字證書 B 回來，但是瀏覽器上沒有合適的公鑰對這個 B 證書進行驗證，當我往自己的系統上安裝了 12306 給的證書之后，相當于我的電腦上有了一個證書 A，現在就可以對 B 證書進行驗證了。

總結一下：

1. CA 是一個權威的機構，是一個發證機關，CA 發出來的證書可以證明一個人或者組織的身份。
2. 任何人都可以得到 CA 的證書（含公鑰），用以驗證 CA 所簽發的證書。
3. 每一個數字證書都是由上級證書的私鑰來簽發的，處于最頂層的就是 CA 簽發的根證書了，這個根證書沒有上級證書了，所以這個根證書實際上是由 CA 自己的私鑰來簽發的，這也叫做自簽名，即 Self-Signed。

當我們有了數字簽名之后，就可以解決 3.1 小節最后提出的問題了。服務端將數字簽名發給瀏覽器，瀏覽器利用系統已經內置的公鑰驗簽，確認簽名沒問題，然后就提取出來數字簽名中的公鑰，開始協商對稱加密的私鑰了～

好啦，有了這些知識儲備之后，下篇文章松哥來和大家聊一聊 TLS+gRPC 怎么玩！