HTTP/HTTPS 与 TLS 握手协议理解

项目背景

HTTP/HTTPS 是 Web 开发的基础协议。理解它们的区别和 TLS 握手过程，对构建安全的 Web 应用至关重要。

HTTP 的特点

HTTP（HyperText Transfer Protocol）是无状态、明文传输、请求-响应模式的协议。

无状态：服务端不记住客户端身份，每次请求都是独立的。Cookie/Session 解决了这个问题，但 HTTP 协议本身是无状态的。

明文传输：数据以纯文本形式在网络中传输。HTTP 代理可以拦截和查看所有通信内容。这是 HTTP 不安全的核心原因。

请求-响应：客户端主动发起请求，服务端响应。服务端不能主动推送数据给客户端。WebSocket 的出现弥补了这一点。

用 OpenSSL 观察 TLS 握手

openssl s_client 可以手动发起 TLS 握手并查看握手过程的每一个消息：

$ openssl s_client -connect www.example.com:443 -tls1_3

# 输出包含：
CONNECTED(00000003)
---
Certificate chain
 0 s:CN = www.example.com
   i:C = US, O = Let's Encrypt, CN = R3
 1 s:C = US, O = Let's Encrypt, CN = R3
   i:C = US, O = Internet Security Research Group, CN = ISRG Root X1
---
SSL handshake has read 3483 bytes and written 383 bytes
---
New, TLSv1.3, Cipher is TLS_AES_256_GCM_SHA384
---

关键信息解读：

• Certificate chain：服务器证书由 Let's Encrypt 的中间证书 R3 签发，R3 又由 ISRG Root X1 根证书签发
• TLSv1.3：握手版本是 1.3
• TLS_AES_256_GCM_SHA384：协商的加密套件，AES-256-GCM 对称加密，SHA-384 HMAC

TLS 1.3 握手过程（1-RTT）

TCP 三次握手完成后：

客户端                             服务端
  │                                   │
  │  ClientHello                      │
  │  ├ 支持的 TLS 版本: {1.3, 1.2}    │
  │  ├ 加密套件列表                    │
  │  └ 密钥交换参数 (key_share)        │
  │─────────────────────────────────>│
  │                                   │
  │  ServerHello                      │
  │  ├ 选定版本: TLS 1.3              │
  │  ├ 选定加密套件                    │
  │  └ 服务端 key_share               │
  │  Certificate                      │
  │  ├ 服务器证书                      │
  │  └ 中间证书                        │
  │  CertificateVerify                │
  │  └ 证明持有证书私钥的签名           │
  │  Finished                         │
  │<─────────────────────────────────│
  │                                   │
  │  Finished                         │
  │  [开始加密通信]                     │
  │─────────────────────────────────>│
  │                                   │

TLS 1.3 的关键改进：1-RTT（一次往返）完成握手，比 1.2 的 2-RTT 快了一倍。支持 0-RTT 会话恢复——之前连接过的客户端可以直接发送加密数据。

用 Python 实现 HTTPS 服务器

from http.server import HTTPServer, SimpleHTTPRequestHandler
import ssl

# 创建一个 HTTPS 服务器
httpd = HTTPServer(('0.0.0.0', 8443), SimpleHTTPRequestHandler)

# 用自签名证书包装为 TLS
context = ssl.SSLContext(ssl.PROTOCOL_TLS_SERVER)
context.load_cert_chain(certfile='server.crt', keyfile='server.key')
httpd.socket = context.wrap_socket(httpd.socket, server_side=True)

print("HTTPS server running on https://localhost:8443")
httpd.serve_forever()

自签名证书只在开发环境用，生产环境必须使用 CA（证书颁发机构）签发的证书，比如 Let's Encrypt 的免费证书。

证书链验证

浏览器检查服务器证书有效性的过程：

import ssl
import socket

hostname = "www.example.com"
ctx = ssl.create_default_context()  # 信任系统内置根证书

with socket.create_connection((hostname, 443)) as sock:
    with ctx.wrap_socket(sock, server_hostname=hostname) as ssock:
        # 获取服务器证书（PEM 格式）
        cert = ssock.getpeercert()
        print(f"Subject: {cert['subject']}")
        print(f"Issuer: {cert['issuer']}")
        print(f"Valid from: {cert['notBefore']}")
        print(f"Valid to: {cert['notAfter']}")
        print(f"SAN: {cert['subjectAltName']}")

如果证书过期、域名不匹配、或由未知 CA 签发，ssl.create_default_context() 在握手阶段就直接抛出 ssl.SSLCertVerificationError。

Cookie 与 Session

Cookie： 存储在浏览器端，大小限制 4KB。每次请求浏览器自动带上同 Domain 的 Cookie。

Set-Cookie: session_id=abc123; Domain=.example.com; Path=/; HttpOnly; Secure; SameSite=Strict

Session： 存储在服务器端。Session ID 通常通过 Cookie 传递。

// Spring Boot + Redis Session（一行代码开启共享 Session）
@EnableRedisHttpSession
public class SessionConfig {}

// 使用
HttpSession session = request.getSession();
session.setAttribute("user", loginUser);  // 数据自动存到 Redis

安全陷阱

• Cookie 不设 HttpOnly → XSS 攻击窃取 session_id
• Cookie 不设 Secure → HTTPS 页面中通过 HTTP 传输 cookie
• Session 存在内存中 → 重启丢失。一定要用 Redis 外部存储
• 自签名证书 → 浏览器警告，中间人可以在用户忽略警告时拦截

总结

HTTPS 保护传输途中的数据安全，但不保护两端的安全。安全是一个系统性问题，不能只靠 HTTPS。使用 HTTPS 的同时还需要注意 XSS、CSRF、SQL 注入等攻击。