最近 NSA 相关话题很火。很多 IT 从业者都知道，HTTPS 可以保护用户敏感的数据，但是说起 HTTPS 到底 是如何工作的，其实心里并不清楚。
使用 HTTPS 之后，数据是如何被保护的？Client 和 Server 之间如果有人在 hacking，HTTPS 建立的连接凭什么就是安全的？什么是安全证书？为什么有时候我们需要付钱才能买到一个？
A Series of Tubes
当你访问网页的时候，你发出的请求其实要翻越各种网关走很长的路，这一路上都可能有妖魔鬼怪在等着搞你，的数据。
一般我们访问网页的时候，请求使用的是 HTTP，也就是 Client 和 Server 之间的数据是明文传送的。HTTP没有使用任何加密的原因有很多:
- 加密会消耗更多的计算能力
- 加密会消耗更多的带宽
- 加密破坏了 Cache
当然，还有一个很多开发组织羞于承认的原因，加密增加了开发的难度。但是，只要是负责任的 Web 应用开发者，都不会让你的密码等关键信息以明文的方式传来传去。
Transport Layer Security (TLS)
TLS 作为 SSL 的前驱协议，常常被用来实现对 HTTP 连接的加密（比如用来实现 HTTPS）。TLS 是传输层的，因此在OSI模型里面比 HTTP 更底层，换句话说，在 HTTP 连接之前，先要进行 TLS 连接的建立。
TLS 是一种混合型的加密系统，也就是说它使用了多种加密技术体系，比如：
Public Key Cryptography
Symmetric Key Cryptography
Public Key Encryption
Public Key Encryption使用公钥私钥进行加密解密：通信中的各方都有一对公钥私钥。明文信息用公钥加密成密文，密文用私钥解密成明文。
这种加密系统理想之处在于，在一个公开的没有加密的连接中，可以迅速地为之前互不相干的通信双方建立起一个加密了的连接。
当一条消息被加密成密文之后，只能使用加密用的公钥对应的私钥才能解密。这些钥匙的命名也体现了它们的使用场景：公钥可以被公开，但是私钥一定要收好。
以 CS 架构的系统为例，Client 和 Server 都可以使用自己的私钥，只要在 session 中双方都认可所谓的shared secret key。这样即使有人监听了 Client 和 Server 之间的通信，他也没法知道 Client 或者 Server 的私钥，同时也不知道 session 的密钥。
这是怎么做到的? 数学!
Diffie-Hellman
这种交换通常使用所谓的Diffie-Hellman密钥交换流程。这套流程主要是让 Client 和 Server 之间生成一个shared secret key。
假设 Alice 和 Bob 在做 DH 交换（不是 Desperate Housewife），他们会先明文共享一个 root值 (一般是 2、3 或者 5 这样的整数)和一个大质数 (300%2B 位整数)。
如前所述，Alice 和 Bob 还有自己的私钥(100%2B 位的整数)，他们不能告诉对方私钥，而是通过双方共享的root和大质数计算出一个mixture：
Alice的mixture = (root的Alice私钥值次方) % 大质数 Bob的mixture = (root的Bob私钥值次方) % 大质数
注意这里的%是模运算
计算出mixture之后，Alice 和 Bob 就把这个结果发送给对方，然后继续如下的计算：
Alice这边：(Bob的mixture的Alice私钥值次方) % 大质数 Bob这边：(Alice的Bob私钥值次方) % 大质数
这样在 Bob 和 Alice 两边独立计算，但得出的结果却是一致的：这就是shared secret了。可以看到这个流程的设计非常注意信息的保护：整个过程中双方没有交换自己的私钥，最后得到的shared secret也没在网络上发送。
对数学计算不感冒的同学，下面这张 Wikipedia 的配图非常直观：
从图里可以看到，双方一开始共享的黄色，在最后生成了共享的褐色，而这期间交换的只有被称为mixture的中间产物：即使有人监听并拿到，也无所谓。
Symmetric Key Encryption
前面说的这种流程每个 session 只用在初始化连接的时候发生一次。一旦生成了shared secret，Client 和 Server 之间就可以使用symmetric-key加密系统了。
这种使用shared secret的加密通信会涉及一系列的cipher suite，也就是一系列的加密算法。
认证
Diffie-Hellman 密钥交换流程没有解决认证的问题。这就好比我们拿起电话跟朋友打过去，先进行了 DH 交换，这样这次通话是其他人没法破解的。但是如果其实对方根本就不是朋友，那么还是白加密了。
为了解决认证的问题，我们需要 Public Key Infrastructure 来确保对方是我们要通信的对象。这些 infrastructure 用来创建，管理，发放和注销签名证书：没错，就是你花钱买了才能让你的网站可以使用 HTTPS 的可恶的证书。
证书是什么东西？为什么它可以让通信更安全？
证书
粗略地说，证书就是一个使用数字签名把机器的公钥和身份进行绑定的文件，来防止有人把自己的公钥亮出来冒充他人身份。在实际操作中，身份主要是通过域名来体现。
大多数的 web 浏览器都会检查证书有没有使用可信的Certificate Authority或者说CA授权的签名。CA 在授权之前，会进行人工检查，看证书申请者是否:
- 实际存在的人或者组织
- 对自己声称的身份，比如域名，有所有权
一旦授权签名，就说明认定证书所有者的身份和它提供的公钥是绑定的。
我们的浏览器都会添加一堆可信的 CA 证书，而如果访问的服务器不能返回可信的 CA 证书，浏览器就会提示用户。换句话说，即使一个恶意网站生成了绑定自己机器公钥的证书声称自己是 facebook.com，因为这个证书不是可信 CA 的，浏览器也不会相信它。
增强型证书
除开一般的X.509证书，还有一种增强型证书提供一种更强的身份校验。
要申请这种证书 CA 会进行更细致的检查，比如要求提供使用域名的账单等。一旦使用了这种证书，在有的浏览器工具栏上可以看到站点是绿色的。
一个服务器多个站点
一般如果多个网站使用同一个服务器来部署会使用named virtual hosts。但由于 TLS 握手发生在 HTTP 连接建立之前，所以可能会造出 问题。
因此如果你的网站需要 HTTPS，空间提供者都会要求你租用独立 IP 的服务器。
—
最后，Wikipedia 是研究这种东西的好去处, 也可以看看 Coursera的这个课程 。