简单的HTTP协议与确保Web安全的HTTPS

HTTP

什么是HTTP协议

超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）是一个简单的请求-响应协议，它通常运行在TCP之上。它指定了客户端可能发送给服务器什么样的消息以及得到什么样的响应。请求和响应消息的头以ASCII形式给出；而消息内容则具有一个类似MIME的格式。这个简单模型是早期Web成功的有功之臣，因为它使开发和部署非常地直截了当。

注意：客户端与服务器的角色不是固定的，一端充当客户端，也可能在某次请求中充当服务器。这取决与请求的发起端。HTTP协议属于应用层，建立在传输层协议TCP之上。客户端通过与服务器建立TCP连接，之后发送HTTP请求与接收HTTP响应都是通过访问Socket接口来调用TCP协议实现。

HTTP三点注意事项：

• HTTP是无连接：无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。
• HTTP是媒体独立的：这意味着，只要客户端和服务器知道如何处理的数据内容，任何类型的数据都可以通过HTTP发送。客户端以及服务器指定使用适合的MIME-type内容类型。
• HTTP是无状态：HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面，在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。

HTTP协议通信流程：

HTTP的发展阶段

HTTP/0.9

HTTP/0.9是第一个版本的HTTP协议，已过时。它的组成极其简单，只允许客户端发送GET这一种请求，且不支持请求头。由于没有协议头，造成了HTTP/0.9协议只支持一种内容，即纯文本。不过网页仍然支持用HTML语言格式化，同时无法插入图片。

HTTP/0.9具有典型的无状态性，每个事务独立进行处理，事务结束时就释放这个连接。由此可见，HTTP协议的无状态特点在其第一个版本0.9中已经成型。一次HTTP/0.9的传输首先要建立一个由客户端到Web服务器的TCP连接，由客户端发起一个请求，然后由Web服务器返回页面内容，然后连接会关闭。如果请求的页面不存在，也不会返回任何错误码。

HTTP/1.0

HTTP协议的第二个版本，第一个在通讯中指定版本号的HTTP协议版本，至今仍被广泛采用。相对于HTTP/0.9增加了如下主要特性：

• 请求与响应支持头域
• 响应对象以一个响应状态行开始
• 响应对象不只限于超文本
• 开始支持客户端通过POST方法向Web服务器提交数据，支持GET、HEAD、POST方法
• 支持长连接（但默认还是使用短连接），缓存机制，以及身份认证

HTTP/1.1

HTTP协议的第三个版本是HTTP/1.1，是目前使用最广泛的协议版本。HTTP/1.1是目前主流的HTTP协议版本，相对于HTTP/1.0新增了以下内容：

• 1、默认为长连接

HTTP 1.1支持长连接（PersistentConnection）和请求的流水线（Pipelining）处理，在一个TCP连接上可以传送多个HTTP请求和响应，减少了建立和关闭连接的消耗和延迟，在HTTP1.1中默认开启Connection：keep-alive，一定程度上弥补了HTTP1.0每次请求都要创建连接的缺点。

• 2、提供了范围请求功能(宽带优化)

HTTP1.0中，存在一些浪费带宽的现象，例如客户端只是需要某个对象的一部分，而服务器却将整个对象送过来了，并且不支持断点续传功能，HTTP1.1则在请求头引入了range头域，它允许只请求资源的某个部分，即返回码是206（Partial Content），这样就方便了开发者自由的选择以便于充分利用带宽和连接。这是支持文件断点续传的基础。

• 3、提供了虚拟主机的功能(HOST域)

在HTTP1.0中认为每台服务器都绑定一个唯一的IP地址，因此，请求消息中的URL并没有传递主机名（hostname）。但随着虚拟主机技术的发展，在一台物理服务器上可以存在多个虚拟主机（Multi-homed Web Servers），并且它们共享一个IP地址。HTTP1.1的请求消息和响应消息都应支持Host头域，且请求消息中如果没有Host头域会报告一个错误（400 Bad Request）。

• 4、多了一些缓存处理字段

HTTP/1.1在1.0的基础上加入了一些cache的新特性，引入了实体标签，一般被称为e-tags，新增更为强大的Cache-Control头。

• 5、错误通知的管理

在HTTP1.1中新增了24个错误状态响应码，如409（Conflict）表示请求的资源与资源的当前状态发生冲突；410（Gone）表示服务器上的某个资源被永久性的删除。

HTTP/2.0

HTTP协议的第四个版本是HTTP/2.0，相对于HTTP/1.1新增了以下内容：

• 1、二进制分帧

HTTP 2.0 的所有帧都采用二进制编码

帧：客户端与服务器通过交换帧来通信，帧是基于这个新协议通信的最小单位。

消息：是指逻辑上的 HTTP 消息，比如请求、响应等，由一或多个帧组成。

流：流是连接中的一个虚拟信道，可以承载双向的消息；每个流都有一个唯一的整数标识符（1、2 … N）；

• 2、多路复用

多路复用允许同时通过单一的HTTP/2.0 连接发起多重的请求-响应消息。有了新的分帧机制后，HTTP/2.0不再依赖多个TCP 连接去处理更多并发的请求。每个数据流都拆分成很多互不依赖的帧，而这些帧可以交错（乱序发送），还可以分优先级。最后再在另一端根据每个帧首部的流标识符把它们重新组合起来。HTTP 2.0 连接都是持久化的，而且客户端与服务器之间也只需要一个连接（每个域名一个连接）即可。

• 3、头部压缩

HTTP/1.1 的首部带有大量信息，而且每次都要重复发送。HTTP/2.0 要求通讯双方各自缓存一份首部字段表，从而避免了重复传输。

• 4、请求优先级

浏览器可以在发现资源时立即分派请求，指定每个流的优先级，让服务器决定最优的响应次序。这样请求就不必排队了，既节省了时间，也最大限度地利用了每个连接。

• 5、服务端推送

服务端推送能把客户端所需要的资源伴随着index.html一起发送到客户端，省去了客户端重复请求的步骤。正因为没有发起请求，建立连接等操作，所以静态资源通过服务端推送的方式可以极大地提升速度。

HTTP常见状态码

100	    继续。客户端应继续其请求
101		切换协议。服务器根据客户端的请求切换协议。只能切换到更高级的协议，例如，切换到HTTP的新版本协议
200		请求成功。一般用于GET与POST请求
201		已创建。成功请求并创建了新的资源
202		已接受。已经接受请求，但未处理完成
203		非授权信息。请求成功。但返回的meta信息不在原始的服务器，而是一个副本
204		无内容。服务器成功处理，但未返回内容。在未更新网页的情况下，可确保浏览器继续显示当前文档
205		重置内容。服务器处理成功，用户终端（例如：浏览器）应重置文档视图。可通过此返回码清除浏览器的表单域
206		部分内容。服务器成功处理了部分GET请求
300		多种选择。请求的资源可包括多个位置，相应可返回一个资源特征与地址的列表用于用户终端（例如：浏览器）选择
301		永久移动。请求的资源已被永久的移动到新URI，返回信息会包括新的URI，浏览器会自动定向到新URI。今后任何新的请求都应使用新的URI代替
302		临时移动。与301类似。但资源只是临时被移动。客户端应继续使用原有URI
303		查看其它地址。与301类似。使用GET和POST请求查看
304		未修改。所请求的资源未修改，服务器返回此状态码时，不会返回任何资源。客户端通常会缓存访问过的资源，通过提供一个头信息指出客户端希望只返回在指定日期之后修改的资源
305		使用代理。所请求的资源必须通过代理访问
306		已经被废弃的HTTP状态码
307		临时重定向。与302类似。使用GET请求重定向
400		客户端请求的语法错误，服务器无法理解
401		请求要求用户的身份认证
402		保留，将来使用
403		服务器理解请求客户端的请求，但是拒绝执行此请求
404		服务器无法根据客户端的请求找到资源（网页）。通过此代码，网站设计人员可设置"您所请求的资源无法找到"的个性页面
405		客户端请求中的方法被禁止
406		服务器无法根据客户端请求的内容特性完成请求
407		请求要求代理的身份认证，与401类似，但请求者应当使用代理进行授权
408		服务器等待客户端发送的请求时间过长，超时
409		服务器完成客户端的 PUT 请求时可能返回此代码，服务器处理请求时发生了冲突
410  	客户端请求的资源已经不存在。410不同于404，如果资源以前有现在被永久删除了可使用410代码，网站设计人员可通过301代码指定资源的新位置
411		服务器无法处理客户端发送的不带Content-Length的请求信息
412		客户端请求信息的先决条件错误
413		由于请求的实体过大，服务器无法处理，因此拒绝请求。为防止客户端的连续请求，服务器可能会关闭连接。如果只是服务器暂时无法处理，则会包含一个Retry-After的响应信息
414		请求的URI过长（URI通常为网址），服务器无法处理
415		服务器无法处理请求附带的媒体格式
416		客户端请求的范围无效
417		服务器无法满足Expect的请求头信息
500		服务器内部错误，无法完成请求
501		服务器不支持请求的功能，无法完成请求
502		作为网关或者代理工作的服务器尝试执行请求时，从远程服务器接收到了一个无效的响应
503		由于超载或系统维护，服务器暂时的无法处理客户端的请求。延时的长度可包含在服务器的Retry-After头信息中
504		充当网关或代理的服务器，未及时从远端服务器获取请求
505		服务器不支持请求的HTTP协议的版本，无法完成处理
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HTTPS

HTTP的缺点

到现在为止，我们已经了解到了HTTP具有相当优秀和方便的一面了，然后HTTP并非只有好的一面，事物皆具有两面性，它也是有不足之处的。

• 通信使用明文（不加密），内容可能会被窃听
• 不验证通信方的身份，因此有可能遭遇伪装
• 无法验证报文的完整性，所以有可能已遭篡改

这些问题不仅在HTTP协议出现，其他未加密的协议中也存在这类问题。

HTTP+加密+认证+完整性保护 = HTTPS

如果在 HTTP 协议通信过程中使用未经加密的明文，比如在 Web 页 面中输入信用卡号，如果这条通信线路遭到窃听，那么信用卡号就暴露了。

另外，对于 HTTP 来说，服务器也好，客户端也好，都是没有办法确认通信方的。因为很有可能并不是和原本预想的通信方在实际通信。 并且还需要考虑到接收到的报文在通信途中已经遭到篡改这一可能性。

为了统一解决上述这些问题，需要在 HTTP 上再加入加密处理和认证 等机制。我们把添加了加密及认证机制的 HTTP 称为 HTTPS（HTTP Secure）。

HTTPS 是身披 SSL 外壳的 HTTP

HTTPS 并非是应用层的一种新协议。只是 HTTP 通信接口部分用 SSL（安全套阶层，Secure Socket Layer）和 TLS（安全层传输协议，Transport Layer Security）协议代替而已。

通常，HTTP 直接和 TCP 通信。当使用 SSL时，则演变成先和SSL通信，再由 SSL和 TCP 通信了。简言之，所谓 HTTPS，其实就是身披 SSL协议这层外壳的 HTTP。

在采用 SSL后，HTTP 就拥有了 HTTPS 的加密、证书和完整性保护这些功能。

SSL是独立于 HTTP 的协议，所以不光是 HTTP 协议，其他运行在应用层的 SMTP 和 Telnet 等协议均可配合 SSL协议使用。可以说 SSL是 当今世界上应用最为广泛的网络安全技术。

相互交换密钥的公开密钥加密技术

在对SSL进行讲解之前，我们先来了解一下加密方法。SSL采用一种叫做公开密钥加密（Public-key cryptography）的加密处理方式。

近代的加密方法中加密算法是公开的，而密钥却是保密的。通过这种方式得以保持加密方法的安全性。

加密和解密都会用到密钥。没有密钥就无法对密码解密，反过来说， 任何人只要持有密钥就能解密了。如果密钥被攻击者获得，那加密也就失去了意义。

共享密钥加密的困境

加密和解密同用一个密钥的方式称为共享密钥加密（Common key crypto system），也被叫做对称密钥加密。

以共享密钥方式加密时必须将密钥也发给对方。可究竟怎样才能安全地转交？在互联网上转发密钥时，如果通信被监听那么密钥 就可会落入攻击者之手，同时也就失去了加密的意义。另外还得设法安全地保管接收到的密钥。

使用两把密钥的公开密钥加密

公开密钥加密方式很好地解决了共享密钥加密的困难。

公开密钥加密使用一对非对称的密钥。一把叫做私有密钥 （private key），另一把叫做公开密钥（public key）。顾名思义，私有密钥不能让其他任何人知道，而公开密钥则可以随意发布，任何人都可以获得。

使用公开密钥加密方式，发送密文的一方使用对方的公开密钥进行加密处理，对方收到被加密的信息后，再使用自己的私有密钥进行解密。利用这种方式，不需要发送用来解密的私有密钥，也 不必担心密钥被攻击者窃听而盗走。

另外，要想根据密文和公开密钥，恢复到信息原文是异常困难的，因为解密过程就是在对离散对数进行求值，这并非轻而易举就能办到。退一步讲，如果能对一个非常大的整数做到快速地因 式分解，那么密码破解还是存在希望的。但就目前的技术来看是 不太现实的。

HTTPS 采用混合加密机制

HTTPS 采用共享密钥加密和公开密钥加密两者并用的混合加密机制。若密钥能够实现安全交换，那么有可能会考虑仅使用公开密钥加密来通信。但是公开密钥加密与共享密钥加密相比，其处理速度要慢。

所以应充分利用两者各自的优势，将多种方法组合起来用于通信。在交换密钥环节使用公开密钥加密方式，之后的建立通信交换报文阶段则使用共享密钥加密方式。

证明公开密钥正确性的证书

遗憾的是，公开密钥加密方式还是存在一些问题的。那就是无法证明公开密钥本身就是货真价实的公开密钥。比如，正准备和某台服务器 建立公开密钥加密方式下的通信时，如何证明收到的公开密钥就是原本预想的那台服务器发行的公开密钥。或许在公开密钥传输途中，真正的公开密钥已经被攻击者替换掉了。

为了解决上述问题，可以使用由数字证书认证机构（CA，Certificate Authority）和其相关机关颁发的公开密钥证书。

数字证书认证机构处于客户端与服务器双方都可信赖的第三方机构的立场上。威瑞信（VeriSign）就是其中一家非常有名的数字证书认证 机构。我们来介绍一下数字证书认证机构的业务流程。首先，服务器的运营人员向数字证书认证机构提出公开密钥的申请。数字证书认证机构在判明提出申请者的身份之后，会对已申请的公开密钥做数字签名，然后分配这个已签名的公开密钥，并将该公开密钥放入公钥证书后绑定在一起。

服务器会将这份由数字证书认证机构颁发的公钥证书发送给客户端， 以进行公开密钥加密方式通信。公钥证书也可叫做数字证书或直接称为证书。

接到证书的客户端可使用数字证书认证机构的公开密钥，对那张证书上的数字签名进行验证，一旦验证通过，客户端便可明确两件事：

一、认证服务器的公开密钥的是真实有效的数字证书认证机构。
二、 服务器的公开密钥是值得信赖的。

此处认证机关的公开密钥必须安全地转交给客户端。使用通信方式时，如何安全转交是一件很困难的事，因此，多数浏览器开发商发布版本时，会事先在内部植入常用认证机关的公开密钥。