uohk.comNetwork Buddies

網絡小故事 17 · 進階

封了口的信HTTPS 與 TLS（傳輸層安全）

網址旁邊的鎖頭，到底鎖住了什麼？

主角：小比、查查博士、盾盾閱讀時間約 10 分鐘

HTTPSTLSDigital Certificate

建議先讀：第 10 課

1. 故事

按「下一步」一步一步看。每一步都有一位角色出場，解釋自己正在做什麼。

序幕：溫習一下

第 1 步／共 12 步

先查名字，再握手

讓我查一查……example.com 的 IP Address（網絡位址）是 192.0.2.80！接著阿麥和伺服器用 TCP（傳輸控制協定）三次握手，連接網頁常用的 Port 443。

動畫文字版（全部步驟）
  1. 序幕：溫習一下
  2. 先查名字，再握手　查查博士：讓我查一查……example.com 的 IP Address（網絡位址）是 192.0.2.80！接著阿麥和伺服器用 TCP（傳輸控制協定）三次握手，連接網頁常用的 Port 443。
  3. 第一幕：明信片的煩惱
  4. 同一個 Wi-Fi 裡的偷聽者　小比：咖啡店的 Wi-Fi 是公共的，任何人都可以加入。偷聽者的電腦也在這裡，而無線電波在空氣中傳送，附近的裝置都收得到。
  5. 用 HTTP 送密碼？　小比：如果用 HTTP（超文本傳輸協定），我背包裡的信好像一張明信片：「用戶：阿麥，密碼：……」偷聽者收到訊號的副本，一字不漏看得清清楚楚！
  6. 三個風險　盾盾：我是盾盾，守在網絡出口的 Firewall（防火牆）。明信片有三個風險：偷看、竄改和冒充：有人可以看你的資料、改你的網頁，甚至扮成 example.com 騙你的密碼。我只看地址和 Port，看不到信的內容；HTTP 的明信片，我也攔不住別人偷看。
    • 偷看：讀取密碼和內容
    • 竄改：在網頁中加入廣告或惡意程式
    • 冒充：假扮成真的網站
  7. 第二幕：TLS 封好信口
  8. ClientHello　小比：改用 HTTPS！先做 TLS（傳輸層安全） 握手。我帶著 ClientHello 出發：「我支援 TLS 1.3 和這些加密方法；這是我的鎖匙材料；我要找 example.com。」
    • HTTPS ＝ HTTP ＋ TLS
    • TLS 握手在 TCP 三次握手之後進行
  9. ServerHello 與證書　小比：伺服器回覆 ServerHello，附上自己的鎖匙材料，再出示它的 Digital Certificate（數碼證書）：「我真的是 example.com，這是證明。」
  10. 驗明正身　小比：阿麥的瀏覽器仔細檢查證書：由可信的 CA（核證機關） 簽發嗎？名字是 example.com 嗎？過期了沒有？全部合格！就算有人騙了查查博士的電話簿，假伺服器最多只能抄一份證書，卻沒有配對的 Private Key（私人金鑰），證明不了證書是自己的。
    • ① 簽發者：瀏覽器內置的可信 CA
    • ② 名字：example.com
    • ③ 有效期：未過期
    • 任何一項不合格 → 瀏覽器顯示警告
  11. 各自算出同一把鎖匙　小比：阿麥和伺服器用剛才交換的鎖匙材料，在自己那邊計算出同一把鎖匙。鎖匙從來沒有在網絡上傳送，偷聽者就算收齊材料，也算不出來！
    • 這種方法叫 Diffie-Hellman Key Exchange（金鑰交換）
    • 每次對話都用一把新鎖匙
  12. 封了口的信　小比：現在我背包裡的信全部加密了。偷聽者收到的副本只是一堆亂碼；如果有人中途改動內容，伺服器會立即發現。
  13. 第三幕：盾盾的提醒
  14. 還看得到什麼？　盾盾：如果我站在咖啡店的網絡出口，我看得到小比寄往 192.0.2.80、Port 443，通常也看得到網站名稱。但信的內容、密碼和網址路徑，我全部看不到。HTTPS 保護的是內容。
  15. 鎖頭不等於好人　盾盾：提醒大家：我只檢查地址和 Port，分辨不了網站的真假。騙徒也可以為 example.com.example.net 這種假名字申請合法證書。鎖頭只代表「你正在和這個名字私下對話」。登入前，一定要看清楚網址！
  16. 總結：封了口的信　小比：HTTPS ＝ HTTP ＋ TLS：先驗明正身，再各自算出鎖匙，然後把信封好口。在公共 Wi-Fi 上，看到網址是 https://，而且名字正確，才輸入密碼！

2. 問題在哪裡

阿麥在咖啡店上網，地址是 192.168.0.23。咖啡店的 Wi-Fi（無線網絡）是公共的，任何人都可以加入，偷聽者也可以坐在旁邊。

如果網站只用 HTTP（超文本傳輸協定），小比背包裡的信就像一張明信片：途經的人全部看得到。這帶來三個風險：

風險 壞人做什麼 例子
偷看 讀取你送出和收到的內容 密碼、訊息、信用卡號碼
竄改 在途中改動內容 在網頁中加入廣告或惡意程式
冒充 扮成真的網站 假的 example.com 登入頁，騙你輸入密碼

HTTP 本身完全沒有辦法防止這三件事。

盾盾是守在網絡出口的 Firewall（防火牆），負責檢查進出的封包；小故事 19 會詳細介紹他的名單。不過他只看地址和 Port（連接埠），看不到信的內容，所以也幫不上忙。

3. 網絡怎樣解決

改用 HTTPS（加密網頁傳輸協定），也就是 HTTP 加上 TLS（傳輸層安全）。TLS 是一套為連線加密、並證明伺服器身份的技術。

它好像寄信前先做三件事：先看清楚收件人的身份證，再和對方約定一把只有你們知道的鎖匙，最後把信封口，蓋上火漆印。

身份證就是 Digital Certificate（數碼證書）；封口令人看不到內容；火漆印一旦被弄破，對方就知道信被改過。

4. 看深一點

TLS 1.3 握手，一步一步

TLS 握手在 TCP（傳輸控制協定）三次握手之後進行，伺服器通常在 Port 443 等候。以 TLS 1.3 為例：

  1. ClientHello：阿麥的瀏覽器說：「我支援 TLS 1.3 和這幾種加密方法；這是我的鎖匙材料；我要找 example.com。」
  2. ServerHello：伺服器選定加密方法，附上自己的鎖匙材料。
  3. 雙方各自算出鎖匙：用剛才交換的材料，兩邊在自己那邊計算出同一把鎖匙。
  4. 出示證書並簽名：伺服器送上 Digital Certificate，再用證書配對的 Private Key（私人金鑰）簽一個名，證明證書真的屬於它。
  5. 瀏覽器檢查：證書合格、簽名正確，握手完成。
  6. 正式傳送：之後所有 HTTP 請求和回覆，都用那把鎖匙加密。

在真正的 TLS 1.3 裡，第 3 步緊接在 ServerHello 之後，所以證書本身也是加密送出的。動畫為了容易理解，先講證書、後講鎖匙。

伺服器 192.0.2.80 是誰？

查查博士查到 example.com 的位址是 192.0.2.80。留意：192 開頭不一定是 Private，只有 192.168 開頭才是。192.0.2.80 是互聯網上的公共位址（本網站用的是文件專用的示範位址）。

證書怎樣「驗明正身」？

Digital Certificate 是一份電子文件，寫著「這個網域的公開鎖匙是這一條」，並由 CA（核證機關）簽發。CA 是負責核實網域擁有人、再為證書簽名的機構。瀏覽器和作業系統出廠時，已內置一份可信 CA 名單。

瀏覽器會檢查三件事：

檢查項目 問題 不合格會怎樣
簽發者 是由可信的 CA 簽發的嗎？ 顯示安全警告
名字 證書上的名字是 example.com 嗎？ 顯示安全警告
有效期 證書過期了沒有？ 顯示安全警告

證書是公開的，任何人都可以抄一份。所以就算有人騙了查查博士的電話簿，假伺服器最多只能抄一份證書，卻沒有配對的 Private Key，通過不了第 4 步的簽名考驗，證明不了證書是自己的。

鎖匙從來沒有在網絡上傳送

雙方交換的只是「鎖匙材料」，真正的鎖匙在兩邊各自計算出來。這種方法叫 Diffie-Hellman Key Exchange（金鑰交換）。偷聽者就算收齊所有材料，也算不出鎖匙。

每次連線都會用一把新鎖匙。之後的資料用 Symmetric Encryption（對稱加密）保護，即是加密和解密都用同一把鎖匙，速度很快。每一段加密資料還附有檢查碼，途中被改動一個位元，收件人都會發現。

加密之後，還看得到什麼？

TLS 只加密「信的內容」。IP 標頭寫著寄件人和收件人的 IP Address（網絡位址），要讓沿途的 Router（路由器）找路，TCP 標頭要讓對方知道交給哪個程式，所以都不能加密。

看得到：寄件人 IP、收件人 IP 192.0.2.80、Port 443、網站名稱（通常）
看不到：網址路徑（例如 /login）、密碼、網頁內容、Cookie

網站名稱為什麼通常看得到？因為 ClientHello 裡有一欄 SNI（伺服器名稱指示），用明文寫著你要找的網域，讓同一部伺服器知道該拿出哪一張證書。較新的技術 ECH（加密 ClientHello）可以把這個名字也加密，但未必所有網站都支援。

5. 動手試試

任務：看看你的連線

  1. 用電腦的瀏覽器打開任何一個 https:// 網站。
  2. 按網址列左邊的鎖頭或設定圖示，找「連線安全」或「證書」。
  3. 看看證書發給哪個網域、由哪一個 CA 簽發、何時到期。
  4. 想一想：如果網址是 example.com.example.net（開頭看似 example.com，其實屬於 example.net），它能不能也有一個鎖頭？（答案：可以！）

小互動

HTTPS 保護了什麼？

在公共 Wi-Fi 上用 HTTPS，以下哪些偷聽者看不到，哪些仍然看得到？

  1. 1你輸入的密碼

  2. 2你的 IP Address

  3. 3你連接的網站名稱

  4. 4網頁的內容

  5. 5你連接的 Port 號碼（443）

  6. 6網址的路徑，例如 /login

6. 比喻的極限

  • 不是真的有一個信封。 TLS 用數學把資料變成亂碼；「封口」和「火漆印」只是比喻加密和防竄改。
  • 鎖頭不等於好人。 騙徒也可以為 example.com.example.net 這種相似名字申請合法證書。鎖頭只代表「你正在和這個名字私下對話」，不代表網站可信。
  • 偷聽不一定那麼容易。 用 WPA（Wi-Fi 保護存取）加密的 Wi-Fi 會令偷聽困難得多；但你無法確定公共 Wi-Fi 的設定，所以仍要靠 HTTPS 保護自己。
  • HTTPS 只保護路途上的一段。 資料到了伺服器就會被解開；伺服器怎樣保管你的資料，HTTPS 管不到。
  • 身份證也有漏洞。 如果你的電腦被人安裝了假的「可信 CA」，瀏覽器可能不會發出警告；所以不要隨便安裝來歷不明的證書。

7. 小測驗

第 1 題，共 3 題TLS 為 HTTPS 提供哪三種保護？
第 2 題，共 3 題瀏覽器檢查伺服器的 Digital Certificate 時，不會檢查以下哪一項？
第 3 題，共 3 題在公共 Wi-Fi 上用 HTTPS 登入網站，偷聽者看得到什麼？

8. 重點筆記

  • HTTPS ＝ HTTP ＋ TLS（傳輸層安全），防止偷看、竄改和冒充。
  • 伺服器出示由 CA（核證機關）簽發的 Digital Certificate（數碼證書），並用 Private Key 簽名，證明自己真的是 example.com。
  • 雙方用 Diffie-Hellman Key Exchange 各自算出同一把鎖匙，鎖匙從不在網絡上傳送。
  • HTTPS 加密內容、密碼和網址路徑；IP Address、Port 和網站名稱通常仍然看得到。
  • 鎖頭不等於網站可信，登入前一定要看清楚網址。

延伸閱讀

HTTPS 把每一封信封好口，但只限支援 HTTPS 的網站和程式。如果阿麥想由咖啡店安全地連回家，使用家中那些沒有加密的裝置，又可以怎樣做？下一個故事，路路和盾盾會一起挖一條秘密隧道：VPN（虛擬私人網絡）。