1、前言
可能有初学者会问，即时通讯应用的通信安全，不就是对Socket长连接进行SSL/TLS加密这些知识吗，干吗要理解HTTPS协议呢。
这其实是个误解：当今主流的移动端IM数据通信，总结下来无外乎就是长连接+短连接的方式，长连接就是众所周之的TCP、UDP、WebSocket（WebSocket的本质还是TCP），而短连接就是HTTP/HTTPS了。即时通讯IM应用中，短连接的安全跟长连接相比，同样很重要。市面上的主流短连接通信方式，都已逐步从HTTP过渡到HTTPS了（iOS上的应用就更彻底了，苹果直接强制要求使用HTTPS协议，否则不允许上架APP Store，详见《苹果即将强制实施 ATS，你的APP准备好切换到HTTPS了吗？》。不过，鉴于多方面原因，苹果实际上推迟了ATS的强制执行，有兴趣可以到苹果官方了解）。
题外话：关于短连接、长连接的定义，微信是一个特例，微信在网络通信这一层做的比较彻底和极端，几乎再造了一套针对移动端IM的网络层框架（详见：《如约而至：微信自用的移动端IM网络层跨平台组件库Mars已正式开源》），所以针对微信来说短连接可能并不能就是HTTP/HTTPS了。
总之，无论是即时通讯IM还是其它应用，在移动网络日益发达的今天，安全显的尤为重要，HTTPS已经越来越普及，尽快拥抱它才是符合技术潮流的。
本文将尝试用通俗易懂的语言，一步步还原HTTPS的设计过程，以便您能轻松理解为什么HTTPS最终会是这副模样。但鉴于HTTPS的复杂性，本文的文字主要是为了方便您的理解，而并不代表完全遵从HTTPS的真实设计过程。在阅读本文时，你可以尝试放下已有的对HTTPS的理解，这样更利于您“理解”这个过程和技术原理。
学习交流：
- 即时通讯开发交流3群：185926912[推荐]
- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-1890-1-1.html）
2、关于作者
翟志军，个人博客地址：https://showme.codes/，Github：https://github.com/zacker330。感谢作者的原创分享。
3、相关文章
要理解HTTPS，须对HTTP协议有所了解，以下文章可能是您需要的：
《从HTTP/0.9到HTTP/2：一文读懂HTTP协议的历史演变和设计思路》
《脑残式网络编程入门(三)：HTTP协议必知必会的一些知识》
本文是IM通讯安全知识系列文章中的第7篇，此系列总目录如下：
《即时通讯安全篇（一）：正确地理解和使用Android端加密算法》
《即时通讯安全篇（四）：实例分析Android中密钥硬编码的风险》
4、一个引子
我们先不了聊HTTP/HTTPS，我们先从一个IM聊天软件说起。
假设我们想要实现A能发一个hello消息给B：
因为只是为了方便讲解原理，我们要实现这个IM聊天的通信功能，本文只考虑安全性问题。
那么我们的这个IM聊天功能，安全性上必须要达到：
A发给B的hello消息包，即使被中间人拦截到了，也无法得知消息的内容。
好，带着这个问题，我来继续往下理解基本的通信安全知识。
好，问题域已经定义好了（现实中当然不止这一种定义）。对于解决方案，很容易就想到了对消息进行加密。
题外话，但是只有这一种方法吗？我看未必，说不定在将来会出现一种物质打破当前世界的通信假设，实现真正意义上的保密。
对于A与B这样的简单通信模型，我们很容易做出选择： 对称加密算法
这就是对称加密算法，其中图中的密钥S同时扮演加密和解密的角色。具体细节不是本文范畴。
如上图所示，只要这个密钥S不公开给第三者，同时密钥S足够安全，我们就解决了我们一开始所定问题域了。因为世界上有且只有A与B知道如何加密和解密他们之间的消息。
但是，在WWW环境下，我们的Web服务器的通信模型没有这么简单：
如果服务器端对所有的客户端通信都使用同样的对称加密算法，无异于没有加密。那怎么办呢？即能使用对称加密算法，又不公开密钥？请读者思考21秒钟。^_^
答案是：Web服务器与每个客户端使用不同的对称加密算法：
5、如何确定对称加密算法
慢着，另一个问题来了，我们的服务器端怎么告诉客户端该使用哪种对称加密算法？
当然是通过协商：
但是，你协商的过程是没有加密的，还是会被中间人拦截。那我们再对这个协商过程进行对称加密就好了，那你对协商过程加密的加密还是没有加密，怎么办？再加密不就好了……好吧，进行鸡生蛋蛋生鸡的问题了。
6、如何对协商过程进行加密
新问题来了，如何对协商过程进行加密？密码学领域中，有一种称为“非对称加密”的加密算法，特点是私钥加密后的密文，只要是公钥，都可以解密，但是公钥加密后的密文，只有私钥可以解密。私钥只有一个人有，而公钥可以发给所有的人。
虽然服务器端向A、B……的方向还是不安全的，但是至少A、B向服务器端方向是安全的。
好了，如何协商加密算法的问题，我们解决了：使用非对称加密算法进行对称加密算法协商过程。
这下，你明白为什么HTTPS同时需要对称加密算法和非对称加密算法了吧？
7、协商什么加密算法
要达到Web服务器针对每个客户端使用不同的对称加密算法，同时，我们也不能让第三者知道这个对称加密算法是什么，怎么办？
使用随机数，就是使用随机数来生成对称加密算法。这样就可以做到服务器和客户端每次交互都是新的加密算法、只有在交互的那一该才确定加密算法。
这下，你明白为什么HTTPS协议握手阶段会有这么多的随机数了吧。
8、如何得到公钥？
细心的人可能已经注意到了如果使用非对称加密算法，我们的客户端A，B需要一开始就持有公钥，要不没法开展加密行为啊。
这下，我们又遇到新问题了，如何让A、B客户端安全地得到公钥？
我能想到的方案只有这些：
方案1：服务器端将公钥发送给每一个客户端；
方案2：服务器端将公钥放到一个远程服务器，客户端可以请求得到。
我们选择方案1，因为方案2又多了一次请求，还要另外处理公钥的放置问题。
9、公钥被调包了怎么办？又是一个鸡生蛋蛋生鸡问题？
但是方案1有个问题：如果服务器端发送公钥给客户端时，被中间人调包了，怎么办？
我画了张图方便理解：
显然，让每个客户端的每个浏览器默认保存所有网站的公钥是不现实的。
10、使用第三方机构的公钥解决鸡生蛋蛋生鸡问题
公钥被调包的问题出现，是因为我们的客户端无法分辨返回公钥的人到底是中间人，还是真的服务器。这其实就是密码学中提的身份验证问题。
如果让你来解决，你怎么解决？如果你了解过HTTPS，会知道使用数字证书来解决。但是你想过证书的本质是什么么？请放下你对HTTPS已有的知识，自己尝试找到解决方案。
我是这样解决的。既然服务器需要将公钥传给客户端，这个过程本身是不安全，那么我们为什么不对这个过程本身再加密一次？可是，你是使用对称加密，还是非对称加密？这下好了，我感觉又进了鸡生蛋蛋生鸡问题了。
问题的难点是如果我们选择直接将公钥传递给客户端的方案，我们始终无法解决公钥传递被中间人调包的问题。
所以，我们不能直接将服务器的公钥传递给客户端，而是第三方机构使用它的私钥对我们的公钥进行加密后，再传给客户端。客户端再使用第三方机构的公钥进行解密。
下图就是我们设计的第一版“数字证书”，证书中只有服务器交给第三方机构的公钥，而且这个公钥被第三方机构的私钥加密了：
如果能解密，就说明这个公钥没有被中间人调包。因为如果中间人使用自己的私钥加密后的东西传给客户端，客户端是无法使用第三方的公钥进行解密的。
原理图如下：
话到此，我以为解决问题了。但是现实中HTTPS，还有一个数字签名的概念，我没法理解它的设计理由。
原来，我漏掉了一个场景：
第三方机构不可能只给你一家公司制作证书，它也可能会给中间人这样有坏心思的公司发放证书。这样的，中间人就有机会对你的证书进行调包，客户端在这种情况下是无法分辨出是接收的是你的证书，还是中间人的。因为不论中间人，还是你的证书，都能使用第三方机构的公钥进行解密。
像下面这样。。。
第三方机构向多家公司颁发证书的情况：
客户端能解密同一家第三机构颁发的所有证书：
最终导致其它持有同一家第三方机构证书的中间人可以进行调包：
11、数字签名，解决同一机构颁发的不同证书被篡改问题
要解决这个问题，我们首先要想清楚一个问题，辨别同一机构下不同证书的这个职责，我们应该放在哪？
只能放到客户端了。意思是，客户端在拿到证书后，自己就有能力分辨证书是否被篡改了。如何才能有这个能力呢？
我们从现实中找灵感。比如你是HR，你手上拿到候选人的学历证书，证书上写了持证人，颁发机构，颁发时间等等，同时证书上，还写有一个最重要的：证书编号！我们怎么鉴别这张证书是的真伪呢？只要拿着这个证书编号上相关机构去查，如果证书上的持证人与现实的这个候选人一致，同时证书编号也能对应上，那么就说明这个证书是真实的。
我们的客户端能不能采用这个机制呢？像这样：
可是，这个“第三方机构”到底是在哪呢？是一个远端服务？不可能吧？如果是个远端服务，整个交互都会慢了。所以，这个第三方机构的验证功能只能放在客户端的本地了。
12、客户端本地怎么验证证书呢？
客户端本地怎么验证证书呢？答案是证书本身就已经告诉客户端怎么验证证书的真伪。
也就是证书上写着如何根据证书的内容生成证书编号。客户端拿到证书后根据证书上的方法自己生成一个证书编号，如果生成的证书编号与证书上的证书编号相同，那么说明这个证书是真实的。
同时，为避免证书编号本身又被调包，所以使用第三方的私钥进行加密。
这地方有些抽象，我们来个图帮助理解：
证书的制作如上图所示。证书中的“编号生成方法MD5”就是告诉客户端：你使用MD5对证书的内容求值就可以得到一个证书编号。
当客户端拿到证书后，开始对证书中的内容进行验证，如果客户端计算出来的证书编号与证书中的证书编号相同，则验证通过：
但是第三方机构的公钥怎么跑到了客户端的机器中呢？世界上这么多机器。
其实呢，现实中，浏览器和操作系统都会维护一个权威的第三方机构列表（包括它们的公钥）。因为客户端接收到的证书中会写有颁发机构，客户端就根据这个颁发机构的值在本地找相应的公钥。
题外话：
如果浏览器和操作系统这道防线被破了，就没办法。想想当年自己装过的非常规XP系统，都害怕。
说到这里，想必大家已经知道上文所说的，证书就是HTTPS中数字证书，证书编号就是数字签名，而第三方机构就是指数字证书签发机构（CA）。
13、CA如何颁发数字证书给服务器端的？
当我听到这个问题时，我误以为，我们的SERVER需要发网络请求到CA部门的服务器来拿这个证书。