JavaScript内核与高级编程之：`JavaScript`的`TLS`握手：其在 `HTTPS` 中的加密通信过程。

各位观众老爷，大家好！今天咱们不聊风花雪月，聊点硬核的——JavaScript和TLS握手，看看这俩家伙在HTTPS里是怎么眉来眼去，完成加密通信的。别担心，我会尽量用大白话，保证你听得懂，而且听得乐呵。

一、HTTPS：没穿盔甲的HTTP，注定被虐

首先，咱们得明白HTTPS是干嘛的。简单来说，它就是披了层盔甲的HTTP。HTTP是个老实人，啥都明文传输，你发个账号密码，别人在路上都能给你截胡了。这不行啊，得加密！于是，HTTPS就诞生了。

HTTPS的核心就是TLS（Transport Layer Security），也就是传输层安全协议。以前叫SSL，后来改名了，但本质没变。TLS负责在HTTP和TCP之间加一层密，让数据在传输过程中变成别人看不懂的乱码。

二、TLS握手：加密通信的“暗号对上”过程

TLS的盔甲不是随便穿的，得有个“握手”过程，双方确认身份、协商加密算法，才能开始安全通信。这个握手过程就像两个间谍接头，得对上暗号，才能确认是自己人。

TLS握手大致分为以下几个步骤：

1. Client Hello (客户端问好)：

   客户端（比如你的浏览器）先给服务器打个招呼：“嗨，老铁，我想跟你用HTTPS通信，我支持这些加密算法和TLS版本，你看着办吧！”

   // 模拟Client Hello的数据结构 (实际是二进制数据)
   const clientHello = {
     tlsVersion: 'TLSv1.3',
     cipherSuites: [
       'TLS_AES_128_GCM_SHA256',
       'TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256',
       'TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256'
     ],
     random: '随机数，用于生成密钥'
   };
   
   console.log('Client Hello:', clientHello);

   • tlsVersion: 客户端支持的TLS版本，例如TLSv1.2、TLSv1.3。
   • cipherSuites: 客户端支持的加密套件列表。每个加密套件定义了密钥交换算法、对称加密算法和哈希算法。
   • random: 客户端生成的随机数，用于后续生成会话密钥。

2. Server Hello (服务器回复)：

   服务器收到客户端的问候，回复说：“嗯，我也想跟你安全通信。我选了你支持的某个加密算法和TLS版本，这是我的证书，你验明正身！”

   // 模拟Server Hello的数据结构 (实际是二进制数据)
   const serverHello = {
     tlsVersion: 'TLSv1.3',
     cipherSuite: 'TLS_AES_128_GCM_SHA256',
     random: '服务器随机数，用于生成密钥',
     certificate: {
       subject: 'example.com',
       issuer: 'CA机构',
       publicKey: '服务器公钥'
     }
   };
   
   console.log('Server Hello:', serverHello);

   • tlsVersion: 服务器选择的TLS版本。
   • cipherSuite: 服务器选择的加密套件。
   • random: 服务器生成的随机数，与客户端随机数一起用于生成会话密钥。
   • certificate: 服务器的数字证书，包含服务器的公钥和证书颁发机构（CA）的签名。

3. Certificate (证书验证)：

   客户端拿到服务器的证书，得找个“公证处”（CA机构）验验真伪。如果证书是假的，那肯定有问题，直接断开连接。如果证书是真的，就从证书里提取服务器的公钥。

   // 模拟证书验证过程
   function verifyCertificate(certificate) {
     // 1. 检查证书是否过期
     const now = new Date();
     if (certificate.validity.notBefore > now || certificate.validity.notAfter < now) {
       console.error('证书已过期');
       return false;
     }
   
     // 2. 检查证书是否被吊销 (通过CRL或OCSP)
     // ... 省略吊销检查的代码
   
     // 3. 使用CA的公钥验证证书签名
     const caPublicKey = 'CA机构的公钥'; // 实际是从本地信任的CA列表中获取
     const signature = certificate.signature;
     const data = certificate.data; // 证书的内容
     const isValidSignature = verifySignature(data, signature, caPublicKey); // 模拟签名验证
   
     if (!isValidSignature) {
       console.error('证书签名无效');
       return false;
     }
   
     console.log('证书验证通过');
     return true;
   }
   
   function verifySignature(data, signature, publicKey) {
     //  模拟签名验证过程，实际会使用加密库 (例如Web Crypto API)
     console.log('模拟签名验证过程');
     return true; // 简化，假设验证通过
   }
   
   const isValid = verifyCertificate(serverHello.certificate);
   if (!isValid) {
     console.error('证书验证失败，连接断开');
     // 断开连接
   }

   • 证书验证包括：
     • 过期检查: 确保证书在有效期内。
     • 吊销检查: 检查证书是否已被证书颁发机构吊销。
     • 签名验证: 使用CA的公钥验证证书的签名，确保证书未被篡改。

4. Client Key Exchange (客户端密钥交换)：

   客户端生成一个“会话密钥”，用服务器的公钥加密后发给服务器。这个会话密钥就是以后双方加密通信用的“暗号”。

   // 模拟客户端密钥交换
   function generateSessionKey() {
     // 生成一个随机的会话密钥
     return '随机生成的会话密钥';
   }
   
   function encryptWithPublicKey(data, publicKey) {
     // 使用服务器的公钥加密数据
     console.log('使用公钥加密数据:', data);
     return '使用公钥加密后的数据'; // 模拟加密过程
   }
   
   const sessionKey = generateSessionKey();
   const encryptedSessionKey = encryptWithPublicKey(sessionKey, serverHello.certificate.publicKey);
   
   console.log('会话密钥:', sessionKey);
   console.log('加密后的会话密钥:', encryptedSessionKey);
   
   // 创建Client Key Exchange消息
   const clientKeyExchange = {
     encryptedSessionKey: encryptedSessionKey
   };

   • 客户端生成会话密钥，并使用服务器的公钥加密。
   • 加密后的会话密钥通过Client Key Exchange消息发送给服务器。

5. Change Cipher Spec (变更加密规范)：

   客户端告诉服务器：“老铁，以后咱们就用这个会话密钥加密通信了！”

   // 模拟Change Cipher Spec消息
   console.log('客户端发送Change Cipher Spec消息');

   • 这是一个简单的信号，表明客户端已经准备好使用新的加密参数。

6. Finished (完成)：

   客户端用会话密钥加密一段数据发给服务器，证明自己确实知道会话密钥。服务器收到后解密，确认没问题，也用会话密钥加密一段数据发给客户端，双方都确认对方知道会话密钥，握手完成！

   // 模拟Finished消息
   function generateFinishedMessage(sessionKey, previousMessages) {
     // 基于会话密钥和之前的握手消息生成Finished消息
     console.log('基于会话密钥和之前的握手消息生成Finished消息');
     return '使用会话密钥加密的Finished消息'; // 模拟加密过程
   }
   
   function decryptWithSessionKey(data, sessionKey) {
     // 使用会话密钥解密数据
     console.log('使用会话密钥解密数据:', data);
     return '使用会话密钥解密后的数据'; // 模拟解密过程
   }
   
   const clientFinishedMessage = generateFinishedMessage(sessionKey, '之前的握手消息');
   console.log('客户端发送Finished消息:', clientFinishedMessage);
   
   // 服务器收到客户端的Finished消息并验证
   const decryptedClientFinishedMessage = decryptWithSessionKey(clientFinishedMessage, sessionKey);
   console.log('服务器解密客户端的Finished消息:', decryptedClientFinishedMessage);
   
   // 服务器验证Finished消息的正确性
   // ... 省略验证过程
   
   // 服务器也发送Finished消息
   const serverFinishedMessage = generateFinishedMessage(sessionKey, '之前的握手消息');
   console.log('服务器发送Finished消息:', serverFinishedMessage);

   • Finished消息是握手中的最后一步，用于验证会话密钥是否已成功协商。
   • 双方使用会话密钥加密和解密Finished消息，以确保双方都拥有相同的密钥。

三、JavaScript在TLS握手中扮演的角色

JavaScript本身并不直接参与TLS握手的底层实现，因为TLS握手是在TCP/IP协议栈中完成的，通常由操作系统或网络库处理。但是，JavaScript可以通过以下方式与TLS握手相关：

1. 发起HTTPS请求：

   当你在JavaScript中使用fetch或XMLHttpRequest发起HTTPS请求时，浏览器会自动处理TLS握手的过程。你不需要编写任何代码来显式地执行握手。

   // 使用fetch发起HTTPS请求
   fetch('https://example.com')
     .then(response => response.text())
     .then(data => console.log(data))
     .catch(error => console.error('请求失败:', error));

2. WebSocket over TLS (WSS)：

   如果使用WebSocket进行安全通信，可以使用wss://协议。浏览器也会自动处理WebSocket连接的TLS握手。

   // 创建一个WebSocket连接
   const socket = new WebSocket('wss://example.com/socket');
   
   socket.onopen = () => {
     console.log('WebSocket连接已打开');
     socket.send('Hello, Server!');
   };
   
   socket.onmessage = (event) => {
     console.log('收到消息:', event.data);
   };
   
   socket.onclose = () => {
     console.log('WebSocket连接已关闭');
   };

3. Service Worker拦截HTTPS请求：

   Service Worker可以拦截HTTPS请求，并可以访问请求和响应的头部信息。虽然Service Worker不能直接控制TLS握手，但可以根据请求的URL或头部信息来决定是否允许请求通过。

   // 在Service Worker中拦截HTTPS请求
   self.addEventListener('fetch', (event) => {
     if (event.request.url.startsWith('https://example.com')) {
       // 检查请求的头部信息
       const headers = event.request.headers;
       console.log('请求头部:', headers);
   
       // 可以根据头部信息来决定是否允许请求通过
       event.respondWith(fetch(event.request));
     }
   });

4. Web Crypto API (Web加密API)：

   虽然JavaScript不能直接控制TLS握手，但可以使用Web Crypto API来执行加密和解密操作。例如，可以生成密钥对、签名数据、验证签名等。这些操作可以用于实现自定义的加密协议。

   // 生成一个RSA密钥对
   async function generateKeyPair() {
     const keyPair = await window.crypto.subtle.generateKey(
       {
         name: 'RSA-PSS',
         modulusLength: 2048,
         publicExponent: new Uint8Array([0x01, 0x00, 0x01]),
         hash: 'SHA-256',
       },
       true, // 是否可导出
       ['sign', 'verify'] // 用途
     );
     return keyPair;
   }
   
   // 使用私钥签名数据
   async function signData(privateKey, data) {
     const signature = await window.crypto.subtle.sign(
       {
         name: 'RSA-PSS',
         saltLength: 32,
       },
       privateKey,
       new TextEncoder().encode(data)
     );
     return signature;
   }
   
   // 使用公钥验证签名
   async function verifySignature(publicKey, signature, data) {
     const isValid = await window.crypto.subtle.verify(
       {
         name: 'RSA-PSS',
         saltLength: 32,
       },
       publicKey,
       signature,
       new TextEncoder().encode(data)
     );
     return isValid;
   }
   
   // 示例
   (async () => {
     const { publicKey, privateKey } = await generateKeyPair();
     const data = 'Hello, World!';
     const signature = await signData(privateKey, data);
     const isValid = await verifySignature(publicKey, signature, data);
   
     console.log('签名是否有效:', isValid);
   })();

四、TLS握手的“优化”：省时省力，提高效率

TLS握手虽然安全，但也有点“磨叽”，每次建立连接都要握一次手，浪费时间。为了提高效率，TLS有一些优化机制：

1. Session Resumption (会话恢复)：

   如果客户端之前和服务器建立过HTTPS连接，服务器可以把会话信息（比如会话密钥）保存起来。下次客户端再来的时候，可以直接恢复会话，不用重新握手，省时省力。

   • Session ID: 服务器为每个会话分配一个唯一的ID。客户端在Client Hello中发送Session ID，如果服务器找到对应的会话信息，就可以恢复会话。
   • Session Ticket: 服务器将完整的会话信息加密后存储在Session Ticket中，发送给客户端。客户端下次连接时，将Session Ticket发送给服务器，服务器解密后恢复会话。

2. TLS False Start (TLS抢跑)：

   客户端在收到服务器的Finished消息之前，就可以开始发送加密数据，提高响应速度。

3. HTTP/2:

   HTTP/2协议允许多个请求在同一个TCP连接上并行传输，减少了TLS握手的次数。

五、常见的加密套件

加密套件是TLS握手中非常重要的概念，它定义了密钥交换算法、对称加密算法和哈希算法。常见的加密套件包括：

加密套件	密钥交换算法	对称加密算法	哈希算法	说明
TLS_AES_128_GCM_SHA256	ECDHE	AES_128_GCM	SHA256	使用ECDHE进行密钥交换，AES_128_GCM进行对称加密，SHA256进行哈希。
TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256	ECDHE	CHACHA20	SHA256	使用ECDHE进行密钥交换，ChaCha20进行对称加密，Poly1305进行消息认证，SHA256进行哈希。
TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256	ECDHE_RSA	AES_128_GCM	SHA256	使用ECDHE_RSA进行密钥交换（使用RSA证书），AES_128_GCM进行对称加密，SHA256进行哈希。
TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256	ECDHE_ECDSA	AES_128_GCM	SHA256	使用ECDHE_ECDSA进行密钥交换（使用ECDSA证书），AES_128_GCM进行对称加密，SHA256进行哈希。
TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256	RSA	AES_128_GCM	SHA256	使用RSA进行密钥交换（不推荐，因为存在安全风险），AES_128_GCM进行对称加密，SHA256进行哈希。

• ECDHE (Elliptic-Curve Diffie-Hellman Ephemeral): 一种安全的密钥交换算法，可以防止中间人攻击。
• AES (Advanced Encryption Standard): 一种常用的对称加密算法。
• GCM (Galois/Counter Mode): 一种认证加密模式，可以同时提供加密和消息认证。
• SHA (Secure Hash Algorithm): 一种常用的哈希算法。
• RSA: 一种非对称加密算法，可以用于密钥交换和数字签名。
• ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm): 一种基于椭圆曲线的数字签名算法。

六、总结

TLS握手是HTTPS安全通信的关键，它确保数据在传输过程中不会被窃取或篡改。虽然JavaScript本身不直接参与TLS握手的底层实现，但可以通过发起HTTPS请求、使用WebSocket over TLS、Service Worker拦截HTTPS请求等方式与TLS握手相关。了解TLS握手的过程和原理，可以帮助我们更好地理解HTTPS的工作方式，从而编写更安全、更高效的Web应用程序。

好了，今天的讲座就到这里，希望大家有所收获！记住，安全第一，加密至上！下次再见！