Как HTTPS защищает данные

Что такое HTTPS?

#

HTTPS (HyperText Transfer Protocol Secure) — это защищённая версия HTTP, которая использует шифрование для безопасной передачи данных между клиентом (браузером) и сервером.

Технически HTTPS = HTTP + TLS
Протокол шифрования называется TLS (Transport Layer Security) — современная версия SSL.

В истории защищённых веб-соединений всё началось не с TLS, а с SSL. Именно так назывался протокол, разработанный в 1994 году Netscape для шифрования HTTP-трафика. Он прошёл через три версии: 1.0, 2.0 и 3.0

Позже в 1999 году развитие SSL перешло под управление IETF. Существенных изменений в архитектуре не произошло, однако у SSL обнаружились серьёзные уязвимости, из-за которых протоколу дали новое имя — TLS. Старое название к тому времени уже прочно вошло в обиход, поэтому и сегодня SSL и TLS часто используют как взаимозаменяемые термины (например, в nginx включение TLS выполняется через параметр ssl).

В этой статье я буду использовать корректное и актуальное название — TLS.

На момент написания материала существует четыре версии TLS: 1.0, 1.1, 1.2 и 1.3. В дальнейшем мы сосредоточимся на разборе версии TLS 1.2

Основные задачи HTTPS
HTTPS обеспечивает три ключевых свойства безопасности:

• Конфиденциальность - данные передаются в зашифрованном виде и недоступны при перехвате трафика. Даже если злоумышленник перехватит пакеты в публичной Wi-Fi сети, он увидит лишь набор зашифрованных байтов, а не логины, пароли или номера карт.
• Целостность - любые изменения данных в пути будут обнаружены. В TLS 1.2 целостность обеспечивается с помощью HMAC (в режимах CBC) или встроенных механизмов AEAD (например, GCM). Если хотя бы один байт будет изменён, проверка не пройдёт, и соединение будет разорвано.
• Аутентификация - подтверждается подлинность сервера. Цифровой сертификат доказывает, что вы подключились именно к нужному домену. Браузер проверяет подпись центра сертификации (CA), срок действия сертификата и соответствие доменного имени.

Таким образом, HTTPS защищает данные во время передачи по сети, создавая безопасный канал между клиентом и сервером.

HTTPS защищает от атак типа MITM (Man-in-the-Middle), когда злоумышленник может перехватить и подменить передаваемую информацию.
Однако важно понимать: HTTPS защищает данные в процессе передачи, но не защищает сервер от взлома и не гарантирует безопасность самого приложения.

Что происходит при открытии сайта по HTTPS

#

Когда пользователь заходит на сайт https://asterisker.com, происходит несколько последовательных этапов.

TLS 1.2 Handshake Process

Шаг 1. Установка TCP-соединения
Браузер сначала устанавливает обычное TCP-соединение с сервером:

• выполняется TCP 3-way handshake
• используется порт 443
• создаётся транспортный канал для дальнейшего TLS-обмен

После этого начинается криптографическая часть.

Шаг 2. TLS Handshake (рукопожатие)
Это ключевой этап, во время которого стороны:

• договариваются о версии протокола
• выбирают алгоритмы шифрования
• проверяют подлинность сервера
• создают общий секретный ключ

Во время TLS-handshake:

1. ClientHello (клиент → сервер)
   Браузер отправляет:
   • поддерживаемые версии TLS
   • список поддерживаемых cipher suites
   • случайное число (Client Random)
   • дополнительные расширения (SNI, ALPN и др.)
2. ServerHello (сервер → клиент)
   Сервер отвечает:
   • выбранной версией TLS
   • выбранным набором шифров
   • своим цифровым сертификатом
   • случайным числом (Server Random)
3. Проверка сертификата
   Браузер проверяет:
   • подпись центра сертификации (CA)
   • срок действия сертификата
   • соответствие доменного имени
   • цепочку доверия

Если проверка не проходит — соединение прерывается.

4. Теперь стороны должны договориться об общем секрете.
   Формирование общего секрета (Pre-Master Secret)
   Возможные механизмы:
   • RSA — в устаревших схемах (без PFS). Клиент генерирует Pre-Master Secret и шифрует его публичным ключом сервера.
   • ECDHE — в современных версиях (обеспечивает PFS). Клиент и сервер генерируют временные (ephemeral) ключи и вычисляют общий секрет с помощью алгоритма Диффи-Хеллмана на эллиптических кривых.

В TLS 1.2 обмен общим секретом может выполняться через RSA или ECDHE. В TLS 1.3 используется только ECDHE.

PFS (Perfect Forward Secrecy) - даже если в будущем приватный ключ сервера будет скомпрометирован, ранее перехваченный трафик невозможно расшифровать, потому что каждая сессия использует уникальные временные ключи, которые не сохраняются.

В TLS 1.2 после согласования Pre-Master Secret стороны применяют псевдослучайную функцию PRF (Pseudo-Random Function) на основе HMAC, чтобы последовательно вычислить Master Secret и затем рабочие ключи сессии.

Важно: различаем секреты и ключи

Не путаем:

• Pre-Master Secret — общий секрет, полученный в результате механизма обмена ключами (RSA или ECDHE)
• Master Secret — вычисляется из Pre-Master Secret
• Session Keys — реальные рабочие ключи для шифрования и проверки целостности

1. RSA / ECDHE → Pre-Master Secret

2. Pre-Master Secret + Client Random + Server Random
                ↓ PRF
           Master Secret

3. Master Secret
        ↓ PRF
   Session Keys

Как вычисляются Master Secret
Из следующих значений:

• Client Random
• Server Random
• Pre-Master Secret

с помощью PRF вычисляется Master Secret

⚠️ Ни Pre-Master Secret, ни Master Secret не используются напрямую для шифрования данных.

Из Master Secret с помощью PRF выводятся рабочие ключи сессии (session keys):

• ключ шифрования клиента (client_write_key)
• ключ шифрования сервера (server_write_key)
• MAC-ключи (client/server MAC keys, в режимах CBC)
• дополнительные параметры (IV)

Именно эти session keys используются для:

• шифрования данных
• проверки целостности
• защиты всего HTTP-трафика

После завершения TLS handshake начинается передача зашифрованных HTTP-сообщений.

В TLS 1.3 процесс упрощён:

• RSA больше не используется для обмена ключами
• всегда применяется ECDHE
• PFS является обязательным
• количество сообщений в handshake сокращено
• используется современная схема вывода ключей (HKDF на основе HMAC)

Почему в HTTPS используется симметричное шифрование

#

TLS использует гибридную модель шифрования, потому что разные алгоритмы решают разные задачи.

Асимметричное шифрование (RSA, ECDSA)
Особенности:

• Использует пару ключей: публичный и приватный
• Позволяет безопасно обменяться секретом через открытую сеть
• Математически сложное и вычислительно затратное

Недостаток:

• Значительно медленнее симметричного шифрования
• Неподходит для шифрования больших объёмов данных

Используется для:

• аутентификации сервера
• безопасного обмена ключами сессии

Симметричное шифрование (AES)
Особенности:

• Один общий секретный ключ
• Очень высокая скорость работы
• Минимальная нагрузка на процессор

Используется для:

• шифрования всего HTTP-трафика после установки соединения

Почему нельзя использовать только асимметричное шифрование

#

Если бы каждый пакет шифровался RSA:

• серверу пришлось бы выполнять дорогие математические операции
• производительность резко упала бы
• нагрузка на CPU выросла бы кратно

Поэтому используется схема:

1. Асимметричное шифрование → безопасно договориться о ключе
2. Симметричное шифрование → быстро передавать данные

Какая разница между механизмами получения общего секрета - RSA и ECDHE

#

Если используется RSA (старый вариант TLS 1.2)

• Клиент генерирует Pre-Master Secret
• Шифрует его публичным ключом сервера (из сертификата)
• Отправляет серверу
• Сервер расшифровывает своим приватным ключом

В этом случае общий секрет фактически создаёт клиент, а сервер его просто расшифровывает.
В RSA отсутствует PFS, если приватный ключ сервера украдут — можно расшифровать старый трафик.

Если используется ECDHE (современный вариант)

• Клиент и сервер обмениваются временными публичными ключами
• Каждый вычисляет общий секрет независимо
• Секрет никогда не передаётся по сети

В этом случае используется алгоритм Диффи–Хеллмана (ECDHE) на эллиптических кривых.
В ECDHE есть PFS, даже если ключ сервера украдут — старые сессии останутся защищёнными.

Что такое Cipher Suite

#

Cipher suite — это набор алгоритмов, которые TLS использует для безопасного соединения. В него обычно входят три компонента:

1. Алгоритм шифрования (encryption algorithm) — шифрует данные, чтобы их нельзя было прочитать третьим лицам.
2. Алгоритм аутентификации/подписи (authentication/MAC algorithm) — проверяет целостность и подлинность данных.
3. Алгоритм обмена ключами (key exchange algorithm) — отвечает за безопасную генерацию и обмен ключами между клиентом и сервером.

Примеры:
TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA:

• TLS — протокол, версия 1.0–1.2
• RSA — алгоритм обмена ключами и аутентификации сервера
• AES_128_CBC — симметричный алгоритм шифрования данных
• SHA — хэш-функция для проверки целостности данных через HMAC-SHA1

TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256:

• TLS — протокол версии 1.0–1.2 (чаще используется в TLS 1.2)
• ECDHE — Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephemeral, алгоритм обмена ключами с поддержкой PFS
• ECDSA — алгоритм аутентификации сервера на основе эллиптических кривых
• AES_128_GCM — симметричный алгоритм AES с ключом 128 бит в режиме GCM (шифрование + встроенная проверка целостности)
• SHA256 — хэш-функция для PRF и создания ключевого материала (в GCM отдельный HMAC не используется)

У современного Cipher Suite из TLS 1.3 структура немного другая:
TLS_AES_128_GCM_SHA256:

• TLS — протокол, версия 1.3
• AES_128 — симметричный алгоритм шифрования AES с ключом 128 бит
• GCM — режим шифрования Galois/Counter Mode, который одновременно шифрует и проверяет целостность данных (интегрирует функции MAC)
• SHA256 — хэш-функция, используемая для создания ключей (не для отдельной проверки целостности, как в старых версиях TLS)

Ключевые отличия Cipher Suite

Особенность TLS 1.3: в нём нет явного алгоритма обмена ключами в названии Cipher Suite — обмен ключами теперь всегда ведётся через ECDHE (Ephemeral Diffie-Hellman), что делает соединение более безопасным.

Протокол обмена ключами Диффи-Хеллмана (DH)

#

В 1976 году Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман представили алгоритм, позволяющий двум незнакомым сторонам безопасно обмениваться ключами через публичные каналы связи. Эта разработка заложила основу для асимметричного шифрования, также известного как криптография с открытым ключом.

Данный криптографический протокол дает возможность двум или более участникам выработать общий секретный ключ, даже если канал связи не защищен от прослушивания. В дальнейшем этот ключ применяется для шифрования последующих сообщений с использованием методов симметричного шифрования.

Как работает алгоритм Диффи-Хеллмана?

На схеме показан классический механизм обмена ключами по алгоритму Diffie–Hellman.
Его цель — безопасно получить общий секретный ключ, даже если весь обмен проходит по открытому каналу.

Шаг 1. Публичные параметры
Стороны заранее договариваются (в открытом виде) о двух числах:

• P = 13 — простое число (prime number)
• G = 6 — генератор

Шаг 2. Приватные числа
Каждая сторона выбирает свой секрет:

• Алиса выбирает private = 5
• Боб выбирает private = 4

Эти числа никому не передаются.

Шаг 3. Вычисление публичных ключей
Каждая сторона вычисляет свой публичный ключ по формуле:

Public = (G ^ Private) mod P

Можно использовать калькулятор в инженерном режиме.

• Алиса: (6^5) mod 13 = 2
• Боб: (6^4) mod 13 = 9

Затем они обмениваются этими числами (2 и 9) по открытому каналу.

Шаг 4. Вычисление общего секрета
Теперь каждая сторона использует:

• полученный публичный ключ соседа
• свой приватный ключ

Формула:

Shared Secret = (Public_other ^ Private_self) mod P

• Алиса: (9^5) mod 13 = 3
• Боб: (2^4) mod 13 = 3

В результате обе стороны получают одинаковый секрет = 3.

Почему это безопасно?
Злоумышленник видит:

• P = 13
• G = 6
• 2 и 9 (публичные ключи)

Но чтобы вычислить общий секрет, ему нужно узнать приватные числа (5 или 4). Это требует решения задачи дискретного логарифма — вычислительно сложной задачи при больших числах.

Зачем это нужно?
Diffie–Hellman:

• используется в TLS/HTTPS
• позволяет безопасно договориться о симметричном ключе
• после этого применяется быстрое симметричное шифрование (например, AES)

📌 Важно: сам Diffie–Hellman не шифрует данные, он только позволяет безопасно создать общий секретный ключ.

Основы криптографии

#

Симметричное шифрование

#

В верхней части схемы изображён механизм, при котором:

• Используется один и тот же секретный ключ
• Этот ключ применяется и для шифрования, и для расшифрования
• Отправитель и получатель должны заранее безопасно обменяться этим ключом

📌 Особенность: алгоритмы работают быстро и подходят для шифрования больших объёмов данных (например, VPN, TLS-сессии после установки соединения).
⚠️ Проблема: если ключ будет перехвачен, злоумышленник сможет и зашифровать, и расшифровать данные.

AES (Advanced Encryption Standard): AES - это широко используемый симметричный алгоритм шифрования. Он поддерживает ключи размером 128, 192 или 256 бит. AES известен своей скоростью и безопасностью и широко используется в различных приложениях.
DES (Data Encryption Standard): DES - это старый симметричный алгоритм шифрования, использующий ключ размером 56 бит. Хотя DES был широко использован в прошлом, сейчас он считается небезопасным из-за малого размера ключа.
3DES (Triple DES): 3DES применяет алгоритм DES три раза с разными ключами, что приводит к более сильному методу шифрования. Однако 3DES медленнее AES и в настоящее время в большинстве случаев заменяется на AES.
Blowfish: Blowfish - это симметричный блочный шифр, поддерживающий переменную длину ключа (до 448 бит). Он известен своей простотой и скоростью, что делает его подходящим для многих приложений.

Асимметричное шифрование

#

В нижней части схемы показана модель с двумя разными ключами:

• Открытый ключ (Public Key) — можно передавать кому угодно
• Закрытый ключ (Private Key) — хранится в секрете владельцем

Ключи математически связаны между собой.

1. Шифрование для передачи данных

• Сообщение шифруется открытым ключом получателя
• Расшифровать его может только владелец закрытого ключа

Это позволяет безопасно передавать данные без предварительного обмена секретами.

2. Подпись

• Данные подписываются закрытым ключом
• Проверить подпись может любой, у кого есть открытый ключ

Это используется для:

• TLS-сертификатов
• Электронной подписи
• Проверки подлинности ПО

RSA (Rivest-Shamir-Adleman): RSA - это широко используемый асимметричный алгоритм шифрования для безопасной передачи данных и создания цифровых подписей. Он опирается на математическую сложность факторизации больших простых чисел.
DSA (Digital Signature Algorithm): DSA - это алгоритм цифровой подписи, используемый для создания и проверки цифровых подписей. Он часто используется в сочетании с симметричным шифрованием для обеспечения безопасной связи.
DH (Diffie-Hellman): DH - это алгоритм обмена ключами, используемый для безопасного обмена криптографическими ключами через открытый канал. Он позволяет двум сторонам установить общий секретный ключ без его прямой передачи.

Хэш-функции

#

SHA (Secure Hash Algorithm): SHA - это семейство криптографических хэш-функций, включая SHA-1, SHA-256, SHA-384 и SHA-512. Эти хэш-функции генерируют фиксированный хэш-значение из входных данных, часто используемых для проверки целостности данных и хэширования паролей.

Главное отличие

#

TLS (Transport Layer Security): TLS - это протокол, который комбинирует симметричное и асимметричное шифрование для безопасной связи через сеть. Он использует асимметричное шифрование для обмена ключами (например, RSA) и симметричное шифрование (например, AES) для передачи данных.