关于 HTTPS

人们很容易认为 HTTPS 仅仅是“启用”或“未启用”的东西。

但实际情况比这复杂得多。

提示

如果你很赶时间或不在乎，请继续阅读下一部分，下一部分会提供一个step-by-step的教程，告诉你怎么使用不同技术来把一切都配置好。

要从用户的视角了解 HTTPS 的基础知识，请查看 https://howhttps.works/。

现在，从开发人员的视角，在了解 HTTPS 时需要记住以下几点：

• 要使用 HTTPS，服务器需要拥有由第三方生成的"证书(certificate)"。
  • 这些证书实际上是从第三方获取的，而不是“生成”的。
• 证书有生命周期。
  • 它们会过期。
  • 然后它们需要更新，再次从第三方获取。
• 连接的加密发生在 TCP 层。
  • 这是 HTTP 协议下面的一层。
  • 因此，证书和加密处理是在 HTTP之前完成的。
• TCP 不知道域名。 仅仅知道 IP 地址。
  • 有关所请求的 特定域名 的信息位于 HTTP 数据中。
• HTTPS 证书“证明”某个域名，但协议和加密发生在 TCP 层，在知道正在处理哪个域名之前。
• 默认情况下，这意味着你每个 IP 地址只能拥有一个 HTTPS 证书。
  • 无论你的服务器有多大，或者服务器上的每个应用程序有多小。
  • 不过，对此有一个解决方案。
• TLS 协议（在 HTTP 之下的TCP 层处理加密的协议）有一个扩展，称为 SNI。
  • SNI 扩展允许一台服务器（具有 单个 IP 地址）拥有 多个 HTTPS 证书 并提供 多个 HTTPS 域名/应用程序。
  • 为此，服务器上会有单独的一个组件（程序）侦听公共 IP 地址，这个组件必须拥有服务器中的所有 HTTPS 证书。
• 获得安全连接后，通信协议仍然是HTTP。
  • 内容是 加密过的，即使它们是通过 HTTP 协议 发送的。

通常的做法是在服务器上运行一个程序/HTTP 服务器并管理所有 HTTPS 部分：接收加密的 HTTPS 请求， 将 解密的 HTTP 请求 发送到在同一服务器中运行的实际 HTTP 应用程序（在本例中为 FastAPI 应用程序），从应用程序中获取 HTTP 响应， 使用适当的 HTTPS 证书对其进行加密并使用 HTTPS 将其发送回客户端。 此服务器通常被称为 TLS 终止代理(TLS Termination Proxy)。

你可以用作 TLS 终止代理的一些选项包括：

• Traefik（也可以处理证书更新）
• Caddy（也可以处理证书更新）
• Nginx
• HAProxy

Let's Encrypt

在 Let's Encrypt 之前，这些 HTTPS 证书 由受信任的第三方出售。

过去，获得这些证书的过程非常繁琐，需要大量的文书工作，而且证书非常昂贵。

但随后 Let's Encrypt 创建了。

它是 Linux 基金会的一个项目。 它以自动方式免费提供 HTTPS 证书。 这些证书可以使用所有符合标准的安全加密，并且有效期很短（大约 3 个月），因此安全性实际上更好，因为它们的生命周期缩短了。

域可以被安全地验证并自动生成证书。 这还允许自动更新这些证书。

我们的想法是自动获取和更新这些证书，以便你可以永远免费拥有安全的 HTTPS。

面向开发人员的 HTTPS

这里有一个 HTTPS API 看起来是什么样的示例，我们会分步说明，并且主要关注对开发人员重要的部分。

域名

第一步我们要先获取一些域名(Domain Name)。 然后可以在 DNS 服务器（可能是你的同一家云服务商提供的）中配置它。

你可能拥有一个云服务器（虚拟机）或类似的东西，并且它会有一个固定 公共IP地址。

在 DNS 服务器中，你可以配置一条记录（“A 记录”）以将 你的域名 指向你服务器的公共 IP 地址。

这个操作一般只需要在最开始执行一次。

Tip

域名这部分发生在 HTTPS 之前，由于这一切都依赖于域名和 IP 地址，所以先在这里提一下。

DNS

现在让我们关注真正的 HTTPS 部分。

首先，浏览器将通过 DNS 服务器 查询域名的IP 是什么，在本例中为 someapp.example.com。

DNS 服务器会告诉浏览器使用某个特定的 IP 地址。 这将是你在 DNS 服务器中为你的服务器配置的公共 IP 地址。

TLS 握手开始

然后，浏览器将在端口 443（HTTPS 端口）上与该 IP 地址进行通信。

通信的第一部分只是建立客户端和服务器之间的连接并决定它们将使用的加密密钥等。

客户端和服务器之间建立 TLS 连接的过程称为 TLS 握手。

带有 SNI 扩展的 TLS

服务器中只有一个进程可以侦听特定 IP 地址的特定 端口。 可能有其他进程在同一 IP 地址的其他端口上侦听，但每个 IP 地址和端口组合只有一个进程。

TLS (HTTPS) 默认使用端口443。 这就是我们需要的端口。

由于只有一个进程可以监听此端口，因此监听端口的进程将是 TLS 终止代理。

TLS 终止代理可以访问一个或多个 TLS 证书（HTTPS 证书）。

使用上面讨论的 SNI 扩展，TLS 终止代理将检查应该用于此连接的可用 TLS (HTTPS) 证书，并使用与客户端期望的域名相匹配的证书。

在这种情况下，它将使用someapp.example.com的证书。

客户端已经信任生成该 TLS 证书的实体（在本例中为 Let's Encrypt，但我们稍后会看到），因此它可以验证该证书是否有效。

然后，通过使用证书，客户端和 TLS 终止代理 决定如何加密 TCP 通信 的其余部分。 这就完成了 TLS 握手 部分。

此后，客户端和服务器就拥有了加密的 TCP 连接，这就是 TLS 提供的功能。 然后他们可以使用该连接来启动实际的 HTTP 通信。

这就是 HTTPS，它只是 安全 TLS 连接 内的普通 HTTP，而不是纯粹的（未加密的）TCP 连接。

Tip

请注意，通信加密发生在 TCP 层，而不是 HTTP 层。

HTTPS 请求

现在客户端和服务器（特别是浏览器和 TLS 终止代理）具有 加密的 TCP 连接，它们可以开始 HTTP 通信。

接下来，客户端发送一个 HTTPS 请求。 这其实只是一个通过 TLS 加密连接的 HTTP 请求。

解密请求

TLS 终止代理将使用协商好的加密算法解密请求，并将（解密的）HTTP 请求传输到运行应用程序的进程（例如运行 FastAPI 应用的 Uvicorn 进程）。

HTTP 响应

应用程序将处理请求并向 TLS 终止代理发送（未加密）HTTP 响应。

HTTPS 响应

然后，TLS 终止代理将使用之前协商的加密算法（以someapp.example.com的证书开头）对响应进行加密，并将其发送回浏览器。

接下来，浏览器将验证响应是否有效和是否使用了正确的加密密钥等。然后它会解密响应并处理它。

客户端（浏览器）将知道响应来自正确的服务器，因为它使用了他们之前使用 HTTPS 证书 协商出的加密算法。

多个应用程序

在同一台（或多台）服务器中，可能存在多个应用程序，例如其他 API 程序或数据库。

只有一个进程可以处理特定的 IP 和端口（在我们的示例中为 TLS 终止代理），但其他应用程序/进程也可以在服务器上运行，只要它们不尝试使用相同的 公共 IP 和端口的组合。

这样，TLS 终止代理就可以为多个应用程序处理多个域名的 HTTPS 和证书，然后在每种情况下将请求传输到正确的应用程序。

证书更新

在未来的某个时候，每个证书都会过期（大约在获得证书后 3 个月）。

然后，会有另一个程序（在某些情况下是另一个程序，在某些情况下可能是同一个 TLS 终止代理）与 Let's Encrypt 通信并更新证书。

TLS 证书 与域名相关联，而不是与 IP 地址相关联。

因此，要更新证书，更新程序需要向权威机构（Let's Encrypt）证明它确实“拥有”并控制该域名。

有多种方法可以做到这一点。 一些流行的方式是：

• 修改一些DNS记录。
  • 为此，续订程序需要支持 DNS 提供商的 API，因此，要看你使用的 DNS 提供商是否提供这一功能。
• 在与域名关联的公共 IP 地址上作为服务器运行（至少在证书获取过程中）。
  • 正如我们上面所说，只有一个进程可以监听特定的 IP 和端口。
  • 这就是当同一个 TLS 终止代理还负责证书续订过程时它非常有用的原因之一。
  • 否则，你可能需要暂时停止 TLS 终止代理，启动续订程序以获取证书，然后使用 TLS 终止代理配置它们，然后重新启动 TLS 终止代理。 这并不理想，因为你的应用程序在 TLS 终止代理关闭期间将不可用。

通过拥有一个单独的系统来使用 TLS 终止代理来处理 HTTPS, 而不是直接将 TLS 证书与应用程序服务器一起使用 （例如 Uvicorn）,你可以在 更新证书的过程中同时保持提供服务。

回顾

拥有HTTPS 非常重要，并且在大多数情况下相当关键。 作为开发人员，你围绕 HTTPS 所做的大部分努力就是理解这些概念以及它们的工作原理。

一旦你了解了面向开发人员的 HTTPS 的基础知识，你就可以轻松组合和配置不同的工具，以帮助你以简单的方式管理一切。

在接下来的一些章节中，我将向你展示几个为 FastAPI 应用程序设置 HTTPS 的具体示例。 🔒