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36公私钥体系和网络安全：什么是中间人攻击？
设想你和一个朋友签订了合同，双方各执一份。如果朋友恶意篡改了合同内容，比如替换了合同中的条款，最后大家闹到法院、各执一词。这个时候就需要专业鉴定机构去帮你鉴定合同的真伪，朋友花越多心思去伪造合同，那么鉴定的成本就会越高。
在网络安全领域有个说法：没有办法杜绝网络犯罪，只能想办法提高网络犯罪的成本。我们的目标是提高作案的成本，并不是杜绝这种现象。今天我将带你初探网络安全的世界，学习网络安全中最重要的一个安全体系------公私钥体系。
合同的类比
我们尝试用签合同这种类比的方式来学习下面的内容。你可以先思考：如果选择"网签"，是不是能让伪造的成本更高呢？比如，是否能够降低存储的成本呢？
如果我们将两份合同都存到一个双方可以信任的第三方机构，只要这个机构不**监守自盗，**那么合同就是相对安全的。第三方机构保管后，合同的双方，都没有办法篡改这份合同的内容。而且双方随时可以去机构取出合同的原文，进行对比。
摘要算法
一家具有公信力的机构对内部需要严格管理。那么当合同存储下来之后，为了防止内部人员篡改合同，这家机构需要做什么呢？
很显然，这家机构需要证明合同没有被篡改。一种可行的做法，就是将合同原文 和摘要 一起存储。你可以把摘要算法理解成一个函数，原文经过一系列复杂的计算后，产生一个唯一的散列值。只要原文发生一丁点的变动，这个散列值就会发生变化。
目前比较常见的摘要算法有消息摘要算法（Message Digest Algorithm, MD5）和安全散列算法（Secure Hash Algorithm, SHA）。MD5 可以将任意长度的文章转化为一个 128 位的散列值。2004 年，MD5 被证实会发生碰撞，发生碰撞就是两篇原文产生了相同的摘要。这是非常危险的事情，这将允许黑客进行多种攻击手段，甚至可以伪造摘要。
因此在这之后，我们通常首选 SHA 算法。你不需要知道算法的准确运算过程，只需要知道 SHA 系的算法更加安全即可。在实现普通应用的时候可以使用 MD5，在计算对安全性要求极高的摘要时，就应该使用 SHA，比如订单、账号信息、证书等。
安全保存的困难
采用摘要算法，从理论上来说就杜绝了篡改合同的内容的做法。但在现实当中，公司也有可能出现内鬼。我们不能假定所有公司内部员工的行为就是安全的。因此可以考虑将合同和摘要分开存储，并且设置不同的权限。这样就确保在机构内部，没有任何一名员工同时拥有合同和摘要的权限。但是即便如此，依然留下了巨大的安全隐患。比如两名员工串通一气，或者员工利用安全漏洞，和外部的不法分子进行非法交易。
那么现在请你思考这个问题：如何确保公司内部的员工不会篡改合同呢？当然从理论上来说是做不到的。没有哪个系统能够杜绝内部人员接触敏感信息，除非敏感信息本身就不存在。因此，可以考虑将原文存到合同双方的手中，第三方机构中只存摘要。但是这又产生了一个新的问题，会不会有第三方机构的员工和某个用户串通一气修改合同呢？
至此，事情似乎陷入了僵局。由第三方平台保存合同，背后同样有很大的风险。而由用户自己保存合同，就是签约双方交换合同原文及摘要。但是这样的形式中，摘要本身是没有公信力的，无法证明合同和摘要确实是对方给的。
因此我们还要继续思考最终的解决方案：类比我们交换合同，在现实世界当中，还伴随着签名的交换。那么在计算机的世界中，签名是什么呢？
数字签名和证书
在计算机中，数字签名是一种很好的实现签名（模拟现实世界中签名）的方式。 所谓数字签名，就是对摘要进行加密形成的密文。
举个例子：现在 Alice 和 Bob 签合同。Alice 首先用 SHA 算法计算合同的摘要，然后用自己私钥将摘要加密，得到数字签名。Alice 将合同原文、签名，以及公钥三者都交给 Bob。如下图所示：
Bob 如果想证明合同是 Alice 的，就要用 Alice 的公钥，将签名解密得到摘要 X。然后，Bob 计算原文的 SHA 摘要 Y。Bob 对比 X 和 Y，如果 X = Y 则说明数据没有被篡改过。
在这样的一个过程当中，Bob 不能篡改 Alice 合同。因为篡改合同不但要改原文还要改摘要，而摘要被加密了，如果要重新计算摘要，就必须提供 Alice 的私钥。所谓私钥，就是 Alice 独有的密码。所谓公钥，就是 Alice 公布给他人使用的密码。
公钥加密的数据，只有私钥才可以解密。私钥加密的数据，只有公钥才可以解密 。这样的加密方法我们称为非对称加密 ，基于非对称加密算法建立的安全体系，也被称作公私钥体系。用这样的方法，签约双方都不可以篡改合同。
证书
但是在上面描述的过程当中，仍然存在着一个非常明显的信任风险。这个风险在于，Alice 虽然不能篡改合同，但是可以否认给过 Bob 的公钥和合同。这样，尽管合同双方都不可以篡改合同本身，但是双方可以否认签约行为本身。
如果要解决这个问题，那么 Alice 提供的公钥，必须有足够的信誉。这就需要引入第三方机构和证书机制。
证书为公钥提供方提供公正机制。证书之所以拥有信用，是因为证书的签发方拥有信用。假设 Alice 想让 Bob 承认自己的公钥。Alice 不能把公钥直接给 Bob，而是要提供第三方公证机构签发的、含有自己公钥的证书。如果 Bob 也信任这个第三方公证机构，信任关系和签约就成立。当然，法律也得承认，不然没法打官司。
如上图所示，Alice 将自己的申请提交给机构，产生证书的原文。机构用自己的私钥签名 Alice 的申请原文（先根据原文内容计算摘要，再用私钥加密），得到带有签名信息的证书。Bob 拿到带签名信息的证书，通过第三方机构的公钥进行解密，获得 Alice 证书的摘要、证书的原文。有了 Alice 证书的摘要和原文，Bob 就可以进行验签。验签通过，Bob 就可以确认 Alice 的证书的确是第三方机构签发的。
用上面这样一个机制，合同的双方都无法否认合同。这个解决方案的核心在于需要第三方信用服务机构提供信用背书。这里产生了一个最基础的信任链，如果第三方机构的信任崩溃，比如被黑客攻破，那整条信任链条也就断裂了。
信任链
为了固化信任关系，减少风险。最合理的方式就是在互联网中打造一条更长的信任链，环环相扣，避免出现单点的信任风险。
上图中，由信誉最好的根证书机构提供根证书，然后根证书机构去签发二级机构的证书；二级机构去签发三级机构的证书；最后有由三级机构去签发 Alice 证书。
如果要验证 Alice 证书的合法性，就需要用三级机构证书中的公钥去解密 Alice 证书的数字签名。
如果要验证三级机构证书的合法性，就需要用二级机构的证书去解密三级机构证书的数字签名。
如果要验证二级结构证书的合法性，就需要用根证书去解密。
以上，就构成了一个相对长一些的信任链。如果其中一方想要作弊是非常困难的，除非链条中的所有机构同时联合起来，进行欺诈。
中间人攻击
最后我们再来说说中间人攻击。在 HTTPS 协议当中，客户端需要先从服务器去下载证书，然后再通过信任链验证服务器的证书。当证书被验证为有效且合法时，客户端和服务器之间会利用非对称加密协商通信的密码，双方拥有了一致的密码和加密算法之后，客户端和服务器之间会进行对称加密的传输。
在上述过程当中，要验证一个证书是否合法，就必须依据信任链，逐级的下载证书。但是根证书通常不是下载的，它往往是随着操作系统预安装在机器上的。如果黑客能够通过某种方式在你的计算机中预装证书，那么黑客也可以伪装成中间节点。如下图所示：
一方面，黑客向客户端提供伪造的证书，并且这个伪造的证书会在客户端中被验证为合法。因为黑客已经通过其他非法手段在客户端上安装了证书。举个例子，比如黑客利用 U 盘的自动加载程序，偷偷地将 U 盘插入客户端机器上一小段时间预装证书。
安装证书后，黑客一方面和客户端进行正常的通信，另一方面黑客和服务器之间也建立正常的连接。这样黑客在中间就可以拿到客户端到服务器的所有信息，并从中获利。
总结
总结一下，在信任的基础上才能产生合作。有了合作才能让整个互联网的世界有序运转，信任是整个互联网世界的基石。在互联网中解决信任问题不仅需要数学和算法，还需要一个信任链条。有人提供信用，比如证书机构；有人消费信用，比如网络服务的提供者。
这一讲我试图带你理解"如何构造一个拥有信誉的互联网世界 "，但是还有很多的细节，比如说有哪些加密解密算法？HTTPS 协议具体的工作原理、架构等。这些更具体的内容，我会在拉勾教育即将推出的《计算机网络》专栏中和你继续深入讨论。
那么通过这一讲的学习，你现在可以尝试来回答本节关联的面试题目：什么是中间人攻击？
【解析】中间人攻击中，一方面，黑客利用不法手段，让客户端相信自己是服务提供方。另一方面，黑客伪装成客户端和服务器交互。这样黑客就介入了客户端和服务之间的连接，并从中获取信息，从而获利。在上述过程当中，黑客必须攻破信任链的体系，比如直接潜入对方机房现场暴力破解、诱骗对方员工在工作电脑中安装非法的证书等。
另外，有很多的网络调试工具的工作原理，和中间人攻击非常类似。为了调试网络的请求，必须先在客户端装上自己的证书。这样作为中间人节点的调试工具，才可以获取客户端和服务端之间的传输。
思考题
最后我再给你出一道需要查资料的思考题：如何预防中间人攻击？
你可以把你的答案、思路或者课后总结写在留言区，这样可以帮助你产生更多的思考，这也是构建知识体系的一部分。经过长期的积累，相信你会得到意想不到的收获。如果你觉得今天的内容对你有所启发，欢迎分享给身边的朋友。期待看到你的思考！
这一讲就到这里，发现求知的乐趣，我是林䭽。感谢你学习本次课程，下一讲我们将学习 37 | 虚拟化技术介绍：VMware 和 Docker 的区别？再见！