面试题：Node.js网络通信中HTTPS加密原理及应用优化

Question

在Node.js搭建的网络服务中使用HTTPS，阐述HTTPS的加密原理，包括对称加密、非对称加密以及数字证书的作用。同时说明在实际应用中，如何优化HTTPS通信性能，例如减少握手延迟等方面，给出具体的优化思路和相关Node.js代码示例。

Answer 1

HTTPS加密原理

1. 对称加密：
   • 原理：使用同一个密钥进行加密和解密。发送方用密钥对数据加密，接收方用相同密钥解密。例如常见的AES（高级加密标准）算法。它的优点是加密和解密速度快，适合大量数据传输。但缺点是密钥管理困难，因为通信双方需要共享密钥，如果密钥在传输过程中被截取，数据就会被破解。
2. 非对称加密：
   • 原理：有公钥和私钥一对密钥。公钥可以公开，任何人都能用公钥加密数据，只有拥有私钥的一方才能解密。例如RSA算法。它解决了对称加密中密钥传输的安全问题，但加密和解密速度比对称加密慢。
3. 数字证书的作用：
   • 身份验证：数字证书由受信任的证书颁发机构（CA）颁发，包含网站的域名、公钥等信息。当客户端向服务器请求建立HTTPS连接时，服务器会将数字证书发送给客户端。客户端通过验证证书的合法性（如证书是否由受信任的CA颁发、是否过期等）来确认服务器的真实身份，防止中间人攻击。
   • 绑定公钥：证书将服务器的公钥与服务器身份绑定，确保客户端使用的公钥确实属于该服务器，而不是被中间人替换的公钥。

HTTPS通信性能优化思路

1. 减少握手延迟：
   • 会话复用：HTTPS连接建立后，客户端和服务器可以协商一个会话ID，后续的连接可以重用这个会话ID，减少握手过程。在Node.js中，https.Server对象的createSecureContext方法可以配置sessionIdContext选项来启用会话复用。
   • TLS 1.3优化：TLS 1.3减少了握手的往返次数，从TLS 1.2的3次往返减少到1次往返（或0 - RTT，即0次往返，如果会话复用成功）。在Node.js中，使用Node.js v12及以上版本，默认支持TLS 1.3，应用层不需要额外配置来启用TLS 1.3的基本优化特性。
2. 优化证书验证：
   • 缓存证书验证结果：对于经常访问的网站，可以缓存证书验证结果，避免每次连接都进行完整的证书验证流程。在Node.js中，可以通过自定义证书验证逻辑实现，例如使用https.request的rejectUnauthorized选项为false（不推荐在生产环境中直接使用，因为会绕过证书验证，增加安全风险），然后自己实现证书缓存和验证逻辑。
3. 内容压缩：
   • 启用HTTP压缩：在服务器端启用内容压缩，可以减少数据传输量，提高传输速度。在Node.js中，可以使用compression中间件，例如在Express应用中：

const express = require('express');
const compression = require('compression');
const app = express();
app.use(compression());
// 其他路由和中间件配置
const https = require('https');
const fs = require('fs');
const options = {
  key: fs.readFileSync('privatekey.pem'),
  cert: fs.readFileSync('certificate.pem')
};
https.createServer(options, app).listen(443, () => {
  console.log('HTTPS server running on port 443');
});

相关Node.js代码示例

以下是一个简单的Node.js HTTPS服务器示例，包含启用会话复用：

const https = require('https');
const fs = require('fs');

const options = {
  key: fs.readFileSync('privatekey.pem'),
  cert: fs.readFileSync('certificate.pem'),
  sessionIdContext: 'unique_context' // 启用会话复用
};

const server = https.createServer(options, (req, res) => {
  res.writeHead(200);
  res.end('Hello, HTTPS!\n');
});

server.listen(443, () => {
  console.log('HTTPS server running on port 443');
});