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nginx 响应头中添加HSTS

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从 HTTP 到 HTTPS 再到 HSTS

近些年，随着域名劫持、信息泄漏等网络安全事件的频繁发生，网站安全也变得越来越重要，也促成了网络传输协议从 HTTP 到 HTTPS 再到 HSTS 的转变。

HTTP

HTTP（超文本传输协议） 是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。HTTP 是互联网数据通信的基础。它是由万维网协会（W3C）和互联网工程任务组（IETF）进行协调制定了 HTTP 的标准，最终发布了一系列的 RFC，并且在1999年6月公布的 RFC 2616，定义了 HTTP 协议中现今广泛使用的一个版本——HTTP 1.1。

HTTP 访问过程

HTTP 属于 TCP/IP 模型中的应用层协议，当浏览器与服务器进行互相通信时，需要先建立TCP 连接，之后服务器才会接收浏览器的请求信息，当接收到信息之后，服务器返回相应的信息。最后浏览器接受对服务器的信息应答后，对这些数据进行解释执行。

△http 1.0 请求模式

HTTP 1.0 时，浏览器每次访问都要单独建立连接，这会造成资源的浪费。

后来HTTP 1.1可以在一次连接中处理多个请求，并且将多个请求重叠进行

△http 1.1 请求模式

HTTP 协议特点

1. 简单、快速、灵活：当用户想服务器发送请求时，只需传送请求方法和路径即可，HTTP 允许传输任意类型的数据对象。并且HTTP协议简单易用，HTTP 服务器规模小，保证了网络通信的速度；

2. 无连接、无状态：HTTP协议限制每次连接只处理单个请求，当服务器收到用户请求后就会断开连接，保证了传输时间的节省。同时HTTP协议对事务处理没有记忆能力，如果后续的请求需要使用前面的信息就必须重传数据；

3. 管线化和内容编码：随着管线化技术的出现，HTTP 请求比持久性连接速度更快，并且当某些报文的内容过大时，为了减少传输的时间，HTTP 会采取压缩文件的方式；

4. HTTP支持客户/服务器模式

从HTTP到HTTPS

HTTP 协议由于其简单快速、占用资源少，一直被用于网站服务器和浏览器之间进行数据传输。但是在数据传输的过程中也存在很明显的问题，由于 HTTP 是明文协议，不会对数据进行任何方式的加密。当黑客攻击窃取了网站服务器和浏览器之间的传输报文的时，可以直接读取传输的信息，造成网站、用户资料的泄密。因此 HTTP 不适用于敏感信息的传播，这个时候需要引入 HTTPS（超文本传输安全协议）。

HTTPS

HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure ）是一种以计算机网络安全通信为目的的传输协议。在HTTP下加入了SSL层，从而具有了保护交换数据隐私和完整性和提供对网站服务器身份认证的功能，简单来说它就是安全版的 HTTP 。

△ HTTP、HTTPS 差异

HTTPS 访问过程

HTTPS在进行数据传输之前会与网站服务器和Web浏览器进行一次握手，在握手时确定双方的加密密码信息。

具体过程如下：

1. Web 浏览器将支持的加密信息发送给网站服务器；

2. 网站服务器会选择出一套加密算法和哈希算法，将验证身份的信息以证书（证书发布CA机构、证书有效期、公钥、证书所有者、签名等）的形式发送给Web浏览器；

3. 当 Web 浏览器收到证书之后首先需要验证证书的合法性，如果证书受到浏览器信任则在浏览器地址栏会有标志显示，否则就会显示不受信的标识。当证书受信之后，Web 浏览器会随机生成一串密码，并使用证书中的公钥加密。之后就是使用约定好的哈希算法握手消息，并生成随机数对消息进行加密，再将之前生成的信息发送给网站；

△ Chrome 浏览器 HTTPS安全标识

4. 当网站服务器接收到浏览器发送过来的数据后，会使用网站本身的私钥将信息解密确定密码，然后通过密码解密Web浏览器发送过来的握手信息，并验证哈希是否与Web浏览器一致。然后服务器会使用密码加密新的握手信息，发送给浏览器；

5. 最后浏览器解密并计算经过哈希算法加密的握手消息，如果与服务发送过来的哈希一致，则此握手过程结束后，服务器与浏览器会使用之前浏览器生成的随机密码和对称加密算法进行加密交换数据。

△ HTTPS 握手过程

HTTPS 加密算法

为了保护数据的安全，HTTPS 运用了诸多加密算法：

1.对称加密：有流式、分组两种，加密和解密都是使用的同一个密钥。

例如：DES、AES-GCM、ChaCha20-Poly1305 等。

2.非对称加密：加密使用的密钥和解密使用的密钥是不相同的，分别称为：公钥、私钥，公钥和算法都是公开的，私钥是保密的。非对称加密算法性能较低，但是安全性超强，由于其加密特性，非对称加密算法能加密的数据长度也是有限的。

例如：RSA、DSA、ECDSA、 DH、ECDHE 等。

3. 哈希算法：将任意长度的信息转换为较短的固定长度的值，通常其长度要比信息小得多，且算法不可逆。

例如：MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-256 等。

4. 数字签名：签名就是在信息的后面再加上一段内容（信息经过 hash 后的值），可以证明信息没有被修改过。hash 值一般都会加密后（也就是签名）再和信息一起发送，以保证这个 hash 值不被修改。

从 HTTPS 到 HSTS

但是当网站传输协议从 HTTP 到 HTTPS 之后，数据传输真的安全了吗？

由于用户习惯，通常准备访问某个网站时，在浏览器中只会输入一个域名，而不会在域名前面加上 http:// 或者 https://，而是由浏览器自动填充，当前所有浏览器默认填充的都是http://。一般情况网站管理员会采用了 301/302 跳转的方式由 HTTP 跳转到 HTTPS，但是这个过程总使用到 HTTP 因此容易发生劫持，受到第三方的攻击。

这个时候就需要用到 HSTS（HTTP 严格安全传输）。

△ HTTP 请求劫持

HSTS

HSTS是国际互联网工程组织 IETF 正在推行一种新的 Web 安全协议，网站采用 HSTS 后，用户访问时无需手动在地址栏中输入 HTTPS，浏览器会自动采用 HTTPS 访问网站地址，从而保证用户始终访问到网站的加密链接，保护数据传输安全。

HSTS原理

HSTS 主要是通过服务器发送响应头的方式来控制浏览器操作：

1. 首先在服务器响应头中添加 HSTS 响应头：

Strict-Transport-Security: max-age=expireTime [; includeSubDomains] [; preload]

此响应头只有在 https 访问返回时才生效，其中[ ]中的参数表示可选；

2. 设置 max-age 参数，时间设置不宜过长，建议设置时间为 6 个月；

3. 当用户下次使用 HTTP 访问，客户端就会进行内部跳转，并且能够看到 307 Redirect Internel 的响应码；

4. 网站服务器变成了 HTTPS 访问源服务器。

开启 HSTS 后网站可以有效防范中间人的攻击，同时也会省去网站 301/302 跳转花费的时间，大大提升安全系数和用户体验。

开启 HSTS 后网站安全系数检测测评

开启 HSTS 以后，可以到 ssllabs 进行测试，网站的安全等级会进一步提升。

开启前等级为：A

开启后等级变为：A+

上面的文字大概讲述了HSTS的前世今生，下面我们就说说怎么在nginx HTTPS站点中使用

HSTS

302 跳转是由浏览器触发的，服务器无法完全控制，这个需求导致了 HSTS(HTTP Strict Transport Security)的诞生。HTSP 就是添加 header 头（add_header Strict-Transport-Security max-age=15768000;includeSubDomains），告诉浏览器网站使用 HTTPS 访问，支持HSTS的浏览器就会在后面的请求中直接切换到 HTTPS。在 Chrome 中会看到浏览器自己会有个 307 Internal Redirect 的内部重定向。在一段时间内也就是max-age定义的时间，不管用户输入 www.liberalman.cn 还是 http://www.liberalman.cn ，都会默认将请求内部跳转到https://www.liberalman.cn 。

采用HSTS协议的网站将保证浏览器始终连接到该网站的HTTPS加密版本，不需要用户手动在URL地址栏中输入加密地址。

该协议将帮助网站采用全局加密，用户看到的就是该网站的安全版本。

HSTS的作用是强制客户端（如浏览器）使用HTTPS与服务器创建连接。服务器开启HSTS的方法是，当客户端通过HTTPS发出请求时，在服务器返回的超文本传输协议响应头中包含Strict-Transport-Security字段。非加密传输时设置的HSTS字段无效。

比如，https://www.liberalman.cn 的响应头含有Strict-Transport-Security: max-age=31536000; includeSubDomains。这意味着两点：

在接下来的一年（即31536000秒）中，浏览器只要向xxx或其子域名发送HTTP请求时，必须采用HTTPS来发起连接。比如，用户点击超链接或在地址栏输入 http://www.liberalman.cn/ ，浏览器应当自动将 http 转写成 https，然后直接向 https://www.liberalman.cn/ 发送请求。

在接下来的一年中，如果 www.liberalman.cn 服务器发送的TLS证书无效，用户不能忽略浏览器警告继续访问网站。

服务器端配置HSTS，减少302跳转，其实HSTS的最大作用是防止302 HTTP劫持。HSTS的缺点是浏览器支持率不高，另外配置HSTS后HTTPS很难实时降级成HTTP。同时，也建议启用SPDY来提高性能，不累述。

nginx如何配置HSTS

在nginx的配置中，在https的server站点添加如下头部： 

add_header Strict-Transport-Security "max-age=63072000; includeSubdomains; preload";

这样当第一次以https方式访问我的网站，nginx则会告知客户端的浏览器，以后即便地址栏输入http，也要浏览器改成https来访问我的nginx服务器。是不是很爽，服务器再也不管http转发到https这档子事了，由浏览器自己把http改名字为https再来请求服务器，这不就减少了访问服务器的次数了吗，节省了不少资源。

实测效果，重启nginx后，第一次访问用了http，发现没有跳转。当然不跳了，人家HSTS生效是要你访问https才生效的。然后输入了https的网址，下来再重新输入http，神奇了，真的浏览器自己替换成了https，再试试依然会替换，看我的配置，大概会维持63072000s吧，哈哈。

如果用户第一次访问是http，以后还是http，就是不用一次https，那我们岂不是一直不能是的HSTS生效了？所以这里再加个配置，在http站点的server下，添加配置 

return 301 https://$host;


这样当客户端访问http的时候，nginx就给他转到https上去，那访问了一次https后，以后浏览器自己就往https上转了，发到nginx的也就是https的请求了！

另外如果为了避免点击劫持，还要添加 X-Frame-Options 头部，确保不会嵌入到frame 或 iframe，使得网站的内容不会嵌入到其他网站。 

add_header X-Frame-Options "DENY";

浏览器支持

Chromium和Google Chrome从4.0.211.0版本开始支持HSTS

Firefox 4及以上版本

Opera 12及以上版本

Safari从OS X Mavericks起

Internet Explorer从Windows 10技术预览版开始支持，之后微软又向IE11用户推送了支持HSTS的更新。

缺点

HSTS并不是HTTP会话劫持的完美解决方案。用户首次访问某网站是不受HSTS保护的。这是因为首次访问时，浏览器还未收到HSTS，所以仍有可能通过明文HTTP来访问。如果他们通过HTTP访问HSTS保护的网站时：

以前从未访问过该网站

最近重新安装了其操作系统

最近重新安装了其浏览器

切换到新的浏览器

切换到一个新的设备如移动电话

删除浏览器的缓存

最近没访问过该站并且max-age过期了

解决这个不足目前有两种方案

一是浏览器预置HSTS域名列表，Google Chrome、Firefox、Internet Explorer和Spartan实现了这一方案。google坚持维护了一个“HSTS preload list”的站点域名和子域名，并通过https://hstspreload.appspot.com/提交其域名。该域名列表被分发和硬编码到主流的web浏览器。客户端访问此列表中的域名将主动的使用HTTPS，并拒绝使用HTTP访问该站点。

一旦设置了STS头部或者提交了你的域名到HSTS预加载列表，这是不可能将其删除的。这是一个单向的决定使你的域名通过HTTPS可用的。

二是将HSTS信息加入到域名系统记录中。但这需要保证DNS的安全性，也就是需要部署域名系统安全扩展。截至2014年这一方案没有大规模部署。

由于HSTS会在一定时间后失效（有效期由max-age指定），所以浏览器是否强制HSTS策略取决于当前系统时间。部分操作系统经常通过网络时间协议更新系统时间，如Ubuntu每次连接网络时，OS X Lion每隔9分钟会自动连接时间服务器。攻击者可以通过伪造NTP信息，设置错误时间来绕过HSTS。解决方法是认证NTP信息，或者禁止NTP大幅度增减时间。比如Windows 8每7天更新一次时间，并且要求每次NTP设置的时间与当前时间不得超过15小时。