SSH

一、SSH

SSH 是一种协议标准，其目的是实现安全远程登录以及其它安全网络服务。

传统的网络服务程序，如：ftp、pop 和 telnet 在本质上都是不安全的，因为它们在网络上用明文传送口令和数据。

SSH 是目前较可靠，专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。利用 SSH 协议可以有效防止远程管理过程中的信息泄露问题。既能防止中间人攻击，也能够防止 DNS 欺骗和 IP 欺骗。使用 SSH，还有一个额外的好处就是传输的数据是经过压缩的，所以可以加快传输的速度。

SSH 是一个协议标准，其具体的实现有很多，既有开源实现的 OpenSSH，也有商业实现方案。使用范围最广泛的当然是开源实现 OpenSSH。

SSH 主要由三部分组成：

  1. 传输层协议 [SSH-TRANS]

    提供了服务器认证，保密性及完整性。此外它有时还提供压缩功能。 SSH-TRANS 通常运行在 TCP/IP 连接上，也可能用于其它可靠数据流上。 SSH-TRANS 提供了强力的加密技术、密码主机认证及完整性保护。该协议中的认证基于主机，并且该协议不执行用户认证。更高层的用户认证协议可以设计为在此协议之上。

  2. 用户认证协议 [SSH-USERAUTH]

    用于向服务器提供客户端用户鉴别功能。它运行在传输层协议 SSH-TRANS 上面。当 SSH-USERAUTH 开始后，它从低层协议那里接收会话标识符（从第一次密钥交换中的交换哈希 H）。会话标识符唯一标识此会话并且适用于标记以证明私钥的所有权。 SSH-USERAUTH 也需要知道低层协议是否提供保密性保护。

  3. 连接协议 [SSH-CONNECT]

    将多个加密隧道分成逻辑通道。它运行在用户认证协议上。它提供了交互式登录话路、远程命令执行、转发 TCP/IP 连接和转发 X11 连接。

二、SSH 工作原理

在讨论 SSH 的原理和使用前，我们需要分析一个问题：为什么需要 SSH？

SSH 和 telnet、ftp 等协议主要的区别在于安全性。这就引出下一个问题：

如何实现数据的安全呢？

首先想到的实现方案肯定是对数据进行加密。加密的方式主要有两种：

  1. 对称加密（也称为秘钥加密）
  2. 非对称加密（也称公钥加密）

所谓对称加密，指加密解密使用同一套秘钥。如下图所示：

对称加密-Client端
对称加密-Server端

对称加密的加密强度高，很难破解。但是在实际应用过程中不得不面临一个棘手的问题：

密钥本身存在安全因素，密钥本身存在泄密可能性。如何安全的保存密钥呢？

尤其是考虑到数量庞大的 Client 端，很难保证密钥不被泄露。一旦一个 Client 端的密钥被窃据，那么整个系统的安全性也就不复存在。为了解决这个问题，非对称加密应运而生。非对称加密有两个密钥：“公钥”和“私钥”。

两个密钥的特性：公钥加密后的密文，只能通过对应的私钥进行解密。而通过公钥推理出私钥的可能性微乎其微。

下面看下使用非对称加密方案的登录流程：

非对称加密登录流程

  1. 远程 Server 收到 Client 端用户 TopGun 的登录请求，Server 把自己的公钥发给用户。
  2. Client 使用这个公钥，将密码进行加密。
  3. Client 将加密的密码发送给 Server 端。
  4. 远程 Server 用自己的私钥，解密登录密码，然后验证其合法性。
  5. 若验证结果，给 Client 相应的响应。

私钥是 Server 端独有，这就保证了 Client 的登录信息即使在网络传输过程中被窃据，也没有私钥进行解密，保证了数据的安全性，这充分利用了非对称加密的特性。

这样就一定安全了吗？

上述流程会有一个问题：Client 端如何保证接受到的公钥就是目标 Server 端的？如果一个攻击者中途拦截 Client 的登录请求，向其发送自己的公钥，Client 端用攻击者的公钥进行数据加密。攻击者接收到加密信息后再用自己的私钥进行解密，不就窃取了 Client 的登录信息了吗？这就是所谓的中间人攻击。

中间人攻击

SSH中是如何解决这个问题的？

2.1 基于口令的认证

从上面的描述可以看出，问题就在于如何对 Server 的公钥进行认证？在 https 中可以通过 CA 来进行公证，可是 SSH 的 publish key 和 private key 都是自己生成的，没法公证。只能通过 Client 端自己对公钥进行确认。通常在第一次登录的时候，系统会出现下面提示信息：

The authenticity of host 'ssh-server.example.com (12.18.429.21)' can't be established.
RSA key fingerprint is 98:2e:d7:e0:de:9f:ac:67:28:c2:42:2d:37:16:58:4d.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)?

上面的信息说的是：无法确认主机 ssh-server.example.com（12.18.429.21）的真实性，不过知道它的公钥指纹，是否继续连接？

之所以用 fingerprint 代替 key，主要是 key 过于长（RSA算法生成的公钥有 1024 位），很难直接比较。所以，对公钥进行 hash 生成一个 128 位的指纹，这样就方便比较了。

如果输入 yes 后，会出现下面信息：

Warning: Permanently added 'ssh-server.example.com,12.18.429.21' (RSA) to the list of known hosts. 
Password: (enter password)

该 host 已被确认，并被追加到文件 known_hosts 中，然后就需要输入密码，之后的流程就正常进行。

2.2 基于公钥认证

在上面介绍的登录流程中可以发现，每次登录都需要输入密码，很麻烦。SSH 提供了另外一种可以免去输入密码过程的登录方式：公钥登录。流程如下：

公钥认证流程

  1. Client 将自己的公钥存放在 Server 上，追加在文件 authorized_keys 中。
  2. Server 端接收到 Client 的连接请求后，会在 authorized_keys 中匹配到 Client 的公钥 pubKey，并生成随机数 R，用 Client 的公钥对该随机数进行加密得到 pubKey(R)，然后将加密后信息发送给 Client。
  3. Client 端通过私钥进行解密得到随机数 R，然后对随机数 R 和本次会话的 SessionKey 利用 MD5 生成摘要 Digest1，发送给 Server 端。
  4. Server 端会也会对 R 和 SessionKey 利用同样摘要算法生成 Digest2。
  5. Server 端会最后比较 Digest1 和 Digest2 是否相同，完成认证过程。

在步骤 1 中，Client 将自己的公钥存放在 Server 上。需要用户手动将公钥 copy 到 server 上。这就是在配置 ssh 的时候进程进行的操作。下图是 GitHub 上 SSH keys 设置视图：

GitHub中SSH keys设置

Server 端根据什么信息在 authorized_keys 中进行查找的呢？主要是根据 Client 在认证的开始会发送一个 KeyID 给Server，这个 KeyID 是唯一对应 Client 的一个 PublicKey，Server 就是通过该 KeyID 在 authorized_keys 进行查找对应的 PublicKey。

三、密钥协商算法

通过 Diffie-Hellman 算法来实现，具体过程：

  1. 服务端和客户端共同选定一个大素数，叫做种子值；
  2. 服务端和客户端各自独立选择另外一个只有自己才知道的素数
  3. 双方使用相同的加密算法(AES)，由种子值和各自私有的素数生成一个密钥值，并将这个值发送给对方
  4. 在收到密钥后，服务端和客户端根据种子值和自己的私有素数，计算出一个最终的密钥
  5. 双方使用上一步得到的结果作为密钥来加密和解密通信内容

四、SSH 实践

  1. 生成密钥操作

    经过上面的原理分析，下面三行命令的含义应该很容易理解了：

    $ ssh-keygen -t rsa -P '' -f ~/.ssh/id_rsa
$ cat ~/.ssh/id_rsa.pub >> ~/.ssh/authorized_keys
    
$ chmod 0600 ~/.ssh/authorized_keys

    ssh-keygen 是用于生产密钥的工具。

    • -t：指定生成密钥类型（rsa、dsa、ecdsa 等）
    • -P：指定 passphrase，用于确保私钥的安全
    • -f：指定存放密钥的文件（公钥、私钥文件默认在同目录下，但存放公钥的文件名需要加上后缀 .pub）

    首先看下面 ~/.ssh 中的四个文件：

    SSH-涉及文件

    • id_rsa：保存私钥
    • id_rsa.pub：保存公钥
    • authorized_keys：保存已授权的客户端公钥
    • known_hosts：保存已认证的远程主机 ID

    四个角色的关系如下图所示：

    SSH 结构简图

    注意：一台主机可能既是 Client，也是 Server。所以会同时拥有 authorized_keys 和 known_hosts。

  2. 登录操作

    # 以用户名 user，登录远程主机 host
$ ssh user@host
    
# 本地用户和远程用户相同，则用户名可省去
    
$ ssh host
    
# SSH 默认端口 22，可以用参数 p 修改端口
    
$ ssh -p 2017 user@host

五、known_hosts机制

  1. known_hosts 中存储的内容是什么？

    known_hosts 中存储是已认证的远程主机 host key，每个 SSH Server 都有一个 secret, unique ID, called a host key。

  2. host key 何时加入 known_hosts 的？

    当我们第一次通过 SSH 登录远程主机的时候，Client 端会有如下提示：

    Host key not found from the list of known hosts.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)?

    此时，如果我们选择 yes，那么该 host key 就会被加入到 Client 的 known_hosts 中，格式如下：

    # domain name+encryption algorithm+host key
example.hostname.com ssh-rsa AAAAB4NzaC1yc2EAAAABIwAAAQEA...

  3. 为什么需要 known_hosts？

    这个文件主要是通过 Client 和 Server 的双向认证，从而避免中间人攻击，每次 Client 向 Server 发起连接的时候，不仅仅 Server 要验证 Client 的合法性，Client 同样也需要验证 Server 的身份，SSH client 就是通过 known_hosts 中的 host key 来验证 Server 的身份的。

这种方案足够安全吗？当然不，比如第一次连接一个未知 Server 的时候，known_hosts 还没有该 Server 的 host key，这不也可能遭到中间人攻击吗？这可能只是安全性和可操作性之间的折中吧。

六、问题

如果 client 生成多个密钥对，把对应的公钥全部传到 server 端，这时候 server 端如何决定用哪个公钥对随机数进行加密？

多密钥场景下，需要在 ~/.ssh/config 下进行配置，显示指定主机和 key 的对应关系，格式如下：

Host server01
HostName example1.com
Port 1000
IdentityFile ~/.ssh/id_rsa_xxx
User user01

Host server02
HostName example2.com
Port 1000
IdentityFile ~/.ssh/id_rsa_zzz
User user02

七、内容来源

TopGun_Viper - 图解SSH原理
SSH
Linux ssh命令详解

posted @ 2020-03-15 15:40  和风细羽  阅读(695)  评论(0)  编辑  收藏  举报