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每天都在用 SSH,你知道 SSH 的原理吗?

作者:LeanCloud 工程师 毅然

在我刚刚学习开发和某大佬沟通时,大佬说了一句话:把你的 SSH Key 给我。我的内心是这样的:

想问什么是 SSH,又不敢问

打开 Google 之后大致明白了 SSH 是一种安全协议,于是先把 Key 梭出来干活,但之后的一段时间对 SSH 只停留在使用阶段上,只知道有 Public Key 和 Private Key 这个机制,具体它是如何保证安全的,却模模糊糊不清楚。

每当使用 SSH 的时候我都在想:SSH 到底是如何保证安全的呢?既然 Public Key 加密的内容只有 Private Key 能解密,那客户端发给服务端的消息怎么解密呢?最重要的是,万一被人问倒了岂不是作为工程师的面子都没了?

现在就让我们一起开心地聊一聊 SSH 到底是怎么运作的。先抛开大家经常讲的 Public/Private Key,我们从其他角度来看看 SSH。SSH 的连接分为两步:

  • 客户端和服务端建立连接

  • 用户身份鉴权

客户端和服务端建立连接

在这一大步中,又分为以下几小步:

  1. 客户端联系服务端,双方沟通自己支持的 SSH 协议的版本,约定使用某个共同支持的版本。

  2. 服务端将自己的 Host Key 、加密方法和其他一些参数发给客户端。

  3. 客户端通过 Host Key 验证服务端身份,双方用服务端发来的参数和 Diffie-Hellman 算法生成 Session Key。

  4. 加密通道建立完成。

在这几步中,出现了两个 Key:Host Key 和 SessionKey。

Host Key 分为 Public 和 Private 两种。服务端拥有 Public Key 和 Private Key,并将 Public Key 发送给客户端。客户端用 Public Host Key 验证这台服务器确实是自己要连接的服务器后,双方使用 Diffie-Hellman 算法生成一致的 SessionKey。

Host Key 由 SSH 自行生成,不需要用户做什么。如果客户端通过 Host Key 发现从来没有连接过这台服务器,会询问用户是否要继续连接,用户回答 yes 之后会在本地的 known_hosts 文件记录这台服务器,下次连接时客户端就不会再次询问。由于仅靠服务端下发 Host Key 的方法无法防范中间人攻击,后来又出现了 Public Key Certificates,由一个可靠的第三方机构给服务端签发证书,从而确保了安全性。

Session Key 用于之后通讯时对消息进行加密解密。这个 Session Key 的机制被称作对称加密(Symmetric Encryption),也就是两端使用的相同的 Key 来加密和解密信息。可以看出 SSH 信息的加密解密时并不是用大家自己生成的 Public/ Private Key,而是用双方都一致的 Session Key。

生成 Session Key 的步骤大致如下:

(图片来源:维基百科

  1. 客户端和服务端使用沟通时的信息,协商加密算法以及一个双方都知道的数字。

  2. 双方各自生成只有自己才知道的 private 密码,并使用上一步中的数字进行加密,再次生成密码。

  3. 双方交换再次加密后的密码。

  4. 双方在对方发来的密码基础上,加上第二步自己的 private 密码再次加密。本次加密之后得到的结果就是在双方处都相同的 Session Key。

从这个算法中,可以看出客户端和服务端没有直接传输自己在第二步生成的密码,而是通过加密互换再加密的方式来生成 Session Key,从而保障了 Session Key 无法被泄露。

用户身份鉴权

当客户端和服务端之间建立起加密链接后,进入到身份鉴权的步骤。在身份鉴权这一步除了使用 Key 登录外,还能使用密码登录,这里我们只讲 Key 方式的登录。

工作中我们在客户端生成的 Public/Private Key,就是指用来身份鉴权的 Authorized Key。客户端拥有 Private 和 Public Key,提前将 Public Key 放到服务端用于登录。登录时的具体步骤如下:

  1. 客户端用 Private Key 生成签名向服务器发起登录请求。

  2. 服务端验证签名,检查自己有没有和这个签名匹配的 Public Key,如果有,则进入下一步。

  3. 服务端生成一串随机字符串,用 Public Key 加密后发送给客户端。

  4. 客户端用相应的 Private Key 解密这串字符串,再使用 MD5 hash 和 Session Key 加密该字符串,将结果发送给服务端。

  5. 服务端使用同样的 MD5 hash 和 Session Key 计算这串字符的加密结果,并和客户端发来的结果做比对,如果结果一样,则允许客户端登录。

Public/Private Key 的加密方式被称作不对称加密(Asymmetry Encryption),就是说使用不同的 Key 来对信息进行加密解密。客户端使用 Private Key 可以解密服务端使用 Public Key 加密的信息,服务端使用 Public Key 无法解密客户端使用 Private Key 发来的加密信息。登录完成后,Authorized Key 的任务也就完成了。

SSH 完成连接,在接下来的通讯过程中,双方将持续使用 Session Key 进行通讯。

总结

SSH 分为两大步,第一步是客户端和服务端建立连接,最终生成双方都一致的 Session Key。第二步使用 Authorized Key 进行登录,登录过程使用 Public/Private Key 验证身份。连接建立完成后,在通讯过程中使用 Session Key 对信息进行加密解密。

参考资料

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