TLS是如何保障資料傳輸安全(中間人攻擊)

俞正東發表於2021-05-16
TLS

前言

前段時間和同事討論HTTPS的工作原理，當時對這塊知識原理掌握還是靠以前看了一些部落格介紹，深度不夠，正好我這位同事是密碼學專業畢業的，結合他密碼學角度對tls加解密這闡述，讓我對這塊原理有了更進一步的理解，正文開始...

今天我們討論2個話題

  • TLS是如何保障資料傳輸安全的
  • 中間人攻擊的原理和攻防

什麼是TLS

TLS（Transport Layer Security）是新的標準，舊的標準叫SSL(Secure Sockets Layer)。
不管新舊標準，他們的目的都是同一個，那就是保護資料的安全，那...究竟是怎樣算保護呢?

TLS是如何保障資料傳輸安全的

先來說一般的情況，沒有SSL的時候，客戶端和伺服器，之間有一個傳輸通道是用來傳輸各種資料，但！！！這個通道是透明的，也就是說，其他人可以清楚的看到客戶端和伺服器到底在祕密的交換什麼東西，而有了SSL之後，就是從原本的透明傳輸通道升級成了非透明的傳輸通道。這樣其他人就不容易的看到到底在傳輸什麼東西了

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這裡不就說http和https的概念了，簡單來說就是http有了ssl就升級為https。
http 就是走的透明的通道
https 就是非透明的通道

沒用https會經常被網路服務商植入廣告

沒準你也遇到過，訪問某個網站時會被植入廣告誘導點選。

這就是有因為http是明文傳輸的，長城寬頻是知道你訪問的網站伺服器下發的明文，自然就可以在明文中加點“東西”
達到他不可告人的目的！！

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長城寬頻還是比較收斂的，只會在第一次訪問植入廣告，後面再訪問就不會植入了。
反正這種行為是絕對鄙視的！！！

SSL是怎麼起作用的

既然明文傳輸是不行的，那麼把明文進行加密傳輸唄。

就是客戶端通過加密 傳輸到 服務端解密

反之

服務端加密 傳輸到 客戶端解密

在到資料加密傳輸這一步之前，得首先建立安全連線通道！

SSL需要用到非對稱加密的公私鑰達到認證並建立連線通道。

建立安全連線通道後，在利用對稱式加密對通道里所有的資料進行加解密。

聽起來有點繞，沒關係為了要了解整個概念，必須先了解下對稱式加密和非對稱式加密

對稱式加密

假如說有一個加密的演算法是【把字母往後移位k位，把位移後的結果以及k給對方】
所以當A想要和B說HI

A首先通過這個加密方法把HI這個詞，往後移2位，就變成了JK

當B收到位移數:2 以及JK。B就可以通過位移數2 往回推成HI

這裡的位移數：2 就是這個對稱式加密演算法的祕鑰

A和B都拿到同樣的祕鑰2，是一個對稱的概念！！

非對稱式加密

那就是A和B拿到的祕鑰是不同的。(上面的例子，A拿公鑰，B拿私鑰)

公鑰和私鑰一定是一組一對配對起來的。如果公鑰是O 私鑰是P 那麼絕對OP是一組。

B先把公鑰給A B手上有私鑰

  • 私鑰(是絕對不能外洩的) 公鑰是公開的

A 通過 B給的公鑰進行加密變成 xx ，B收到後用自己的私鑰把xx進行解密變成HI

如下圖：
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整個SSL的建立的步驟分為3個大專案 ，粉色標記的三個大塊

  • Authentication 使用非對稱加密進行對伺服器下發的證照認證
  • Key Exchange (這裡注意當採用Diffie—Hellman演算法會和RSA演算法的不同點)
  • Encrypted Data Transfer 利用第二步的對稱式加密，對資料傳輸進行加解密

想要更詳細瞭解圖中每一步請參閱
那些關於ssl-tls的二三事-九

注意：在公開網路中比如瀏覽器訪問的站點，站點伺服器不會要求客戶端傳送客戶端證照，所以上圖的4和5是灰色展示

下面說一下之前我誤解的點

1. RAS和DH

都知道SSL用到了非對稱加密，包括網上文章：
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網上文章這麼說對於理解是有幫助的，如果你只想瞭解大概沒問題，但是作為程式設計師我們需要更加深入理解。

上面文章說的其實是針對採用RSA演算法的。因為DH演算法中不需要，所以不會在KeyExchange這一環節中利用非對稱加密傳輸資料！

DH演算法說白話一點，就是在教你如何“安全的”告訴對方密碼而不用擔心密碼被竊聽。
以下是擷取自wiki的DH流程簡圖:

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上圖中，Alice和Bob通過DH演算法生成祕鑰K，
其中：

  • g、p是2個非私密資料；
  • a、b是私密資料；
  • A是根據：g、p、a算出來的非私密資料；B是根據：g、p、b算出來的非私密資料；
  • 把A從a傳到b，根據求K公式，b得到祕鑰k；a同理；

注：

  • p是一個大素數。p的位數決定了攻擊者破解的難度。
  • g則不需要很大，並且在一般的實踐中通常是2或者5。
2. RSA對稱加密演算法中的祕鑰(master secret)是不經過網路傳輸的
  • Pre-master secret （PMS）
  • Client’s random number
  • Server’s random number

PMS是通過網路傳輸的這裡面用到了非對稱加密！

3. 容易被忽略的重要點：客戶端驗證服務端證照也用到了非對稱加密

一般我們會給域名申請證照，最終的證照是最終用CA機構的Root根證照籤發的。

每一次簽發的證照，都是自己的私鑰做了簽名，並放在證照裡。

由於CA機構也會用Root根證照籤發一些中間證照，再由中間證照籤發的證照去簽名生成你要申請的證照.

如下圖：

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服務端下發也是下發一個證照鏈的結構，瀏覽器拿到後去一步步驗證。但光有證照鏈，客戶端是不能完成證照校驗的，必須有一張根證照才能迭代完成簽名認證，也就是說客戶端必須信任根證照才能構建信任基礎，那麼根證照在哪兒呢？

瀏覽器用的[可信任證照庫]，

  • 在 windows 平臺中，微軟有專門的根證照庫。
  • 在 Linux 平臺中，軟體和服務一般使用 NSS 根證照庫。
  • 在蘋果平臺中，也有專門的根證照庫。

在windows作業系統中 開啟cmd 輸入 certmgr 就可以開啟

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瀏覽器在收到server端發來的ssl證照資訊，拿到證照後驗證其數字簽名。具體就是，根據證照上寫的CA簽發機構，在瀏覽器內建的根證照裡找到對應的公鑰，用此公鑰解開數字簽名，得到摘要（digest,證照內容的hash值），據此驗證證照的合法性。

總之一句話，CA就是神一樣的存在，如果你信任神，你就應該信任這些CA。

中間人攻擊(MITM )

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中間人攻擊，就是中間卡了一個人幫你和伺服器進行資料交換。

這樣就代表傳輸的所有資料都被這個中間人看光光。

為什麼我都用SSL了。不應該都是資料加密了嘛，中間人是如何知道的？

用Fiddler來模擬下中間人攻擊，要完成中間人攻擊需要配置

  • Fiddler會在證照信任中心安裝一個它的證照
  • 然後瀏覽器通過Fddler暴露的埠來訪問目標站點

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首先看下正常的證照長啥樣的 如下圖：

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中了中間人攻擊的證照是長啥樣的 ，如下圖

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其實中間人的角色，就是充當了伺服器在和你建立SSL。

所以對瀏覽器來說，這個中間人就是真正的伺服器，只是瀏覽器不知情而已。

但是其實瀏覽器並不會那麼笨，因為如上面我們講了瀏覽器會去【可信任證照中心】去驗證。如果遇到不存在的證照，瀏覽器就會出現以下的提示

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客戶端本身就是壞人的情況下，才會在自己的【可信任證照中心】裝一個用於中間人攻擊的證照。

有什麼辦法可以防止中間人攻擊 -》 SSL Pinning

什麼是SSL Pinning

SSL Pinning 也叫 Certificate Pinning

而前面有提到一個概念，公鑰私鑰是一對一配對的。

所以同一組公私鑰出來的憑證，這個憑證裡面的公鑰絕對是不會變的。

而 SSL Pinning 就是要把 SSL 固定起來，這個固定就是利用公鑰的特性實現的。

假設有一個APP是專門訪問baidu.com的

baidu.com證照裡面的公鑰是O的話，而我app裡面的程式碼，已經有預先寫好O這個公鑰，

所以當我的app瀏覽 baidu.com的時候，取得證照裡面的公鑰O

拿這個公鑰O和程式碼寫的O對比是否一致。如果不一致就拒絕。

為啥是中間人攻擊的話，那麼這2個O肯定不一致！

驗證一下就知道了，下面這段指令碼可以從服務端下發的證照拿到公鑰

分別測試下 正常情況和中間人攻擊的情況

正常情況

#!/bin/bash
certs=`openssl s_client -connect $1:443 -servername $1 -showcerts </dev/null 2>/dev/null | sed -n '/Certificate chain/,/Server certificate/p'`
rest=$certs
while [[ "$rest" =~ '-----BEGIN CERTIFICATE-----' ]]
do
    cert="${rest%%-----END CERTIFICATE-----*}-----END CERTIFICATE-----"
    rest=${rest#*-----END CERTIFICATE-----}
    echo `echo "$cert" | grep 's:' | sed 's/.*s:\(.*\)/\1/'`
    echo "$cert" | openssl x509 -pubkey -noout | 
        openssl rsa -pubin -outform der 2>/dev/null | 
        openssl dgst -sha256 -binary | openssl enc -base64
done

百度的CA證照是一個證照鏈，如下圖，分別是


//頒發者是  GlobalSign Organization Validation CA
9ncsiOH9INfRO1dZosXOLZck/Z+/ikYsRl0e+iOUmiw=

//頒發者是 DigiCert Inc
BbkOPUFIMuqBj5SBjChDvpb1ZCdk3b9ZNDWOnKRB/bo=

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中間人攻擊情況

需要設定 -proxy 去模擬


#!/bin/bash
certs=`openssl s_client -proxy 127.0.0.1:8888 -connect $1:443 -servername $1 -showcerts </dev/null 2>/dev/null | sed -n '/Certificate chain/,/Server certificate/p'`
rest=$certs
while [[ "$rest" =~ '-----BEGIN CERTIFICATE-----' ]]
do
    cert="${rest%%-----END CERTIFICATE-----*}-----END CERTIFICATE-----"
    rest=${rest#*-----END CERTIFICATE-----}
    echo `echo "$cert" | grep 's:' | sed 's/.*s:\(.*\)/\1/'`
    echo "$cert" | openssl x509 -pubkey -noout | 
        openssl rsa -pubin -outform der 2>/dev/null | 
        openssl dgst -sha256 -binary | openssl enc -base64
done

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客戶端如何用程式碼去實現SSL Pinning


CertificatePinner certPinner = new CertificatePinner.Builder()
        .add("baidu.com",
              "sha256/9ncsiOH9INfRO1dZosXOLZck/Z+/ikYsRl0e+iOUmiw=")
        .build();

OkHttpClient okHttpClient = new OkHttpClient.Builder()
        .certificatePinner(certPinner)
        .build();

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