SSH登录认证简析

公钥与私钥

公钥 (Public Key) 与私钥 (Private Key) 是通过一种算法得到的一个密钥对 (即一个公钥和一个私钥), 公钥是密钥对中公开的部分, 私钥则是非公开的部分. 公钥通常用于加密会话密钥, 验证数字签名, 或加密可以用相应的私钥解密的数据. 通过这种算法得到的密钥对能保证在世界范围内是独一的. 使用这个密钥对的时候, 如果用其中一个密钥加密一段数据, 必须用另一个密钥解密. 比如用公钥加密数据就必须用私钥解密, 如果用私钥加密也必须用公钥解密, 否则解密将不会成功.

通过这篇文章也可以很好地理解公钥与私钥. 还可以理解, 公钥是你家的地址, 私钥是你家的钥匙, 地址是公开的, 大家都可以知道, 但钥匙最后一把, 只有你自己才能打开方子.

公钥和私钥到底哪个才是用来加密和哪个用来解密？

一般来说, 既然是加密, 那肯定是不希望别人知道我的消息, 所以只有我才能解密, 所以可得出公钥负责加密, 私钥负责解密; 同理, 既然是签名, 那肯定是不希望有人冒充我发消息, 只有我才能发布这个签名, 所以可得出私钥负责签名, 公钥负责验证.

RSA

RSA 加密算法是一种非对称加密算法, 在公开密钥加密和电子商业中被广泛使用. RSA是由罗纳德·李维斯特 (Ron Rivest), 阿迪·萨莫尔 (Adi Shamir) 和伦纳德·阿德曼 (Leonard Adleman) 在1977年一起提出的. 当时他们三人都在麻省理工学院工作. RSA 就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的.

对极大整数做因数分解的难度决定了 RSA 算法的可靠性, 换言之, 对一极大整数做因数分解愈困难, RSA 算法愈可靠. 假如有人找到一种快速因数分解的算法的话, 那么用 RSA 加密的信息的可靠性就会极度下降. 但找到这样的算法的可能性是非常小的. 今天只有短的 RSA 钥匙才可能被强力方式破解. 到当前为止, 世界上还没有任何可靠的攻击 RSA 算法的方式. 只要其钥匙的长度足够长, 用RSA加密的信息实际上是不能被破解的.

SSH 认证登录的过程和原理

包含四个阶段:

  1. 协议协商阶段
  2. 服务端认证
  3. 客户端验证
  4. 数据传输

协议协商阶段

服务端监听端口 22, 客户端通过 TCP 三次握手与服务器的 SSH 端口建立TCP连接.

服务器通过建立好的连接向客户端发送一个包含 SSH 版本信息的报文, 格式为SSH-<SSH协议大版本号>.<SSH协议小版本号>-<软件版本号> , 软件版本号主要用于调试.

客户端收到版本号信息后, 如果服务器使用的协议版本号低于自己的, 但是客户端能够兼容这个低版本的 SSH 协议, 则就使用这个版本进行通信. 否则, 客户端会使用自己的版本号.

客户端将自己决定使用的版本号发给服务器, 服务器判断客户端使用的版本号自己是否支持, 从而决定是否能够继续完成 SSH 连接, 可以则协商成功, 否则失败断开连接. 如果协商成功, 则进入密钥和算法协商阶段.

服务端认证

协商成功后，服务端明文发送:

  • Host Public Key. 或者简写为 Host Key, SSH 安装后 Host Private Key 在 /etc/ssh/ssh_host_rsa_key, Host Public Key 在 /etc/ssh/ssh_host_rsa_key.pub
  • Server Key. 是 SSH-1版本中使用的临时非对称密钥, 每隔一定时间 (默认一小时) 都会在服务端重新生成, 用于对会话密钥 Session Key 加密, SSH-2 对 Server Key 进行了加强.
  • 一个 8Bytes 的随机数检测字节, 防止IP地址欺诈.
  • 服务端支持的加密算法.
  • 压缩方式.
  • 认证方式.

客户端收到后, 查询该用户的 ~/.ssh/ 下的 known_hosts 是否存在对应服务端 IP 和机器名的 Host Key, 若不存在交由用户判断是否信任该服务端.

问题就在于如何对服务器的 Host key 进行认证？ 在 https 中可以通过 CA 来进行公证, 可是 SSH 的 host key 和 host private key 都是自己生成的, 没法公证. 只能通过客户端自己对 Host key 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)?

之所以用 fingerprint 代替 Host key，主要是 Host 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 key 已被确认, 并被追加到文件 known_hosts 中.

服务端的身份验证成功之后, 双方用服务端发来的参数和 Diffie-Hellman 算法生成 Session Key. Session Key 是会话密钥, 是随机生成的对称密钥, 用于之后通讯时对消息进行加密解密, 会话结束时被销毁. 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 Session 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：

  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.

双方根据协商的加密算法 (例如 MD5, 这里可能就是 MD5 ) 将 Host Key, Server Key 和检测字节生成一个 128 位 ( 16 字节) 的 MD5 值作为会话 ID (Session ID). 这里也有说服务器生成 Session ID 发给客户端的, 本质一样.

客户端验证

客户端验证有多种验证方式, 常用的包括密码验证和密钥验证. 服务端配置了密钥验证方式后 (默认是开启) 优先使用密钥方式登录.

密码验证

客户端使用 Session Key 对 用户名和密码加密, 发给服务端, 服务端使用 Session Key 解密后验证是否合法. 有说, 客户端使用上一步服务端发送的 Server Key/Host Key 对用户和密码加密, 然后发给服务端, 服务端使用私钥解密, 这个描述不太正确, 感觉更容易被攻击.

密钥验证

客户端需要事先将自己的公钥存放到服务端. 可用 ssh-keygen 生成, 在 /.ssh/id_rsa.pub 下.

然后通过以下命令, 将公钥追加到要登陆用户的家目录中的 /.ssh/authorized_keys 文件中, 这里 user 如果是 root, 则在 /root/,ssh/authorized_keys 下, 如果是普通用户, 则是 /home/user/.ssh/authorized_keys:

$ ssh-copy-id user@host

那么在之后的连接中, 客户端若生成了公钥和私钥, 则发送公钥认证 (Public Key) 请求, 发送用 Session Key 加密的包含公钥的模作为标识符 (KeyID) 的信息, 服务端接收到客户端的连接请求后, 用 Session Key 解密拿到公钥的Key ID 从 authorized_keys 文件中找到匹配的对应该客户端的公钥, 若找不到则失败, 客户端则可继续采取密码登陆. 若找到, 服务端生成一个 256 位 ( 32 字节) 随机数 R, 并用该公钥加密, 最后使用 Session Key 加密后发送给客户端.

客户端收到后先用 Session Key 和自己的私钥解密, 得到随机数R, 然后将随机数和 Session ID 结合 (防止攻击者重放攻击, replay attack) 生成一个 MD5 值同时用 Session Key 加密发给服务端. 服务端收到后, 也用同样的认证方式 (随机数 R 结合 Session ID) 生成 MD5 值, 然后用 Session Key 解密客户端发来的 MD5 值, 对比是否一致完成验证.

数据传输

验证成功后就是数据传输阶段, 该阶段使用 Session Key 进行加密传输.

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.

Git 与 SSH

git 基于多种传输协议, 其中最常用的就是 https 和 ssh. 都是为了数据传输安全, 那么设置 ssh 密钥的目的是为了节省输入用户名密码的过程, 同时保证传输安全. 并不是必须设置.

比如 github, 就可以通过将自己的公钥配置到 github 端, 这样传输的时候就不用每次都输入密码了.

使用 ssh-keygen 可以生成公钥和私钥, 具体可以参考这篇文章.

参考资料

  1. SSH 详解
  2. SSH认证登陆的过程与原理
  3. 每天都在用 SSH，你知道 SSH 的原理吗？
  4. SSH原理与运用（一）：远程登录