SSH的工作原理

SSH简介

传统的网络服务程序，比如FTP，POP，Telnet，本质上都是不安全的，因为它们在网络上用明文传送数据、用户账号和用户口令，很容易受到中间人攻击方式的攻击，攻击者会冒充真正的服务器接收用户传给服务器的数据，然后再冒充用户把数据传给真正的服务器。

为了满足安全性的需求，IETF的网络工作小组制定了Secure Shell（缩写为SSH），这是一项创建在应用层和传输层基础上的安全协议，为计算机上的Shell提供安全的传输和使用环境。

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漏问题。通过SSH可以对所有传输的数据进行加密，也能够防止DNS欺骗和IP欺骗。

本文将会重点讨论SSH中用到的加密算法和建立安全连接的过程。

使用到的技术

为了保证信息传输的安全性，SSH使用了对称加密、非对称加密和散列等技术。

对称加密

对称密钥加密又称为对称加密、私钥加密、共享密钥加密，是密码学中一类加密算法。这类算法在加密和解密时使用相同的密钥，或是使用两个可以简单地相互推算的密钥。

SSH使用对称密钥加密整个连接过程中传输的信息。值得注意的是，用户自己创建的public/private密钥对仅仅用于验证，不会用在加密连接上。对称加密允许对密码进行身份验证，以防止第三方窥探。

共享密钥通过密钥交换算法生成，它可以让双方在完全没有对方任何预先信息的条件下通过不安全信道创建起一个密钥。客户端和服务端都参与了这个过程，过程的细节将在后面阐述。

生成的密钥将用来加密这次会话过程中客户端和服务端传输的数据。这个过程会在验证客户身份之前完成。

SSH支持多种对称密钥算法，包括AES，Blowfish，3DES，CAST128和Arcfour。客户端和服务端可以配置采用算法的列表。客户端列表中第一个能被服务端支持的算法将被采用。

比如在Ubuntu 14.04上，客户端和服务端默认的配置如下：aes128-ctr,aes192-ctr,aes256-ctr,arcfour256,arcfour128,aes128-gcm@openssh.com,aes256-gcm@openssh.com,chacha20-poly1305@openssh.com,aes128-cbc,blowfish-cbc,cast128-cbc,aes192-cbc,aes256-cbc,arcfour。 也就是说，如果两台Ubuntu 14.04采用默认配置，它们总是会采用aes128-ctr算法来加密连接。

非对称加密

在非对称加密方法中，需要一对密钥，一个是私钥，一个是公钥。这两个密钥数学相关。用公钥加密后所得的信息，只能用私钥才能解密。如果知道了其中一个，并不能计算另外一个。因此，如果公开了一对密钥中的一个，并不会危害到另外一个的秘密性质。

SSH在一些地方使用了非对称加密。

在密钥交换过程中使用到了非对称加密。在这个阶段，客户端和服务端生成临时密钥对，并且交换公钥来生成共享密钥。

在身份验证的过程中也使用了非对称加密。SSH密钥对用来向服务端验证客户端身份。客户端创建一对密钥，然后将公钥上传到远程服务器上，写入文件~/.ssh/authorized_keys。

在创建共享密钥后，客户端必须向服务端证明身份。服务端会使用文件中的公钥加密一段信息，并将加密后的信息发送给客户端。如果客户端可以能够破解这段信息，那么就能够证明自己拥有相关的私钥。之后服务端会为客户端设置shell环境。

散列

散列是电脑科学中一种对资料的处理方法，它通过某种特定的算法将要检索的项与涌来检索的索引关联起来，生成一种便于搜索的数据结构（散列表）。它也常用做一种资讯安全的方法，由一串资料中经过散列算法计算出来的资料指纹，来识别档案和资料是否有被篡改。

SSH主要使用了散列消息认证码（Keyed-hash message authentication code，缩写为HMAC)，来确认消息没有被篡改。

上面提到的对称加密协商过程中，会使用消息认证码（MAC）算法。这个算法会从客户端支持的算法中选出。

在密钥协商完成后，所有的消息都必须携带MAC，用于通信双方验证消息的一致性。MAC值由共享密钥，消息的分组序列和实际消息内容计算得到。

在对称加密区域之外，MAC本身作为分组的最后部分被发送。研究者通常建议先机密数据，然后计算MAC

SSH工作流程

SSH协议采用客户端-服务端模型对两方进行身份验证，并对它们之间的数据进行加密。

服务端在指定端口监听连接请求。它负责协商安全连接，认证连接方，并为客户端生成正确的shell环境。

客户端负责协商安全连接，验证服务器的身份是否与以前记录的信息相匹配，并提供凭证进行身份验证。

SSH会话分为两个阶段。第一个是同意和建立加密来保护未来的沟通。第二个阶段是对用户进行身份验证，并发现是否应该授予对服务器的访问权限。

会话加密协商

当客户端发起请求后，服务端返回支持的协议版本。如果客户端可以匹配其中一个协议版本，则连接继续。服务端会提供它的公共主机密钥，客户端可以用这个密钥来验证服务端是否合法。

此时，通信双方采用迪菲-赫尔曼算法来协商会话密钥。

该算法的大致过程如下： 1. 双方协定共享一个大素数。 2. 双方协定一个加密算法。 3. 双方各自生成一个素数，并保密。这个素数将作为私钥。 4. 双方使用协定的算法，由各自的私钥和共享的素数计算得到公钥。 5. 双方交换生成的公钥。 6. 双方使用各自的私钥，另外一方的公钥和共享的素数，计算得到一个共享密钥。双方计算得到的共享密钥应该是一样的。 7. 使用共享密钥加密后面的会话。

用于其余连接的共享密钥加密被称为二进制数据包协议。上述过程允许双方平等地参与生成共享密钥。

生成的密钥是对称密钥，这意味着用于加密消息的密钥也可以用于解密。其目的是将后面的通信包装在不能被外部人员解密的加密隧道中。

在生成会话密钥后，就开始进行用户身份验证。

验证用户身份

根据服务器接受的方式，有几种不同的方法可用于身份验证。

最简单的方法是密码验证，其中服务器要求客户端输入尝试登陆账号的密码。密码是通过协商加密发送的。

虽然密码被加密，但由于密码的复杂性受到限制，因此通常不建议使用此方法。与其他身份验证的方法相比，自动脚本相对容易攻破正常长度的密码。

最为推荐的选择是使用SSH密钥对。SSH密钥对是非对称密钥。

公钥用于加密只能用私钥解密的数据。公钥可以自由共享，因为没有从公钥中导出私钥的方法。

验证流程如下： 1. 客户端首先向服务端发送密钥对的ID。 2. 服务端检查文件authorized_keys寻找该ID的公钥。 3. 如果找到，服务端生成一个随机数，并使用公钥加密这个数。 4. 服务端将加密后的信息发送给客户端。 5. 如果客户端拥有对应的私钥，那么就能使用私钥解密消息，得到服务端生成的随机数。 6. 客户端使用解密后的数和会话使用的共享密钥得到一个值，然后计算这个值的MD5散列值。 7. 客户端将这个MD5散列值发送回服务端。 8. 服务端用会话共享密钥和生成的随机值计算得到自己的MD5散列值。然后比较客户端传回的值和自身生成的值。如果匹配，则证明客户端拥有私钥，客户端验证通过。

可以看到，密钥的不对称性允许服务端使用公钥加密消息给客户端。然后，客户端可以通过正确解密消息来证明它拥有私钥。

后记

笔者本科专业是信息安全，不过毕业后并没有从事安全行业，工作4年课堂上学习的知识基本忘的差不多了。 而SSH算是工作中最常用到的东西之一，其工作原理涉及不少密码学的东西。 写这篇博文，一是希望能帮助读者了解SSH，二也是希望自己能捡起一些专业知识。在互联网／软件相关行业里，不论是否从事安全工作，了解这些东西都是很有必要的。