Internet 安全协议与标准第 6 课

Internet安全协议与标准第6课 唐礼勇博士 tly@infosec.pku.edu.cn

SSL协议及OpenSSL

Agenda • SSL协议基础 • OpenSSL简介 Internet安全协议及标准

SSL是什么? • SSL: • Secure Socket Layer (安全套接层) • 一种在两台机器间提供安全通道的协议,两项功能 • 保护传输数据 • 识别通信机器 • 安全通道是透明的 • 对传输的数据内容上不加变更,仅作了加密 • 透明性使得几乎所有基于TCP的协议稍加改动就可以在SSL上运行 Internet安全协议及标准

为什么叫这个名字? • 比较Berkeley sockets API Sockets API int socket(int, int, int); int connect(int, const struct sockaddr*, int); ssize_t write(int, const void*, size_t); ssize_t read(int, void*, size_t); OpenSSL SSL* SSL_new(SSL_CTX*); int SSL_connect(SSL*); int SSL_write(SSL*, char*, int); int SSL_read(SSL*, char*, int); Internet安全协议及标准

HTTP FTP SMTP SSL or TLS TCP IP SSL在协议栈中的位置 Internet安全协议及标准

SSL谱系树 SSLv1(1994) 未发布 SSLv2(1994) 第一版 PCT(1995) 只进行认证的模式;再握手;证书链 SSLv3(1995) 只进行认证的模式;DH,DSS; 关闭握手;再握手;证书链 STLP(1996) 共享密钥认证数据及一些性能上的优化 TLS(1997-1999) IETF;必须支持DH,DSS;新的MAC算法;新的密钥扩展 WTLS(1998) WAP论坛对无线协议的支持 Internet安全协议及标准

SSL协议的使用 • 用于Web的SSL • https://secure.example.com • 在SSL上构建一切 • ftps-data(989), ftps(990) • nntps (563) • pop3s(995) • telnets(992) Internet安全协议及标准

Hello Type 0, Seq 1, Data Type 0, Seq 2, Data Type 0, Seq 3, Data Type 1, Seq 4, Close Type 0, Seq 1, Data Type 1, Seq 2, Close Certificate,nonce Sign(Alice,Encrypt(Bob,MS)) SSL体系结构(1)还记得TSP吗? Bob Alice Internet安全协议及标准

SSL体系结构(2) Internet安全协议及标准

SSL基本概念 • 连接 • 会话 • 由握手协议创建 • 定义了一组可以被多个连接共用的密码安全参数 • 连接 vs 会话 • 在任意一对的双方之间，也许会有多个安全连接 • 理论上，双方可以存在多个同时会话，但在实践中并未用到这个特性 Internet安全协议及标准

会话状态参数 Internet安全协议及标准

连接状态参数 Internet安全协议及标准

master secret Client write MAC secret Client write secret Client write IV Server write MAC secret Server write secret Server write IV 各种密钥 pre_master_secret Internet安全协议及标准

SSL握手协议报文格式 Internet安全协议及标准

Client Server Internet安全协议及标准

Data Encryption: AES RC2-40 RC4-128 DES DES 40 3DES IDEA Fortezza Message Digest: MD5 SHA Key Exchange. RSA Fixed Diffie-Hellman Ephemeral Diffie-Hellman Anonymous Diffie-Hellman Fortezza Data Compression: PKZip WinZip gzip StuffIt Cipher Suite Alternatives Internet安全协议及标准

pre_master _secret 客户端随机数服务器随机数 KDF master _secret KDF 密钥分组客户端 MAC 服务器 MAC 客户端输出服务器输出客户端 IV 服务器 IV 密钥导出 Internet安全协议及标准

重用SSL会话 Internet安全协议及标准

SSL - ChangeCipherSpec及Alert • Change Cipher Spec Protocol • 指示在此之后的所有消息都将使用刚刚商定的密码进行加密 • 单个报文,报文值为1 • Alert Protocol • 允许一方向另一方报告异常情况 • close_nitify警示用来指示发送方已经发送了所有要在该连接上发送的数据 Internet安全协议及标准

ClientHello 应用数据 Finished ChangeCipherSpec Warning, close_notify ChangeCipherSpec ServerHelloDone ServerHello 应用数据 Certificate Finished ClientKeyExchange 一次真实的连接 Server Client Internet安全协议及标准

各种消息协同工作 应用数据 Alert 握手 change_ cipher_ spec 记录层 TCP Internet安全协议及标准

SSL记录协议如何操作(1) Internet安全协议及标准

SSL记录协议如何操作(2) Internet安全协议及标准

无损压缩 • 不会增加1024字节以上长度的内容 • 没有默认压缩算法 SSL记录协议如何操作(3) Internet安全协议及标准

SSL记录协议MAC计算 Internet安全协议及标准

SSL记录协议加密 Internet安全协议及标准

SSL记录协议封装 Internet安全协议及标准

SSL的安全(1) • SSL提供了什么 • SSL提供了通道级别的安全: 连接的两端知道所传输的数据是保密的,而且没有被篡改 • 几乎总是要对服务器进行认证 • 可选的客户端认证 • 针对异常情况的安全通知 • 错误警示 • 关闭连接 • 所有这些依赖于某些对系统的假定 • 假定已经正确产生了密钥数据并且 • 该密钥已被安全地保管 Internet安全协议及标准

SSL的安全(2) • 保护master_secret • 几乎协议的所有安全都依赖于master_secret的保密 • 在内存中保护秘密 • 保护服务器的私有密钥 • 最常被违反的规则，很难保证做到 • 要求安全地存储私有密钥 • 多数实现都对磁盘上的私有密钥进行加密，而且提供口令保护 • 其他实现在受保护的硬件中存储密钥 • 上述两种方案在启动服务器时都要求管理员的介入，从而使得在系统崩溃或电力故障恢复时无法实现无人看管的重新启动 • 使用良好的随机数生成器 Internet安全协议及标准

使用SSL进行设计(1)不同应用结合,SSL本身毫无用处使用SSL进行设计(1)不同应用结合,SSL本身毫无用处 • 了解要保证什么样的安全没有必要让SSL来提供所有的安全服务!! • 保密性 • 在大多数应用中保密性都是有用的 • 消息完整性 • 对是否使用本项功能应不存在疑问 • 消息完整性不是可有可无的 • 服务器认证 • 惟一不需要服务器认证的SSL模式为匿名DH模式 • 几乎所有的SSL应用都要求服务器证书 • 客户端认证 • 使用SSL往往将用户锁定在使用基于证书的服务器模式 • 许多应用协议均集成了自己的客户端认证机制 Internet安全协议及标准

使用SSL进行设计(2)客户端认证 • 用户名/口令 • SSL可以阻止线路嗅探 • 但不能防止反复猜测口令 • 用户名/口令的变种 • S/Key, SecureID • 在使用SSL的环境中没有什么优势 • 在既有非安全连接又有安全连接的环境中,还是有用的 • SSL客户端认证 • 可操作性方面比服务器认证困难,操作负担大 • 另一个附加问题是将证书映射为用户标识 • 经验法则 • 在大多数情况下,提供用户名/口令认证更容易一些 • 口令更易于与其他基础设施集成在一起,也易于被用户理解 Internet安全协议及标准

使用SSL进行设计(3)引用完整性 • 服务器身份 • 要确保SSL安全连接的安全就必须验证服务器的身份 • 不仅要对服务器的证书进行验证,还要验证这个服务器就是你期望与之交互的服务器 • 需要掌握所期望的关于服务器身份的信息,通常以服务器域名的形式出现 • 安全属性 • 出于安全的原因,客户端需要验证连接属性是否符合其安全期望 • 需要有指示要求使用SSL • 安全连接的实施一般应在客户端完成 Internet安全协议及标准

使用SSL进行设计(4)不适合的任务 • 不可抵赖性(Nonrepudiation) • 无法使用SSL来完成的一种常见任务就是提供数据的不可抵赖性 • SSL连接上传送的数据无法拿给任何别的人看,也不能让他人在SSL这外对内容进行验证 • 端到端安全 • 由于SSL握手是交互性的,因此不可能向无法同其建立网络连接的机器发送加密或鉴别数据 • SSL在任何涉及以先存储对象并保持其加密属性的不变，而后又加以恢复、验证的方式，来保护对象的任务时表现很差 • 邮件就是一个很典型的例子 Internet安全协议及标准

使用SSL进行设计(5)协议的选择 • 如何同时运行同一种应用协议的安全与非安全版本 • 两个要求 • 必须能够明确区分安全与非安全连接 • 没有安全意识的客户端与服务器必须能够正确地与有安全意识的客户端和服务器进行互操作 • 两种协议选择方案 • 独立端口 • http 80  https 443; pop3 110  pop3s 995 • stunnel是一个很好的SSL工具 • 磋商升级 • SMTP: STARTTLS Internet安全协议及标准

Agenda • SSL协议基础 • OpenSSL简介 Internet安全协议及标准

OpenSSL是什么? • 一套密码学工具箱，实现了SSLv2/v3、TLSv1以及与SSL/TLS相关的若干密码标准 • 不仅仅是SSL • 加密算法库 • Hash算法库 • 数字签名算法库 • X.509证书处理库 • CA工具库 • SSL处理库 • EVP算法封装库 • BIO抽象I/O封装库 • openssl工具包 Internet安全协议及标准

OpenSSL包括些什么? • 源代码 • 形如 openssl-0.9.7b.tar.gz • 编译后的版本 • C语言包含文件 • 如#include <openssl/ssl.h> • 两个动态共享库 • Win32下 • libeay32.dll • ssleay32.dll • Linux/Unix/FreeBSD下 • libcrypto.so • libssl.so • 可执行文件 • openssl[.exe] Internet安全协议及标准

OpenSSL命令行工具 • The openssl program is a command line tool for using the various cryptography functions of OpenSSL's crypto library from the shell. It can be used for • Creation of RSA, DH and DSA key parameters • Creation of X.509 certificates, CSRs and CRLs • Calculation of Message Digests • Encryption and Decryption with Ciphers • SSL/TLS Client and Server Tests • Handling of S/MIME signed or encrypted mail Internet安全协议及标准

OpenSSL标准命令(1) • Asn1parse - Parse an ASN.1 sequence. • Ca - Certificate Authority (CA) Management. • Ciphers - Cipher Suite Description Determination. • Crl - Certificate Revocation List (CRL) Management. • Crl2pkcs7 - CRL to PKCS#7 Conversion. • Dgst - Message Digest Calculation. • Dh - Diffie-Hellman Parameter Management. Obsoleted by dhparam. • Dsa - DSA Data Management. Internet安全协议及标准

OpenSSL标准命令(2) • Dsaparam - DSA Parameter Generation. • Enc - Encoding with Ciphers. • Errstr - Error Number to Error String Conversion. • Dhparam - Generation and Management of Diffie-Hellman Parameters. • Gendh - Generation of Diffie-Hellman Parameters. Obsoleted by dhparam. • Gendsa - Generation of DSA Parameters. • Genrsa - Generation of RSA Parameters. Internet安全协议及标准

OpenSSL标准命令(3) • Ocsp - Online Certificate Status Protocol utility. • Passwd - Generation of hashed passwords. • Pkcs7 - PKCS#7 Data Management. • Rand - Generate pseudo-random bytes. • Req - X.509 Certificate Signing Request (CSR) Management. • Rsa - RSA Data Management. • Rsautl - RSA utility for signing, verification, encryption, and decryption. Internet安全协议及标准

OpenSSL标准命令(4) • s_client - This implements a generic SSL/TLS client which can establish a transparent connection to a remote server speaking SSL/TLS. It's intended for testing purposes only and provides only rudimentary interface functionality but internally uses mostly all functionality of the OpenSSL ssl library. Internet安全协议及标准

OpenSSL标准命令(5) • s_server - This implements a generic SSL/TLS server which accepts connections from remote clients speaking SSL/TLS. It's intended for testing purposes only and provides only rudimentary interface functionality but internally uses mostly all functionality of the OpenSSL ssl library. It provides both an own command line oriented protocol for testing SSL functions and a simple HTTP response facility to emulate an SSL/TLS-aware webserver. Internet安全协议及标准

OpenSSL应用程序接口 • 底层函数 • 加密/解密 • 大整数运算、公开密钥算法 • 消息摘要 • 文件I/O、Sockets I/O、Memory I/O • ASN.1、PKCS • EVP • 密码算法封装 • BIO • I/O封装 • SSL • PEM Internet安全协议及标准

OpenSSL函数调用方法 • 直接调用相关函数 • 如可以直接调用MD5、DES等算法实现的底层函数 • 通过抽象接口 • 类似于面向对象的多态 • EVP • BIO Internet安全协议及标准

EVP系列 一系列封装了openssl加密库中所有加密算法的函数，通过这样的统一的封装，使得只需要在初始化参数的时候做很少的改变，就可以使用相同的代码但采用不同的加密算法进行数据的加密和解密。 • 公开密码算法 • EVP_Seal*...*，EVP_Open*...* • 数字签名算法 • EVP_Sign*...*，EVP_Verify*...* • 对称加密算法 • EVP_Encrypt*...* • 信息摘要算法 • EVP_Digest*...* • 信息编码算法 • EVP_Encode*...* Internet安全协议及标准

EVP加密算法结构 typedef struct evp_cipher_st { int nid; int block_size; int key_len; int iv_len; unsigned long flags; int (*init)(EVP_CIPHER_CTX *ctx, const unsigned char *key, const unsigned char *iv, int enc); int (*do_cipher)(EVP_CIPHER_CTX *ctx, unsigned char *out, const unsigned char *in, unsigned int inl); int (*cleanup)(EVP_CIPHER_CTX *); int ctx_size; int (*set_asn1_parameters)(EVP_CIPHER_CTX *, ASN1_TYPE *); int (*get_asn1_parameters)(EVP_CIPHER_CTX *, ASN1_TYPE *); int (*ctrl)(EVP_CIPHER_CTX *, int type, int arg, void *ptr); /* Miscellaneous operations */ void *app_data; } EVP_CIPHER; Internet安全协议及标准

BIO简明指南(1)BIO-抽象IO接口 • BIO • 在隐藏了不同类型I/O接口细节的一种应用程序接口，通过BIO可以和SSL、非加密的网络连接、文件、内存等进行透明的访问 • 两种不同类型的BIO • source/sink类型 • 数据源/数据矢 • filter类型 • 当数据流过filter类型BIO的过程中，可能进行格式转换改变内容，也可能不改变内容，而仅改变BIO的内部状态 • BIO可组织成链的形式 • 一个source/sink类型，多个filter类型 • 对比 • 网络协议层、STREAMS机制 • 通常过一指向BIO结构的指针访问BIO接口 Internet安全协议及标准

BIO简明指南(2)BIO的创建和释放 • BIO的创建 • BIO* BIO_new(BIO_METHOD *type); • int BIO_set(BIO* bio,BIO_METHOD *type); • 示例： • BIO* mem = BIO_new(BIO_s_mem()); • BIO的释放 • int BIO_free(BIO* bio); • void BIO_vfree(BIO* bio); • void BIO_free_all(BIO* bio); Internet安全协议及标准

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