SSH原理

SSH对于大多数同学都不陌生，目前主流的云服务提供上也是通过SSH来提供链接的安全保障，比如AWS通过使用下载的私钥（private key）实现与EC2实例安全连接、GitHub通过上传的公钥（public key）实现基于git协议（底层使用SSH）远程库管理。

很多童鞋希望了解这些方式的背后，SSH是如何工作的：

• SSH如何保证客户端与服务端通行的安全
• SSH采用什么加密协议
• SSH是通过对称加密还是非对称加密数据在传输过程的安全
• SSH如何保证数据完整性
• SSH的密码认证方式和密钥认证方式分别如何实现，有何差异
• ......

这里我们对SSH的流程进行简单说明，其中会描述在SSH流程中是如何通过加密等技术解决安全和数据一致性问题，希望对解答某些童鞋的疑问和更进一步了解SSH有所帮助。

对密码学基础知识和数字签名了解，可以参考阮一峰的博文

• 密码学笔记
• 数字签名是什么

SSH从安全和性能两方面综合考虑，结合使用了Public Key和Secret Key。

• Public Key：非对称加密，安全，但效率低，不适合大规模进行数据的加密和解密操作
• Secret Key：对称机密，高效，但安全性相对较低，Key的分发尤其不方便

特性

SSH（Secure Shell）是一个提供数据通信安全、远程登录、远程指令执行等功能的安全网络协议，由芬兰赫尔辛基大学研究员Tatu Ylönen，于1995年提出，其目的是用于替代非安全的Telnet、rsh、rexec等远程Shell协议。之后SSH发展了两个大版本SSH-1和SSH-2。

SSH的主要特性

• 加密：避免数据内容泄漏
• 通信的完整性：避免数据被篡改，以及发送或接受地址伪装
  （检查数据是否被篡改，数据是否来自发送者而非攻击者） SSH-2通过MD5和SHA-1实现该功能，SSH-1使用CRC-32
• 认证：识别数据发送者和接收者身份 客户端验证SSH服务端的身份：防止攻击者仿冒SSH服务端身份，避免中介人攻击和重定向请求的攻击；OpenSSH通过在know-hosts中存储主机名和host key对服务端身份进行认证 服务端验证请求者身份：提供安全性较弱的用户密码方式，和安全性更强的per-user public-key signatures；此外SSH还支持与第三方安全服务系统的集成，如Kerberos等
• 授权：用户访问控制
• Forwarding or tunneling to encrypt other TCP/IP-based sessions 可以通过SSH为Telnet、FTP等提供通信安全保障，支持三种类型的Forwarding操作：Port Forwarding；X Forwarding；Agent Forwarding

本文只涉及加密、通信完整性、认证三个方面内容。

几种不同的Key

首先，我们来了解一下SSH中几种不同的Key。

SSH结合使用了Public Key和Secret Key，Public Key用于在建立安全通道前在客户端和服务端之间传输Secret Key和进行身份认证；Secret Key则用来作为SSH会话的安全保证，对数据进行加密和解密。

名称	生命周期	创建	类型	描述
Host Key	持久化	服务端	Public Key	对服务端进行认证
User Key	持久化	用户	Public Key	对客户端（用户）进行认证
Server Key	默认为1小时	服务端	Public Key	用于对Session Key进行加密（仅SSH-1协议有，SSH-2对其进行了增强，这里Server Key作为一个概念便于在流程中进行描述）
Session Key	客户端	会话（Session）	Secret Key	用于对传输的数据进行加密

SSH处理过程

SSH处理过程可以分解成几个主要阶段：

• 协议协商阶段
• 服务端认证阶段
• 客户端认证阶段
• 数据传输阶段

每个阶段均涉及到客户端与服务端的多次交互，通过这些交互过程完成包括证书传输、算法协商、通道加密等过程。

协议协商阶段

1. 服务端打开服务端口（默认为22），等待客户端连接
2. 客户端发起TCP连接请求，服务端接收到该请求后，向客户端发送包括SSH协议版本信息
3. 客户端接根据该版本信息与自己的版本，决定将要使用的SSH版本，并向服务端发送选用的SSH版本信息
4. 服务端检查是否支持客户端的决定使用的SSH版本

至此，双方完成协议协商。如果该过程中，客户端或服务端发送SSH版本无法兼容，任何一方都可以断开连接。

服务端认证阶段

完成协议协商阶段后，客户端与服务端已经建立明文的通信通道，之后进入服务端认证阶段。

SSH协议中没有明确的服务端认证过程，而通过一系列的服务端与客户端的交互来确定服务端的身份，该过程还会完成Host Key、User Key、Session Key等在客户端与服务端之间的传输。

1. 建立连接后，服务端向客户端发送：
   • Host Key：用于认证服务端的身份
   • Server Key：用于帮助建立安全的数据传输通道
   • 8字节的随机数：客户端通过在下一次响应中包含该随机数，防止IP地址欺诈
   • 服务端支持的加密算法、压缩方式和认证方式

这个时候，客户端和服务端使用Host Key、Server Key和8字节的随机数生成一个128位的MD5值，作为此次会话的session id。

1. 客户端在接收到服务端Host Key后，会检查自己的knows host数据库中（一般为~/.ssh/know_hosts文件），是否已经包含当前服务端的Host Key，如果有则继续下一步；如果没有或包含当前服务端的其他Host Key则，有用户决定是否信任该服务端，或终止当前连接。
2. 客户端向服务端发送session Key

出于性能考虑，SSH采用对称加密（Secret Key），对实际通信内容进行加密，即Session Key。因此Session Key的安全尤为重要，一旦Session Key泄漏给攻击者，那所有的通信数据都可能被攻击者截获。
由于当前通道还是采用明文方式，客户端采用Host Key和Server Key对Session Key进行两次加密来加强安全性。

1. 服务端得到Session Key后，客户端和服务端就可以通过Session Key对数据进行加密解密操作，到此，双方完成安全（加密）通道的建立。 Host Key和Server Key都是Public Key（非对称加密），只有通过服务端的私钥（Private Key）才能对其解密，以得到Session Key。在正式使用安全通道前，客户端要求服务端发送使用Session Key加密的确认信息，以验证服务端的身份。 为避免Session Key的泄漏，SSH还采取了其他安全措施，Session Key仅保存在内存避免其泄漏；周期性更换Server Key，默认为1小时（SSH 2对Server Key安全进一步增强）。

客户端认证阶段

SSH提供多种客户端认证方式。

SSH-1：

• Password
• Public Key
• Kerberos
• Rhosts && RhostsRSA
• TIS

SSH-2：

• Password
• Public Key
• hostbased 在SSH-2中考虑Rhosts存在安全漏洞，废弃了这种方式。

这里之讨论我们经常使用的的Password和Public Key方式。

此时安全通道已经及建立，之后的所有内容都通过Session Key加密后进行传输。

Password

Password方式既客户端提供用户和密码，服务端对用户和密码进行匹配，完成认证。类Unix系统中，如OpenSSH的框架，一般通过系统的本地接口完成认证。

Password的优势是简单，无需任何而外的配置就可以使用。缺点密码不便于记忆，过于简单的密码容易被暴力破解。

Public Key

Public Key认证的基本原理是基于分对称加密方式，分别在服务端对一段数据通过公钥进行加密，如果客户端能够证明其可以使用私钥对这段数据进行解密，则可以说明客户端的身份。因为服务端需要使用客户端生成的密钥对的公钥对数据首先加密，所以需要先将公钥存储到服务端的密钥库（Auhtorized Key）。还记得Github中使用git协议push代码前需要先添加SSH KEY吗？

下面详细介绍一个通过Public Key进行客户端认证的过程。

1. 客户端发起一个Public Key的认证请求，并发送RSA Key的模数作为标识符。（如果想深入了解RSA Key详细 --> 维基百科）
2. 服务端检查是否存在请求帐号的公钥（Linux中存储在~/.ssh/authorized_keys文件中），以及其拥有的访问权限。如果没有则断开连接
3. 服务端使用对应的公钥对一个随机的256位的字符串进行加密，并发送给客户端
4. 客户端使用私钥对字符串进行解密，并将其结合session id生成一个MD5值发送给服务端。 结合session id的目的是为了避免攻击者采用重放攻击（replay attack）。
5. 服务端采用同样的方式生成MD5值与客户端返回的MD5值进行比较，完成对客户端的认证。

数据传输阶段

该阶段通过Session Key提供的对称加密（Secret Key）算法，保证需要传输的任何数据的安全。

推荐

简单对SSH原理进行的说明，其中很多内容来自O‘RELLY的《SSH: The Secure Shell - The Definitive Guide》，如果想更深入了解SSH，这是一本非常不错的书。