基于非对称加密的 HTTPS 与 SSH

立泉

介绍 HTTPS 和 SSH 之前需补充一些《密码学》里典型的对称加密与非对称加密概念，它们是加密通信实现的基石。

对称加密又称私钥加密、共享密钥加密，加密/解密使用同一个或同一组密钥，常见对称加密算法有 DES、3DES、AES、Blowfish、IDEA、RC5 和 RC6。

非对称加密又称公开密钥加密，有 2 个互相不可推算的密钥组成，一个密钥加密仅且只能用另一个密钥解密。一般公开一个密钥称为公钥，另一个不公开称为私钥。如果有人持有公钥加密的密文，则该密文只有私钥持有者才能解密，其它人即使得到公钥也无法在数以年计的合理时间内解密得到明文。常见非对称加密算法有 RSA、EIGamal、背包算法和 Rabin。

在性能方面，因为非对称加密比对称加密复杂得多，所以对算力和资源要求更高。

HTTPS

传统 HTTP 存在明显的安全性问题：

  • 不验证通信方的身份，可能遭遇伪装。
  • 使用明文通信，内容可能被窃听。
  • 无法验证报文的完整性，可能被篡改。

为建立安全可靠的通信，HTTPS (HTTP Secure) 应运而生，对 HTTP 的缺点全面改进，相应的特点是：

  • 使用证书验证通信双方的身份。
  • 对通信内容进行加密。
  • 保护传输内容的完整性。

SSL 和 TLS

SSL (Secure Socket Layer) 即安全套接层，TLS (Transport Layer Security) 即安全传输层，SSL 是 TLS 的前身，TLS 1.0 通常被标记为 SSL 3.1。它们位于 TCP/IP 之上、HTTPS 之下，HTTPS 即 HTTP over TLS 或 HTTP over SSL。相比 HTTP 通过 TCP/IP 建立通信，HTTPS 是与下层 SSL 交互，SSL 建立的安全通信线路是关键。

https

HTTP 和 HTTPS 本质向下发送的都是明文，只不过 HTTP 数据包直接被 TCP/IP 传输，HTTPS 则是将数据包发给 SSL 加密后再通过 TCP/IP 传输，其中基于证书的身份验证由 SSL 完成。

HTTPS 证书

HTTPS 使用非对称加密算法建立前期的安全通信通道，服务器持有私钥，建立连接时将公钥发给客户端，然后双方进行加密通信。

但是服务器公钥在传输过程中可能会因攻击被替换，如何证明收到的公钥就是预期的服务器公钥呢？这需要使用由数字证书认证机构（Certificate Authority 即 CA）颁发的数字证书，该机构必须具备权威性能被客户端和服务器双方认可。

服务器（网站）使用 HTTPS 须向 CA 提出认证申请，CA 通过线上或线下验证申请者身份合法、服务器可信会为之生成 Certificate 数字证书。证书是一个文件，包含申请者公钥、身份信息、签发机构信息、有效时间、序列号等明文，同时包含一个用于验证信息是否被篡改的数字签名。

签名生成方式：使用散列函数（如 SHA-256）计算该明文信息的 Message Digest 数字摘要，再用 CA 私钥对摘要加密，密文即签名。

建立 HTTPS 通信时服务器会把证书发送给客户端，客户端预装很多 CA 机构的根证书，包含每一个 CA 的公钥，通过公钥解密所接收证书里的数字签名并验证。如果一致则认为证书里的服务器公钥确实由 CA 认证且未被篡改，因为只有 CA 拥有私钥，其它人无法伪造能被客户端验证的签名（引申 MITM 中间人攻击）。

客户端持有公钥、服务器持有私钥可建立安全的加密通信，即使连接建立阶段存在中间人，一旦客户端拿到证书里的公钥，它向服务器发送的下一条信息就是用公钥加密后的密文，中间人没有私钥无法解密自然看不“懂”后续信息，这是 HTTPS 安全的原因。

https ca

加密通信双方都必须对数据包进行实时加密/解密，而非对称加密比对称加密复杂消耗的计算资源更多，所以 HTTPS 在使用非对称加密建立安全信道后会传输一组对称加密的密钥，以优化性能。

SSH

SSH 即 Secure Shell Protocol，是一个用于连接远程服务器的安全 Shell 协议，与 HTTPS 类似，它也是基于非对称加密算法建立安全连接。

ssh

用于加密的服务器公钥在向客户端传输的过程中可能被攻击者替换，因此客户端必须验证所接收公钥的可信度。HTTPS 使用 CA 证书解决，SSH 则采用一种更为简单粗暴的方式，直接把收到的公钥呈现给用户，由用户确认是否信任。

ssh [username]@[host]

The authenticity of host 'xx.xx.xx.xx (xx.xx.xx.xx)' can't be established.
ECDSA key fingerprint is SHA256:OwuJrk7molnBEbP5VzzXdMBz53pUVYRMijyhnuEDKhY.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)?

第一次使用 SSH 连接远程服务器会看到服务器公钥经 SHA256 计算后的fingerprint，之所以使用fingerprint是因为公钥一般很长，难以直接比较。

用户如果信任公钥，输入账号密码后其会被存储到记录信任白名单的本地known_hosts文件里，下次连接就从白名单查询而无需重复确认。

known_hosts在~/.ssh/目录下，不同操作系统的用户目录~不同，所以~/.ssh/目录的完整路径不尽相同。

# Linux
/home/[username]/.ssh/
# Windows
C://Users/[username]/.ssh/
# macOS
/Users/[username]/.ssh/

无密码登录

SSH 除支持普通的账号密码登录外也支持使用用户私钥无密码登录，或者说，经用户私钥加密的特定数据就是身份凭证。

.ssh/目录有4个文件：

文件名 说明
known_hosts 保存本机曾登录过的远程主机公钥
authorized_keys 保存要信任的能够远程登录本机的客户端公钥
id_rsa 本机的私钥
id_rsa.pub 本机的公钥

known_hosts已经解释过id_rsa和id_rsa.pub是本机生成的一组非对称加密的私钥和公钥。

authorized_keys是本机作为服务器时保存的远程客户端公钥合集，当客户端登录时：

  • 服务器使用公钥加密一个随机数R，得到密文pubKey(R)，发送给客户端。
  • 客户端使用私钥解密得到R，对R和本次对话的SessionKey进行 MD5 计算得到数据Digest1，发送给服务器。
  • 服务器同样对R和本次对话的SessionKey进行 MD5 计算得到数据Digest2，比较收到的Digest1和自己计算的Digest2是否相同判断是否允许客户端登录。

ssh key

实例

首先使用ssh-keygen生成客户端的私钥和公钥：

# 执行 ssh-keygen，按提示操作
ssh-keygen

Generating public/private rsa key pair.
Enter file in which to save the key (/Users/apqx/.ssh/id_rsa): 
Enter passphrase (empty for no passphrase): 
Enter same passphrase again: 
Your identification has been saved in /Users/apqx/.ssh/id_rsa.
Your public key has been saved in /Users/apqx/.ssh/id_rsa.pub.
The key fingerprint is:
SHA256:DFAUk2pnKMFCC917zj*********2XzP9PfAJc apqx@Guodongs-MBP
The key's randomart image is:
+---[RSA 2048]----+
|.*********  ..o.o|
| .o.+ .o.o+  .E.o|
|  .. ******o   .*|
|    o * =.  . =.o|
|     **********+*|
|      o ******* o|
|         .     = |
|              .  |
|                 |
+----[SHA256]-----+

用户.ssh/目录下会出现私钥id_rsa和公钥id_rsa.pub文件，我有一台 VPS 服务器，先使用账号密码登录：

# 按提示输入密码
ssh [username]@[host]

登录后将本机id_rsa.pub文件内容(即公钥)复制到 VPS 的.ssh/authorized_keys文件里：

vim ~/.ssh/authorized_keys

退出登录：

exit

再次登录该 VPS：

ssh [username]@[host]

会发现不要求输入密码，服务器已经成功添加客户端公钥，这个公钥被称为 SSH Key。

以上过程可使用ssh-copy-id工具一键实现：

# 自动把 ~/.ssh/id_rsa.pub 文件中的公钥导入指定服务器
ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_rsa [host]

此外，在 GitHub 的 Personal settings -> SSH and GPG keys 中添加自己的 SSH Key 可以无密码远程控制 git 仓库。

github ssh

不过仓库必须是登录 GitHub 后通过 SSH URL 克隆下来的，使用 HTTPS URL 克隆的仓库依然需要输入账号密码。

github ssh

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