SSL

SSL (англ. Secure Sockets Layer — уровень защищённых сокетов) — криптографический протокол, который обеспечивает установление безопасного соединения между клиентом и сервером. SSL изначально разработан компанией Netscape Communications. Впоследствии на основании протокола SSL 3.0 был разработан и принят стандарт RFC, получивший имя TLS.

Протокол обеспечивает конфиденциальность обмена данными между клиентом и сервером, использующими TCP/IP, причем для шифрования используется асимметричный алгоритм с открытым ключом. При шифровании с открытым ключом используется два ключа, причем любой из них может использоваться для шифрования сообщения. Тем самым, если мы используем один ключ для шифрования, то соответственно для расшифровки нужно использовать другой ключ. В такой ситуации мы можем получать защищенные сообщения, публикуя открытый ключ, и храня в тайне секретный ключ.

Описание

Протокол SSL состоит из двух под-протоколов: протокол SSL записи и рукопожатия. Протокол SSL записи определяет формат, используемый для передачи данных. Протокол SSL включает рукопожатие с использованием протокола SSL записи для обмена сериями сообщений между сервером и клиентом, во время установления первого соединения. Для работы SSL требуется, чтобы на сервере имелся SSL-сертификат.

SSL предоставляет канал, имеющий 3 основные свойства:

• Аутентификация. Сервер всегда аутентифицируется, в то время как клиент аутентифицируется в зависимости от алгоритма.
• Надежность. Обмен сообщениями включает в себя проверку целостности.
• Частность канала. Шифрование используется после установления соединения и используется для всех последующих сообщений.

В протоколе SSL все данные передаются в виде записей, объектов, состоящих из заголовка и передаваемых данных. Передача начинается с заголовка. Заголовок содержит либо два, либо три байта кода длины. Причем, если старший бит в первом байте кода равен единице, то запись не имеет заполнителя и полная длина заголовка равна двум байтам, иначе запись содержит заполнитель и полная длина заголовка равна трем байтам. Код длины записи не включает в себя число байт заголовка. Длина записи 2х байтового заголовка:

RecLength=(byte[0] & 0x7F<<8) | byte[1];

Здесь byte[0] и byte[1] первый и второй полученные байты. Длина записи 3х байтового заголовка:

RecLength = (byte[0] & 0x3F<<8)|byte[1]; Escape = (byte[0] & 0x40)!=0; Padding = byte[2];

Здесь Padding определяет число байтов добавленных отправителем к исходному тексту, для того чтобы сделать длину записи кратной размеру блока шифра, при использовании блочного шифра.
Теперь отправитель «заполненной» записи добавляет заполнитель после имеющихся данных, и шифрует это все. Причем содержимое заполнителя никакой роли не играет. Из-за того что известен объем передаваемых данных, то заголовок может быть сформирован с учетом Padding.
В свою очередь получатель записи дешифрует все поле данных и получает полную исходную информацию. Затем производится вычисление значение RecLength по известному Padding, и заполнитель из поля данных удаляется. Данные записи SSL состоят из 3х компонент:

MAC_Data[Mac_Size] — (Message Authentication Code) — код аутентификации сообщения Padding_Data[Padding] — данные заполнителя Actual_Data[N] — реальные данные

Когда записи посылаются открытым текстом, очевидно, что никакие шифры не используются. Тогда длина Padding_Data и MAC_Data равны нулю. При использовании шифрования, Padding_Data зависит от размера блока шифра, а MAC_Data зависит от выбора шифра. Пример вычисления MAC_Data:

MacData = Hash(Secret, Actual_Data, Padding_Data, Sequence_Number);

Значение Secret зависит оттого, кто (клиент или сервер) посылает сообщение. Sequence_Number — счетчик, который инкрементируется как сервером, так и клиентом. Здесь Sequence_Number представляет собой 32х битовый код, передаваемый хэш-функции в виде 4х байт, причем первым передается старший байт. Для MD2, MD5 MAC_Size равен 16 байтам (128 битам). Для 2х байтового заголовка максимальная длина записи равна 32767 байтов, а для 3х байтного заголовка 16383 байтов.

История и развитие

Протокол SSL был изначально разработан компанией Netscape. Версия протокола 1.0 публично не выпускалась. Версия 2.0 была выпущена в феврале 1995 года, но «содержала много недостатков по безопасности, которые к конечном счете привели к созданию версии 3.0», которая была выпущена в 1996 году. Тем самым версия SSL 3.0 послужила основой для создания протокола TLS 1.0, стандарт протокола Internet Engineering Task Force (IETF) впервые был определен в RFC 2246 в январе 1999 года. Visa, Master Card, American Express и многие другие организации, работающие с интернет деньгами, имеют лицензию на использование протокола SSL, для коммерческих целей в сети Интернет.

SSL работает модульным способом. Тем самым SSL расширяемо в соответствии с проектом о поддержке передней и обратной совместимости и переговорам между соединениями в одноранговой сети.

Применение

Значительное использование протокола SSL привело к формированию протокола HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure), поддерживающего шифрование. Данные, которые передаются по протоколу HTTPS «упаковываются» в криптографический протокол SSL или TLS, тем самым обеспечивая защиту этих данных. Такой способ защиты широко используется в мире Веб для приложений, в которых важна безопасность соединения, например в платежных системах. В настоящее время HTTPS поддерживается наиболее популярными браузерами. В отличие от HTTP, для HTTPS по умолчанию используется TCP-порт 443.

Изначально виртуальные частные сети (VPN) на основе SSL разрабатывались как дополнительная и альтернативная технология удаленного доступа на основе IPsec VPN. Но в виду ряда факторов: достаточная надежность и недороговизна — сделали эту технологию привлекательной для организации VPN. Также SSL получил широкое применение в электронной почте.

Основные цели протокола в порядке приоритетности

1. Криптографическая безопасность: SSL устанавливает безопасное соединение между двумя сторонами.
2. Совместимость: Программисты, независимо друг от друга могут создавать приложения использующие SSL, которые впоследствии будут способны успешно обмениваться криптографическими параметрами без всякого знания кода чужих программ.
3. Расширяемость: SSL стремится обеспечить рабочее пространство, в котором новые открытые ключи и трудоемкие методы шифрования могут быть включены по мере необходимости.
4. Относительная эффективность: работа протокола на основе SSL требует больших скоростей от CPU, в частности для работы с открытыми ключами. По этой причине SSL протокол был включен в необязательную сессию схемы кеширования для уменьшения числа соединений, которые необходимо устанавливать с нуля. Кроме того, большое внимание уделяется тому, чтобы уменьшить сетевую активность.

Аутентификация и обмен ключами

SSL поддерживает три типа аутентификации: аутентификация обеих сторон (клиент — сервер), аутентификация сервера с неаутентифицированным клиентом и полная анонимность. Всякий раз, когда сервер аутентифицируется, канал безопасен против атаки человек посредине, но полностью анонимная сессия по своей сути уязвима к такой атаке. Анонимный сервер не может аутентифицировать клиента. Если сервер аутентифицирован, то его сообщение сертификации должно обеспечить верную сертификационную цепочку, ведущую к приемлемому центру сертификации. Проще говоря, аутентифицированный клиент должен предоставить допустимый сертификат серверу. Каждая сторона отвечает за проверку того, что сертификат другой стороны еще не истек и не был отменен. Главная цель процесса обмена ключами — это создание секрета клиента (pre_master_secret), известного только клиенту и серверу. Секрет (pre_master_secret) используется для создания общего секрета (master_secret). Общий секрет необходим для того чтобы создать сообщение для проверки сертификата, ключей шифрования, секрета MAC (message authentication code) и сообщения «finished». При посылке верного сообщения «finished», тем самым стороны докажут что они знают верный секрет (pre_master_secret).

Анонимный обмен ключами

Полностью анонимная сессия может быть установлена при использовании алгоритма RSA или Диффи-Хеллмана для создания ключей обмена. В случае использования RSA клиент шифрует секрет (pre_master_secret) с помощью открытого ключа несертифицированного сервера, который клиент узнает из сообщения обмена ключами от сервера. Результат посылается в сообщении обмена ключами от клиента. Поскольку перехватчик не знает закрытого ключа сервера, то ему будет невозможно расшифровать секрет (pre_master_secret). При использовании алгоритма Диффи-Хеллмана открытые параметры сервера содержатся в сообщении обмена ключами от сервера, и клиенту посылают в сообщении обмена ключами от клиента. Перехватчик, который не знает приватных значений, не сможет найти секрет (pre_master_secret).

Обмен ключами при использовании RSA и аутентификация

В этом случае обмен ключами и аутентификация сервера может быть скомбинирована. Открытый ключ также может содержаться в сертификате сервера или может быть использован временный ключ RSA, который посылается в сообщении обмена ключами от сервера. Когда используется временный ключ RSA, сообщения обмена подписываются server’s RSA или сертификат DSS. Сигнатура включает текущее значение сообщения Client_Hello.random, таким образом старые сигнатуры и старые временные ключи не могут повторяться. Сервер может использовать временный ключ RSA только однажды для создания сессии. После проверки сертификата сервера клиент шифрует секрет (pre_master_secret) при помощи открытого ключа сервера. После успешного декодирования секрета (pre_master_secret) создается сообщение «finished», тем самым сервер демонстрирует, что он знает частный ключ соответствующий сертификату сервера.

Когда RSA используется для обмена ключами, для аутентификации клиента используется сообщение проверки сертификата клиента. Клиент подписывается значением, вычисленным из master_secret и всех предшествующих сообщений протокола рукопожатия. Эти сообщения рукопожатия включают сертификат сервера, который ставит в соответствие сигнатуре сервера, сообщение Server_Hello.random, которому ставит в соответствие сигнатуру текущему сообщению рукопожатия.

Обмен ключами при использовании Diffie-Hellman и аутентификация

В этом случае сервер может также поддерживать содержащий конкретные параметры алгоритм Диффи-Хеллмана или может использовать сообщения обмена ключами от сервера для посылки набора временных параметров подписанных сертификатами DSS или RSA. Временные параметры хэшируются с сообщением hello.random перед подписанием, для того чтобы злоумышленник не смог совершить повтор старых параметров. В любом случае клиент может проверить сертификат или сигнатуру, для уверенности, что параметры принадлежат серверу.

Если клиент имеет сертификат, содержащий параметры алгоритма Diffie-Hellman, то сертификат также содержит информацию требуемую для того чтобы завершить обмен ключами. Заметим, что в этом случае клиент и сервер должны будут сгенерировать те же Diffie-Hellman результаты (pre_master_secret), каждый раз когда они устанавливают соединение. Для того чтобы предотвратить остановку секрета (pre_master_secret) в памяти компьютера на время дольше, чем необходимо, секрет должен быть переведен в общий секрет (master_secret) на столько быстро, на сколько это возможно. Параметры клиента должны быть совместимы с теми, которые поддерживает сервер для того, чтобы работал обмен ключами.

Протокол записи (Record Layer)

Протокол записи — это уровневый протокол. На каждом уровне сообщения включают поля для длины, описания и проверки. Протокол записи принимает сообщения, которые нужно передать, фрагментирует данные в управляемые блоки, разумно сжимает данные, применяя MAC (message authentication code), шифрует и передает результат. Полученные данные он дешифрует, проверяет, декомпрессия данных, сборка и доставление к более верхним уровням клиента.

Существует четыре протокола записи: протокол рукопожатия (handshake protocol), протокол тревоги (alert protocol), протокол изменения шифра (the change cipher spec protocol), протокол приложения (application data protocol). Если SSL реализация получает тип записи, который ей не известен, то эта запись просто игнорируется. Любой протокол созданный для использования совместно с SSL должен быть хорошо продуман, так как будет иметь дело с атаками на него. Заметим, что из-за типа и длины записи, протокол не защищен шифрованием. Внимание следует уделить тому, чтобы минимизировать трафик.

Протокол рукопожатия (handshake)

SSL клиент и сервер договариваются о установлении связи с помощью процедуры рукопожатия. Во время рукопожатия клиент и сервер договариваются о различных параметрах, которые будут использованы, чтобы обеспечить безопасность соединения.

• Рукопожатие начинается тогда, когда клиент подключается к SSL серверу. Запрос безопасного соединения представляет собой список поддерживаемых шифров и хэш-функций.

• Из этого списка сервер выбирает самый сильный шифр и хэш-функцию, которую он также поддерживает, и уведомляет клиентов о сделанном решении.

• Сервер отсылает это решение в виде цифрового сертификата. Сертификат, обычно, содержит имя сервера, доверенный Центр Сертификации, и открытый ключ шифрования сервера. Клиент может связаться с сервером, который выдал сертификат (доверенного центра сертификации, выше) и убедиться, что сертификат является подлинным прежде чем продолжить.

• Для того, чтобы сгенерировать ключи сеанса, используется безопасное соединение. Клиент шифрует случайное число с помощью открытого ключа (ОК) сервера и отправляет результат на сервер. Только сервер в состоянии расшифровать его (с его закрытым ключом (ЗК)), и только этот факт делает ключи скрытыми от третьей стороны, так как только сервер и клиент имели доступ к этим данным. Клиент знает открытый ключ и случайное число, а сервер знает закрытый ключ и (после расшифровки сообщения клиента) случайное число. Третья сторона, возможно, знает только открытый ключ, если закрытый ключ не был взломан.

• Из случайного числа, обе стороны создают ключевые данные для шифрования и расшифрования.

На этом мы завершаем рукопожатие, и начинается защищенное соединение, которое зашифровывается и расшифровывается с помощью ключевых данных. Если любое из перечисленных выше действий не удается, то рукопожатие SSL не удалось, и соединение не создается.

Протокол изменения шифра (The Change Cipher Spec Protocol)

Он существует для сигнализации перехода в режим шифрования. Протокол содержит единственное сообщение, которое зашифровано и сжато при текущем установленном соединении. Сообщение состоит только из одного бита со значением 1.

struct { enum { change_cipher_spec(1), (255) } type; } ChangeCipherSpec;

Сообщение изменения шифра посылается и клиентом и сервером для извещения принимающей стороны, что последующие записи будут защищены в соответствии с новым договоренным CipherSpec и ключами. Принятие этого сообщения заставляет получателя отдать приказ уровню записи незамедлительно копировать состояние отложенного чтения в состояние текущего чтения. Сразу после послания этого сообщения, тот кто послал должен отдать приказ уровню записи перевести режим отложенной записи в режим текущей записи. Сообщение изменения шифра посылается по время рукопожатия, после того как параметры защиты были переданы, но перед тем как будет послано сообщение ‘finished’.

Протокол тревоги (Alert Protocol)

Один из типов проверки, поддерживаемых в протоколе SSL записи, — это протокол тревоги. Сообщение тревоги передает трудности возникшие в сообщение и описание тревоги. Сообщение тревоги с критическим уровнем незамедлительно прерывает соединение. В этом случае другие соединения, соответствующие сессии могут быть продолжены, но идентификатор сессии должен быть признан недействительным. Как и другие сообщения, сообщение тревоги зашифровано и сжато, как только указано текущее состояние соединения.

Протокол приложения (Application Data Protocol)

Сообщение приложения данных работает на уровне записи. Он фрагментируется, сжимается и шифруется на основе текущего состояния соединения. Сообщения считаются прозрачными для уровня записи.

Ошибки в протоколе SSL

В протоколе SSL обработка ошибок очень проста. Когда ошибка обнаружена, тот кто ее обнаружил посылает об этом сообщение своему партнеру. Неустранимые ошибки требуют от сервера и клиента разрыва соединения. Протокол SSL определяет следующие ошибки:

1. Unsupported_Certificate_Type_Error: такая ошибка возникает, когда клиент-сервер получает тип сертификата, который не поддерживается. Ошибка устранима (только для аутентификации клиента).
2. No_Cipher_Error: ошибка возникает, когда сервер не может найти размер ключа или шифр, который поддерживается также и сервером. Ошибка неустранима.
3. Bad_Certificate_Error: такая ошибка возникает, когда сертификат считается принимающей стороной плохим. Это означает, что или некорректна подпись сертификата, или его значение некорректно. Ошибка устранима (только для аутентификации клиента).
4. No_Certificate_Error: если послано сообщение Request_Certificate, то эта ошибка может быть прислана по причине того, что клиент не имеет сертификата. Ошибка устранима.

Атаки

Опишем ряд атак, которые могут быть предприняты против протокола SSL. Однако, SSL устойчив к этим атакам.

Раскрытие шифров

Как известно, SSL зависит от различных криптографических параметров. Шифрование с открытым ключом RSA необходимо для пересылки ключей и аутентификации сервера/клиента. Однако в качестве шифра используются различные криптографические алгоритмы. Таким образом, если осуществить успешную атаку на эти алгоритмы, то SSL не может уже считаться безопасным. Атака на определенные коммуникационные сессии производится записью сессии, и потом, в течение долгого времени подбирается ключ сессии или ключ RSA. SSL же делает такую атаку невыгодной, так как тратится большое количество времени и денег.

Злоумышленник посередине

Такая атака предполагает участие трех сторон: сервера, клиента и злоумышленника, находящегося между ними. В данной ситуации злоумышленник может перехватывать все сообщения, которые следуют в обоих направлениях, и подменивать сообщения. Злоумышленник представляется сервером для клиента и клиентом для сервера. Но такая атака невозможна при использовании протокола SSL, из-за того, что сервер использует сертификаты. А злоумышленник не имеет сертификата сервера.

Замечание. Однако работа HTTPS-фильтра (который устанавливает туннель в обе стороны и отдаёт свой сертификат клиенту) в MSForefrontTGM, работающая по этой схеме, не является атакой, но средством защиты и контроля.

Атака отклика

Злоумышленник записывает коммуникационную сессию между сервером и клиентом. Позднее, он пытается установить соединение с сервером, воспроизводя записанные сообщения клиента. Но SSL отбивает эту атаку при помощи особого уникального идентификатора соединения (ИС). Конечно, теоретически третья сторона не в силах предсказать (ИС), потому что он основан на наборе случайных событий. Однако злоумышленник с большими ресурсами может записать большое количество сессий и попытаться подобрать «верную» сессию, основываясь на код nonce, который послал сервер в сообщение Server_Hello. Но коды nonce SSL имеют, по меньшей мере длину 128 бит, а значит, злоумышленнику необходимо записать $2^{127}$ кодов nonce, чтобы получить вероятность угадывания 50 %. Но $2^{127}$ достаточно большое число, чтобы сделать эти атаки бессмысленными.

Атака против протокола рукопожатия

Злоумышленник может попытаться повлиять на обмен рукопожатиями для того, чтобы стороны выбрали разные алгоритмы шифрования, а не те, что они выбирают обычно. Из-за того, что многие реализации поддерживают 40 битное экспортированное шифрование, а некоторые даже 0 шифрование или MAC алгоритм, эти атаки представляют большой интерес.

Для такой атаки злоумышленнику необходимо быстро подменить одно или более сообщений рукопожатия. Если это происходит, то клиент и сервер вычислят различные значения хэшей сообщения рукопожатия. В результате чего стороны не примут друг от друга сообщения Finished. Без секрета злоумышленник не может исправить сообщение Finished, вот почему атака будет обнаружена.

Алгоритмы, использующиеся в SSL

• Для обмена ключами и проверки их подлинности применяются: RSA, Diffie-Hellman, ECDH, SRP, PSK.
• Для аутентификации: RSA, DSA, ECDSA.
• Для симметричного шифрования: RC2, RC4, IDEA, DES, Triple DES или AES, Camellia.
• Для хеш-функций: SHA, MD5, MD4 и MD2.

См. также

• TLS
• JSSE
• OpenSSL
• SSH
• SSLeay

Ссылки

• Mozilla.org — введение в SSL протокол
• inSSL — ресурс про SSL
• Настройка SSL на хостинге