SSL/TLS

Протоколы SSL и TLS

SSL (Secure Sockets Layer) и TLS (Transport Level Security) — криптографические протоколы, обеспечивающие защищенную передачу данных в компьютерной сети. Они широко используются в веб-браузерах, а также при работе с электронной почтой, обмене мгновенными сообщениями и в IP-телефонии.

Соединение, защищенное протоколом TLS, обладает одним или несколькими следующими свойствами:

• Безопасность: симметричное шифрование защищает передаваемую информацию от прочтения посторонними лицами.
• Аутентификация: "личность" участника соединения можно проверить с помощью асимметричного шифрования.
• Целостность: каждое сообщение содержит код (Message Authentication Code, MAC), с помощью которого можно проверить, что данные не были изменены или потеряны в процессе передачи.

Так как большинство протоколов связи могут быть использованы как с TLS/SSL, так и без него, при установке соединения необходимо явно указать серверу, хочет ли клиент устанавливать TLS. Один способ добиться этого — использовать порт, по которому соединение всегда устанавливается с использованием TLS (например, 443 для HTTPS). Другой способ — использовать специальную команду серверу от клиента переключить соединение на TLS (например, STARTTLS для протоколов электронной почты).

История SSL

SSL изначально разработан компанией Netscape для добавления протокола - HTTPS в свой веб-браузер Netscape Navigator, потому что компания считала, что безопасное соединение между клиентом и сервером в первую очередь послужит успехом развитию Интернета как инструмента бизнеса.

Из-за невозможности гарантировать безопасность сети, через которую передается информация наилучшим способом защитить ее было выбрано шифрование и дешифрование на концах устанавливаемого соединения соответственно. Netscape могли бы встроить этот подход напрямую в свой браузер, но это бы не предоставило единого решения, которое другие приложения могли бы использовать. Требовалось получить более общный, независимый от приложения подход.

В итоге, Netscape разработал протокол SSL работающий поверх TCP, а также предоставляющий TCP-подобный интерфейс для приложений более высокого уровня. В теории, одним из преимуществ SSL для разработчиков являлась возможность заменить все традиционные TCP вызовы на новые SSL вызовы. Специфические детали того, как SSL шифрует и дешифрует данные были относительно прозрачны.

Устройство протокола SSL

Протокол SSL размещается между двумя протоколами: протоколом, который использует программа-клиент (HTTP, FTP, LDAP, TELNET и т.д.) и транспортным протоколом TCP/IP. SSL защищает данные, выступая в роли фильтра для обеих сторон и передает их далее на транспортный уровень.

Работу протокола можно разделить на два уровня:

• Слой протокола подтверждения подключения (Handshake Protocol Layer)
• Слой протокола записи

Первый слой, в свою очередь, состоит из трех подпротоколов:

• Протокол подтверждения подключения (Handshake Protocol)
• Протокол изменения параметров шифра (Cipher Spec Protocol)
• Предупредительный протокол (Alert Protocol)

Протокол подтверждения подключения производит цепочку обмена данными, что в свою очередь начинает аутентификацию сторон и согласовывает шифрование, хэширование и сжатие. Следующий этап — аутентификация участников, которая осуществляется также протоколом подтверждения подключения.

Протокол изменения параметров шифра используется для изменения данных ключа (keying material) — информации, которая используется для создания ключей шифрования. Протокол состоит всего из одного сообщения, в котором сервер говорит, что отправитель хочет изменить набор ключей.

Предупредительный протокол содержит сообщение, которое показывает сторонам изменение статуса или сообщает о возможной ошибке. Обычно предупреждение отсылается тогда, когда подключение закрыто и получено неправильное сообщение, сообщение невозможно расшифровать или пользователь отменяет операцию.

Протокол записи

Протокол записи (Record Layer) — 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 передаёт результат. Полученные данные он расшифровывает, проверяет, распаковывает, собирает и доставляет 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);

Принцип работы SSL

Принцип работы SSL состоит из двух фаз: фаза рукопожатия и фаза передачи данных. Во время фазы рукопожатия клиент и сервер используют шифрование открытым ключом для того, чтобы определить параметры секретного ключа, используемого клиентом и сервером для шифрования во время фазы передачи данных.

Клиент инициирует рукопожатие посылая “hello”-сообщение серверу. Такое сообщение содержит список алгоритмов симметричного шифрования (cipher specs), поддерживаемых клиентом. Сервер отвечает похожим “hello”-сообщением, выбрав при этом наиболее подходящий алгоритм шифрования из полученного списка. Далее сервер отправляет сертификат, который содержит его публичный ключ.

Сертификат - это набор данных, который подтверждает подлинность. Подтвержденная третья сторона, известная как центр сертификации (CA), генерирует сертификат и проверяет его подлинность. Чтобы получить сертификат сервер должен использовать безопасные каналы для отправки своего публичного ключа в центр сертификации. Он генерирует сертификат, который содержит его собственный ID, ID сервера, публичный ключ сервера и другую информацию. А также центр сертификации создает отпечаток (digest) сертификата, который, по сути, является контрольной суммой. Далее центр сертификации создает подпись сертификата (certificate signature), которая формируется путем шифрования отпечатка сертификата приватным ключом центра сертификации.

Для проверки сертификата сервера клиент использует публичный ключ центра сертификации для расшифровки подписи. Затем клиент самостоятельно считает отпечаток сертификата сервера и сверяет с расшифрованным. Если они не совпадают, то сертификат был подделан. Естественно, для расшифровки подписи у клиента должен быть публичный ключ центра авторизации. Поэтому клиент хранит у себя список публичных ключей подтвержденных центров сертификации. По факту, многие браузерные приложения имеют подобный список, находящийся непосредственно в их коде. Когда клиент установил подлинность сервера (сервер также может запросить сертификат у клиента), сервер использует шифрование открытым ключом для определения секретного ключа для обмена информацией.

Фаза рукопожатия завершается отправкой “finished”-сообщений, как только обе стороны готовы начать использование секретного ключа. Начинается фаза передачи данных, в ходе которой каждая сторона разбивает исходящие сообщения на фрагменты и прикрепляет к ним коды авторизации сообщений MAC (message authentication code). Код авторизации сообщения это зашифрованный отпечаток, вычисленный на основе содержимого сообщений. Из соображений безопасности, он не совпадает с секретным ключом и вычисляется вместе с секретным ключом на стадии рукопожатия. Для получения полноценного SSL пакета каждая из сторон объединяет данные фрагмента, код авторизации сообщения, заголовки сообщения и шифруют с использованием секретного. При получении пакета, каждая из сторон расшифровывает его и сверяет полученный код авторизации сообщения со своим. Если они не совпадают, то пакет был подделан.

Цифровые сертификаты

Протокол SSL использует сертификаты для проверки соединения. Сертификаты расположены на безопасном сервере и используются для шифрования данных и идентификации Web-сайта.

Способы получения SSL-сертификата:

• Использовать сертификат, выданный центром сертификации (Certification authority)
• Использовать самоподписанный сертификат
• Использовать «пустой» сертификат

Самоподписанный сертификат — сертификат, созданный самим пользователем — в этом случае издатель сертификата совпадает с владельцем сертификата. «Пустой» сертификат — сертификат, содержащий фиктивную информацию, используемую в качестве временной для настройки SSL и проверки его функциональности в данной среде.

Хэширование

Хеш-значение является идентификатором сообщения, его размер меньше размера оригинального сообщения. Самыми известными хеш-алгоритмами являются MD5 (Message Digest 5), который создает 128-битное хеш-значение, SHA-1 (Standard Hash Algorithm), создающий 160-битное хеш-значение, SHA-2 и SHA-3. Результат работы алгоритма хеширования — значение, которое используется для проверки целостности передачи данных.

Шифрование

Существует два основных способа шифрования данных: симметричный ключ (общий секретный ключ) и асимметричный ключ (открытый ключ).

Открытый ключ

Суть асимметричного шифрования заключается в том, что используется пара ключей. Один из них используется в качестве открытого (как правило, он публикуется в самом сертификате владельца), второй ключ называется секретным — он держится в тайне и никогда никому не открывается. Оба ключа работают в паре: один используется для запуска противоположных функций другого ключа. Если открытый ключ используется для того, чтобы зашифровать данные, то расшифровать их можно только секретным ключом и наоборот. Такая взаимосвязь позволяет делать две важные вещи.

Любой пользователь может получить открытый ключ по назначению и использовать его для шифрования данных, расшифровать которые может только пользователь, владеющий секретным ключом. (RSA)

Если заголовок шифрует данные, используя свой секретный ключ, каждый может расшифровать данные, используя соответствующий открытый ключ. Именно это является основой для цифровых подписей. (DSA)

RSA — самый распространенный алгоритм шифрования с использованием асимметричных ключей.

Секретный ключ

При шифровании секретным ключом используется один и тот же ключ для шифрованных данных. Если стороны хотят обменяться зашифрованными сообщениями в безопасном режиме, то у обеих сторон должны быть одинаковые симметричные ключи. Такой тип шифрования используется для большого объёма данных. Обычно используются алгоритмы DES, 3-DES, RC2, RC4 и AES.

Комбинированный подход

Алгоритмы симметричного шифрования часто включают установленное число добавок и сдвигов. Такие алгоритмы часто используют ключ для помощи при битовых манипуляциях или для того, чтобы шифруемые данные стали более случайными. Другими словами, при увеличении размера секретного ключа может увеличиться случайность шифруемых данных, но не обязательно возрастет сложность вычислений при расшифровке. Однако, шифрование открытым ключом использует ключ как экспоненту, поэтому значительное увеличения ключа сильно увеличивает количество вычислений, требуемых для шифрования / дешифрования данных.

Таким образом хотя алгоритмы шифрования открытым ключом не сталкиваются с проблемой распределения, с которой сталкиваются алгоритмы шифрования секретным ключом, они требует значительно больше вычислительной мощности. Для использования сильных сторон обоих типов алгоритмов протоколы безопасности обычно используют шифрование открытым ключом для передачи секретных ключей. Как только секретный ключ доставлен начинается передача данных с использованием симметричного шифрования.

Существует еще один подход, использующий открытый ключ как соглашение, а не как способ доставки секретного ключа другим. Обе стороны обмениваются публичными ключами и независимо генерируют секретный ключ. Самой распространенной формой такого соглашения является протокол Диффи-Хеллмана. Хотя SSL поддерживает протокол Диффи-Хеллмана, большинство SSL транзакций не используют его. Вместо него используется алгоритм RSA, который решает проблему распределения секретных ключей.

Аутентификация и обмен ключами

SSL поддерживает 3 типа аутентификации:

• аутентификация обеих сторон (клиент — сервер),
• аутентификация сервера с неаутентифицированным клиентом,
• полная анонимность.

Обычно для аутентификации используются алгоритмы: RSA, DSA, ECDSA.

Если сервер аутентифицирован, то его сообщение о сертификации должно обеспечить верную сертификационную цепочку, ведущую к приемлемому центру сертификации. Проще говоря, аутентифицированный сервер должен предоставить допустимый сертификат клиенту. Каждая сторона отвечает за проверку того, что сертификат другой стороны ещё не истек и не был отменен. Всякий раз, когда сервер аутентифицируется, канал устойчив (безопасен) к попытке перехвата данных между веб-сервером и браузером, но полностью анонимная сессия по своей сути уязвима к такой атаке. Анонимный сервер не может аутентифицировать клиента.

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». Отсылая сообщение «finished», стороны указывают, 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. Открытый ключ 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. Перехватчик, который не знает приватных значений, не сможет найти секрет (pre_master_secret).

Аутентификация и обмен ключами при использовании RSA

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 содержит 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 содержат сертификат сервера, который ставит в соответствие сигнатуре сервера сообщение Server_Hello.random, которому ставит в соответствие сигнатуру текущему сообщению рукопожатия.

Аутентификация и обмен ключами при использовании протокола Диффи-Хеллмана

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, требующуюся для того, чтобы завершить обмен ключами. В этом случае клиент и сервер должны будут сгенерировать одинаковые Diffie-Hellman результаты (pre_master_secret) каждый раз, когда они устанавливают соединение. Для того, чтобы предотвратить хранение секрета (pre_master_secret) в памяти компьютера на время дольше, чем необходимо, секрет должен быть переведен в общий секрет (master_secret) настолько быстро, насколько это возможно. Параметры клиента должны быть совместимы с теми, которые поддерживает сервер для того, чтобы работал обмен ключами.

Восстановление сессии

Создатели SSL знали, что алгоритмы шифрования открытым ключом вычислительно сложные, и клиент, создающий несколько новых соединений к одному и тому же серверу в течение короткого промежутка времени может сильно нагрузить сервер, что приведет к заметным временным задержкам ответа. Однако, если клиент и сервер уже установили соединение, то ему будет соответствовать уникальный идентификатор сессии, позволяющий ссылаться на него и использовать такой же секретный ключ при последующих соединениях в рамках некоторого временного отрезка. Безусловно, такой подход привносит определенный риск в безопасность соединения. Поэтому, если необходимо, клиент может пересоздать новые идентификатор и секретный ключ для данной сессии. Microsoft’s Internet Explorer, например, проделывают эту операцию каждые 2 минуты.

Администрирование

Обслуживание сертификатов и ключей

Если клиент планирует обратиться к серверу, который требует клиентской аутентификации, он должен хранить свой сертификат и связанный с ним приватный ключ. Сервер должен всегда хранить свой сертификат и связанный с ним приватный ключ.

Хранилище идентификаторов сессий

Клиент и сервер обязаны хранить идентификаторы сессий и связанные с ними секретные ключи для использования во время восстановления соединения.

SSL 1.0, 2.0, 3.0 и TLS

Версия 1.0 никогда не была обнародована. Версии 2.0 была выпущена в феврале 1995 года, но содержала много недостатков по безопасности, которые привели к разработке SSL 3.0 версии.

Как только различные компании (Microsoft) начали предпринимать попытки разработки собственных безопасных протоколов транспортировки, IETF решило вмешаться и определить стандарт протокола шифрования. Впоследствии, при поддержке множества компаний, на основании протокола SSL 3.0 был разработан и принят стандарт RFC, получивший имя TLS 1.0. Его также часто называют SSL 3.1.

Хотя TLS и SSL имеют существенные различия в реализации, разработчики обычно замечают лишь немногие из них, а конечные пользователи вовсе их не различают. Тем не менее TLS 1.0 и SSL 3.0 несовместимы. Значительное различие состоит в том, что TLS требует определенные алгоритмы шифрования, которые SSL не поддерживает. Таким образом TLS сервер должен “откатиться” (downgrade) до SSL 3.0 для работы с клиентами, использующими SSL 3.0.

Принцип работы TLS

Протокол TLS делится на два слоя: TLS Record и TLS Handshake.

Подтверждение связи (handshake)

1. Клиент посылает сообщение ClientHello, указывающее версию SSL или TLS и поддерживаемые клиентом методы шифрования (англ. CipherSuite). Это сообщение также содержит случайное число (набор байт), которое используется в последующих вычислениях. Протокол также позволяет указать поддерживаемые клиентом методы сжатия данных.
2. Сервер отвечает сообщением ServerHello, которое содержит метод шифрования, выбранный сервером из списка, предложенного клиентом, а также идентификатор сессии и еще одно случайное число. Также сервер посылает свой цифровой сертификат. Если серверу нужен сертификат для аутентификации клиента, на этом шаге он может послать клиенту запрос такого сертификата.
3. Клиент проверяет сертификат сервера.
4. Клиент отправляет случайное число, которое клиент и сервер используют для шифрования последующих сообщений. Сама строка из байт шифруется публичным ключом сервера.
5. Если сервер потребовал у клиента сертификат, клиент отсылает набор байт, зашифрованный его секретным ключом, и свой цифровой сертификат, или оповещение об отсутствии сертификата.
6. Сервер проверяет сертификат клиента.
7. Клиент и сервер отправляют друг другу сообщение ChangeCipherSpec, объявляя об изменении режима передачи данных с незащищенного на защищенный.
8. Клиент отправляет сообщение Finished, зашифрованное секретным ключом, и таким образом завершает подтверждение связи со своей стороны.
9. Аналогичные действия производит сервер.
10. На протяжении данной сессии клиент и сервер могут обмениваться сообщениями, зашифрованными секретным ключом.

Возобновление сессии

1. Клиент посылает сообщение ClientHello, используя ID сессии, которую нужно возобновить.
2. Сервер проверяет, есть ли у него в кэше соответствующий идентификатор. Если есть и сервер способен возобновить сессию, он отсылает клиенту сообщение ServerHello с этим же ID сессии. Если нет, сервер генерирует новый ID сессии и выполняет процедуру handshake с клиентом.
3. Клиент и сервер обмениваются сообщениями ChangeCipherSpec, а затем Finished.
4. Передача данных по защищенному каналу возобновляется.

Протокол записи (TLS Record)

Этот слой защищает данные с помощью ключей, полученных при подтверждении связи, и проверяет целостность и источник входящих сообщений. Он выполняет следующие функции:

• Разбиение исходящих сообщений на блоки нужного размера и "склеивание" входящих сообщений.
• Сжатие исходящих сообщений и распаковку входящих (используется не всегда).
• Применение кода аутентификации к исходящим сообщениям и проверку входящих с помощью MAC.
• Шифрование исходящих сообщений и дешифровку входящих.

После обработки протоколом TLS Record зашифрованные данные передаются на слой TCP для передачи.

Состав записи

• Content type: тип сообщения — подтверждение связи (22), обычное сообщение (23) или оповещение (21).
• Version: версия SSL/TLS.
• Length: длина оставшейся части сообщения.
• Payload: собственно зашифрованные данные.
• MAC: код аутентификации.
• Padding: "отступ" для получения нужного размера сообщения.

Цифровые сертификаты (стандарт X.509)

• Удобный способ показать, что кто-то владеет публичным ключом.
• Выпускаются центрами сертификации (Certificate Authority, CA): GlobalSign, Comodo и др.
• PKI (public key infrastructure) — механизм, регулирующий распространение и использование сертификатов (включая создание, отзыв и проверку подлинности).
• Список доверенных CA поддерживается приложением (у браузеров свои списки).
• Сертификаты подписываются другими сертификатами, что повышает надежность.
• Сертификат может быть отозван. Система поддерживает список таких сертификатов (Certificate Revocation List, CRL). На стороне CA список обновляется каждые несколько часов.

Получение сертификата

1. Пользователь генерирует ключ и посылает запрос серверу CA.
2. CA отвечает сообщением со своим сертификатом.
3. Пользователь собирает данные, необходимые для выдачи сертификата (email, отпечаток ключа и т.д.).
4. Пользователь отправляет данные в CA, зашифровав их публичным ключом CA.
5. CA проверяет полученные данные и отправляет сертификат пользователю.

Структура сертификата

• Собственно сертификат
  • Версия
  • Серийный номер
  • Эмитент (тот, кто выпустил сертификат)
  • Субъект
  • Публичный ключ субъекта
  • Период действия
  • Дополнительные поля
• Алгоритм подписи сертификата
• Значение подписи сертификата

Меры безопасности в TLS

• Защита от downgrade-атаки — понижения версии протокола к предыдущей (менее защищённой) версии или менее надёжному алгоритму шифрования;
• Нумерация последовательных записей приложения и использование порядкового номера в коде аутентификации сообщения (MAC);
• Использование ключа в идентификаторе сообщения (только владелец ключа может сгенерировать код аутентификации сообщения).
• Сообщение, которым заканчивается подтверждение связи («Finished»), содержит хэш всех handshake-сообщений, отправленных обеими сторонами, что позволяет проверить подлинность выбранных параметров TLS-соединения.
• Псевдослучайная функция делит подаваемые ей на вход данные пополам, применяет к половинкам разные хэш-алгоритмы (MD5 и SHA-1), а затем XOR'ит результаты для получения MAC. Это повышает безопасность в случае, если в одном из алгоритмов обнаружится уязвимость.

Ключевые отличия SSL и TLS

• Аутентификация сообщений: в TLS используется HMAC, работающий с любой хэш-функцией (а не только с MD5 или SHA, как в SSL).
• Генерация ключа: в TLS при создании ключа используется псевдослучайная функция стандарта HMAC; в SSL — RSA, Diffie-Hellman или Fortezza/DMS.
• Проверка сертификата: в SSL проверка требует передачи сложной последовательности сообщений; в TLS информация о проверке полностью передается в сообщениях во время handshake.
• Методы шифрования: SSL поддерживает только алгоритмы RSA, Diffie-Hellman и Fortezza/DMS. В TLS отказались от поддержки Fortezza/DMS, но возможно добавление новых методов шифрования в последующих версиях.

Виды возможных атак

• Атака по словарю
• Атака отражением
• Атака протокола рукопожатия
• Взлом SSL-соединений внутри ЦОД
• BEAST атака
• Раскрытие шифров
• Атака «злоумышленник посередине»
• THC-SSL-DOS
• SSLstrip

Источники информации

• SSL and TLS: A Beginner's Guide
• Wikipedia: Secure Sockets Layer
• Inside SSL: The Secure Sockets Layer Protocol
• Tanenbaum-Structured-Computer-Organization-6th-Edition
• SSL/TLS Strong Encryption: An Introduction
• Wikipedia: Transport Layer Security
• Microsoft Developer Resources: Transport Layer Security Protocol
• IBM Knowledge Center: Cryptographic security protocols: SSL and TLS
• Thomas, Stephen. SSL and TLS Essentials: Securing the Web.

Полезные материалы

• Криптографический пакет с открытым исходным кодом для работы с SSL/TLS. Позволяет создавать ключи RSA, DH, DSA и сертификаты X.509, подписывать их, формировать CSR и CRT
• How To Create an SSL Certificate on Nginx for Ubuntu 14.04
• Usage Statistics and Market Share of SSL Certificate Authorities