图解 SSH 原理

1. 初见 SSH

SSH是一种协议标准，用于在网络主机之间进行加密的一种协议，其目的是实现安全远程登录以及其它安全网络服务。

SSH 仅仅是一协议标准，其具体的实现有很多，既有开源实现的 OpenSSH，也有商业实现方案。使用范围最广泛的当然是开源实现 OpenSSH。

为什么要搞这么个协议呢？其实，很久很久以前，互联网通信都是明文的，一旦在中间环节被某些中间商截获了，我们的通信内容就暴漏无疑。

所以芬兰就有这么一位叫做 Tatu Ylonen 的人设计了 SSH 协议，将信息加密，这样就像上面说的，即使我们的登陆信息在中间被人截获了，我们的密码也不会被泄露。

目前 SSH 协议已经在全世界广泛被使用，且已经在成为各个 linux 发行版的标配。

2. SSH 工作原理

在讨论 SSH 的原理和使用前，我们需要分析一个问题：为什么需要 SSH？

从 1.1 节 SSH 的定义中可以看出，SSH 和 Telnet、FTP 等协议主要的区别在于安全性。这就引出下一个问题：如何实现数据的安全呢？首先想到的实现方案肯定是对数据进行加密。加密的方式主要有两种：

1. 对称加密（也称为秘钥加密）
2. 非对称加密（也称公钥加密）

所谓对称加密，指加密解密使用同一套秘钥。如下图所示：

图1-1：对称加密-Client端

图1-2：对称加密-Server端

对称加密的加密强度高，很难破解。但是在实际应用过程中不得不面临一个棘手的问题：如何安全的保存密钥呢？

尤其是考虑到数量庞大的 Client 端，很难保证密钥不被泄露。一旦一个 Client端的密钥被窃取，那么整个系统的安全性也就不复存在。为了解决这个问题，非对称加密应运而生。非对称加密有两个密钥：“公钥”和“私钥”。

两个密钥的特性：公钥加密后的密文，只能通过对应的私钥进行解密。而通过公钥推理出私钥的可能性微乎其微。

下面看下使用非对称加密方案的登录流程：

图1-3：非对称加密登录流程

1. 远程 Server 收到 Client 端用户 TopGun 的登录请求，Server 把自己的公钥发给用户。
2. Client 使用这个公钥，将密码进行加密。
3. Client 将加密的密码发送给 Server端。
4. 远程 Server 用自己的私钥，解密登录密码，然后验证其合法性。
5. 若验证结果，给 Client 相应的响应。

私钥是 Server 端独有，这就保证了 Client 的登录信息即使在网络传输过程中被窃据，也没有私钥进行解密，保证了数据的安全性，这充分利用了非对称加密的特性。

这样就一定安全了吗？

上述流程会有一个问题：Client 端如何保证接受到的公钥就是目标 Server 端的？

如果一个攻击者中途拦截 Client 的登录请求，向其发送自己的公钥，Client 端用攻击者的公钥进行数据加密。攻击者接收到加密信息后再用自己的私钥进行解密，不就窃取了 Client 的登录信息了吗？这就是所谓的中间人攻击。

图1-4：中间人攻击

2.1 SSH 中是如何解决这个问题的？

2.1.1 基于口令的认证

从上面的描述可以看出，问题就在于如何对 Server 的公钥进行认证？在 https中可以通过 CA 来进行公证，可是 SSH 的 Publish key和 Private key 都是自己生成的，没法公证。

只能通过 Client 端自己对公钥进行确认。通常在第一次登录的时候，系统会出现下面提示信息：

The authenticity of host 'ssh-server.example.com (12.18.429.21)' can't be established.

RSA key fingerprint is 98:2e:d7:e0:de:9f:ac:67:28:c2:42:2d:37:16:58:4d.

Are you sure you want to continue connecting (yes/no)?

上面的信息说的是：无法确认主机 ssh-server.example.com（12.18.429.21）的真实性，不过知道它的公钥指纹，是否继续连接？

之所以用 fingerprint 代替 key，主要是 key 过于长（RSA 算法生成的公钥有1024 位），很难直接比较。所以，对公钥进行 Hash 生成一个 128 位的指纹，这样就方便比较了。

如果输入 yes 后，会出现下面信息：

Warning: Permanently added 'ssh-server.example.com,12.18.429.21' (RSA) to the list of known hosts.

Password: (enter password)

该 host 已被确认，并被追加到文件 known_hosts 中，然后就需要输入密码，之后的流程就按照图 1-3 进行。

2.1.2 基于公钥认证

在上面介绍的登录流程中可以发现，每次登录都需要输入密码，很麻烦。SSH 提供了另外一种可以免去输入密码过程的登录方式：公钥登录。流程如下：

图1-5：公钥认证流程

1. Client 将自己的公钥存放在 Server 上，追加在文件 authorized_keys 中。注意：Client 端的 Public key 是 Client 手动 Copy 到 Server端的，SSH 建立连接过程中没有公钥的交换操作。
2. Server 端接收到 Client 的连接请求后，会在 authorized_keys 中匹配到 Client 的公钥 pubKey，并生成随机数 R，用 Client 的公钥对该随机数进行加密得到 pubKey(R)，然后将加密后信息发送给 Client。
3. Client 端通过私钥进行解密得到随机数 R，然后对随机数 R 和本次会话的 SessionKey 利用 MD5 生成摘要 Digest1，发送给 Server 端。
4. Server 端会也会对 R 和 SessionKey 利用同样摘要算法生成 Digest2。
5. Server 端会最后比较 Digest1 和 Digest2 是否相同，完成认证过程。

注意：在步骤1中，Client 将自己的公钥存放在 Server 上。需要用户手动将公钥 Copy 到 Server 上。这就是在配置 SSH 的时候进程进行的操作。下图是 GitHub 上 SSH keys 设置视图：

GitHub 中 SSH keys 设置

在步骤 2 中，Server 端根据什么信息在 authorized_keys 中进行查找的呢？主要是根据 Client 在认证的开始会发送一个 KeyID 给 Server，这个 KeyID 会唯一对应该 Client 的一个 PublicKey，Server 就是通过该 KeyID 在 authorized_keys 进行查找对应的 PublicKey。

3. SSH 实践

3.1 生成密钥操作

经过上面的原理分析，下面三行命令的含义应该很容易理解了：

$ ssh-keygen -t rsa -P '' -f ~/.ssh/id_rsa
$ cat ~/.ssh/id_rsa.pub >> ~/.ssh/authorized_keys
$ chmod 0600 ~/.ssh/authorized_keys

ssh-keygen 是用于生产密钥的工具。

• -t：指定生成密钥类型（rsa、dsa、ecdsa 等）
• -P：指定 passphrase，用于确保私钥的安全
• -f：指定存放密钥的文件（公钥文件默认和私钥同目录下，不同的是存放公钥的文件名需要加上后缀 .pub）

首先看下面 ~/.ssh 中的四个文件：

SSH 涉及文件

1. id_rsa：保存私钥
2. id_rsa.pub：保存公钥
3. authorized_keys：保存已授权的客户端公钥
4. known_hosts：保存已认证的远程主机 ID（关于 known_hosts 详情，见文末更新内容）

四个角色的关系如下图所示：

SSH 结构简图

需要注意的是：一台主机可能既是 Client，也是 Server。所以会同时拥有authorized_keys 和 known_hosts。

3.2 登录操作

# 以用户名user，登录远程主机host
$ ssh user@host
​
# 本地用户和远程用户相同，则用户名可省去
$ ssh host
​
# SSH默认端口22，可以用参数p修改端口
$ ssh -p 2017 user@host

4. 其它一些补充

下面关于 SSH 的 known_hosts 机制的一些补充。

4.1 known_hosts 中存储的内容是什么？

known_hosts 中存储是已认证的远程主机 host key，每个 SSH Server 都有一个 secret, unique ID, called a host key。

4.2 host key 何时加入 known_hosts 的？

当我们第一次通过 SSH 登录远程主机的时候，Client 端会有如下提示：

Host key not found from the list of known hosts.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)?

此时，如果我们选择 yes，那么该 host key 就会被加入到 Client 的known_hosts 中，格式如下：

# domain name+encryption algorithm+host key

example.hostname.com ssh-rsa AAAAB4NzaC1yc2EAAAABIwAAAQEA...

4.3 为什么需要 known_hosts？

最后探讨下为什么需要 known_hosts，这个文件主要是通过 Client 和 Server的双向认证，从而避免中间人（man-in-the-middle attack）攻击，每次Client 向 Server 发起连接的时候，不仅仅 Server 要验证 Client 的合法性，Client 同样也需要验证 Server 的身份，SSH Client 就是通过 known_hosts 中的 host key 来验证 Server 的身份的。

这种方案足够安全吗？当然不，比如第一次连接一个未知 Server 的时候，known_hosts 还没有该 Server 的 host key，这不也可能遭到中间人攻击吗？这可能只是安全性和可操作性之间的折中吧。

5. 总结

本文以图文方式对 SSH 原理进行解析（主要指远程登录，没有涉及端口转发等功能）。同时分析了非对称加密的特性，以及在实践过程中如何对加密操作进行改进。