面试官:你觉得HTTPS能防止重放攻击吗?

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密钥管理服务KMS,1000个密钥,100个凭据,1个月
简介: 面试官:你觉得HTTPS能防止重放攻击吗?2021-09-07 13:45·java互联网架构引言先来一段面试情景再现~~最后的结局自然就是OK,带着上面的疑问,开始我们今天的文章!正文协议流程我们先来回忆一下HTTPS的通信流程,HTTPS协议 = HTTP协议 + SSL/TLS协议,摘取一下网上一些八股文的回答(以RSA密钥交换的为例)!(1)客户端生成一个随机数client_random,TLS版本号,发

引言

先来一段面试情景再现~~

最后的结局自然就是

OK,带着上面的疑问,开始我们今天的文章!

正文

协议流程

我们先来回忆一下HTTPS的通信流程,HTTPS协议 = HTTP协议 + SSL/TLS协议,摘取一下网上一些八股文的回答(以RSA密钥交换的为例)!

  • (1)客户端生成一个随机数client_random,TLS版本号,发送到服务端
  • (2)服务端发送自己的随机数server_random,服务器使用的证书,发送到客户端
  • (3)客户端利用CA公钥对证书进行验证,取出服务器公钥
  • (4)客户端生成随机数pre_master_secret,利用服务器公钥进行加密,传送到服务端
  • (5)服务端利用服务器私钥进行解密取出pre_master_secret
  • (6)服务端和客户端此时利用随机数client_random,server_random,pre_master_secret算出对称密钥(master_secret),利用对称密钥进行对称加密通信

画外音:是不是贼熟悉,有背过网络八股文的,一看就懂!

关键问题就在步骤(6),怎么进行加密的?很多文章都没有说明,甚至有的人以为,拿client_random+server_random+pre_master_secret直接拼成一个字符串,然后就是对称加密密钥,客户端和服务端拿这个密钥对数据进行加密通信!!

对此,我只能说:"Too young too simple!离谱啊!!"

那正确的过程是怎么样的呢,我们继续往下看!

协议分析

我先给本文提到的英文单词,给上我的中文翻译,以防大家混淆:

  • client_random 客户端随机数
  • server_random 服务端随机数
  • pre_master_secret 预备主密钥
  • master_secret 主密钥
  • key_block 密钥块(有的文章把这个东西称为会话密钥)

先大致有个印象,继续往下阅读

现在我们已经有三个参数client_random,pre_master_secret,server_random,服务端和客户端分别会根据这三个参数,推导出master_secret,一旦master_secret被推导出来,会立刻删除pre_master_secret。(摘自rfc2246,section8.1

当master_secret计算出以后,立刻计算key_block(摘自rfc2246,section6.3),这个密钥块,有的文章里又说他是会话密钥!计算公式如下,

key_block = PRF(master_secret,
         "key expansion",
         server_random +
         client_random)

如公式所示,PRF是一个Hash算法,如SHA256这些,具体用哪一个取决于TLS协议的版本!我们得到key_block后,可以基于到key_block继续推导出6个密钥值,分别是

  • client_write_MAC_key 客户端消息认证码密钥
  • server_write_MAC_key 服务端消息认证码密钥
  • client_write_key 客户端对称加密密钥
  • server_write_key 服务端对称加密密钥
  • client_write_IV 客户端初始化向量
  • server_write_IV 服务端初始化向量

整个过程用一张图来说明,注意了这六把密钥是根据key_block推导而出,也就是意味着这六把密钥是服务端和客户端共同持有的!

大家一定也发现了,你的密钥前都带有client或者server前缀,这代表密钥是服务端使用还是客户端使用!例如,客户端用client_write_key进行数据加密,发送数据,服务端收到消息后利用client_write_key进行解密。而后服务端使用server_write_key进行数据加密回复信息,客户端收到消息后用server_write_key解密服务端发来的信息!

OK,我们继续往下看!
现在我们已经有了6把密钥了,已经需要发送的消息data,那么加密流程具体怎么样的呢?
TLS一共有三种加密模式,流加密模式、分组模式、 AEAD 模式,我以流加密模式来进行说明,如下图所示

我们现在来看上面的第二步,利用write_mac_key对数据加密,加上MAC验证码,利用MAC码来保证完整性。

那么,这个MAC验证码的生成公式又是怎么样的呢?

MAC验证码

在流加密模式下,MAC验证码公式为(摘自rfc2246,section6.2.3.1)

看到入参中的seq_num了么?这就是数据的序列号,这个序号就是用来防止重放攻击的!那这个序列号怎么用的呢?
假设,此时服务端和客户端连接成功后
(1)客户端会在内存中记录 client_send 和 client_recv,默认值为0.客户端每发送一条消息,client_send 会加1,每接收一条服务端发来的消息,client_recv 会加1。
(2)服务端也会在内存中记录 server_send 和 server_recv,作用和客户端的作用一样。服务端每发送一条消息,server_send 会加1,每接收一条客户端发来的消息,server_recv 会加1。
(3)客户端发送数据时,以当前client_send作为seq_num,计算mac值,发送给服务端,然后client_send加1。
(4)服务端收到消息后,先以当前server_recv值,进行完整校验,校验成功后server_recv加1。然后以server_send为作为seq_num,计算mac值,发送给客户端,然后server_send加1。
(5)也就是说,如果发送和接收都正常,那么 client_send = server_recv、client_recv = server_send

假设,客户端和服务端相互通信了4次,client_send = server_recv=3(从0开始,所以是3),服务端检验完第4次消息后,server_recv加1,此时server_recv=4。攻击者如果想重放第4次消息,第4次消息中的client_send值是3,就会出现校验失败的情况!从而能够抵挡住重放攻击!

OK,讲到这里,基本上能回答最开始提出的问题了!

当然,TLS协议本身的内容比较多,我在这里放上TLS协议的地址,大家有兴趣可以自己去查看:

https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc2246.html

思考

假设,我们用符号[]表示一次TCP连接,0,1,2,...代表数据包序号,根据上面的分析,对于这种形式的重放攻击,[0,0,0,1,1,2,2,3,3,3….],HTTPS协议是能够拦截的!
那如果不是一次请求里的重放攻击呢?例如形式是[0,1,2,3….],[0,1,2,3….],这种形式的重放攻击,HTTPS协议能够拦截么?有答案,可以在留言区进行回复!

提示:想一想看,最开始的客户端随机数和服务端随机数的作用!

本文就是愿天堂没有BUG给大家分享的内容,大家有收获的话可以分享下,想学习更多的话可以到微信公众号里找我,我等你哦。

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