SSH协议分析

一、SSH运行流程

1. SSH是如何工作的？（SSH的工作流程）

SSH由服务器和客户端组成，为建立安全的SSH通道，双方需要先建立TCP连接，然后协商使用的版本号和各类算法，并生成相同的会话密钥用于后续的对称加密。在完成用户认证后，双方即可建立会话进行数据交互。SSH的工作流程包括如下几个阶段。

连接建立

SSH依赖端口进行通信。在未建立SSH连接时，SSH服务器会在指定端口侦听连接请求，SSH客户端向SSH服务器该指定端口发起连接请求后，双方建立一个TCP连接，后续会通过该端口通信。

默认情况下，SSH服务器使用端口号22。当SSH应用于NETCONF时，可以指定默认端口号是22或者830。SSH使用的端口号可以被更改为设备其他可用端口，更改后当前所有的连接都会断开，SSH服务器开始侦听新的端口。由于SSH默认端口号22为知名端口，在进行关键安全传输时，建议修改SSH端口号。

版本协商

SSH协议目前存在SSH1.X（SSH2.0之前的版本）和SSH2.0版本。SSH2.0协议相比SSH1.X协议来说，在结构上做了扩展，可以支持更多的认证方法和密钥交换方法，同时提高了服务能力。SSH服务器和客户端通过协商确定最终使用的SSH版本号，过程如下：

1. SSH服务器通过建立好的连接向SSH客户端发送支持的SSH版本信息。

2. SSH客户端收到版本信息后，根据自身支持的SSH版本决定使用的版本号，并将决定使用的版本号发送给SSH服务器。

3. SSH服务器判断自己是否支持客户端决定使用的版本号，从而确定版本协商是否成功。

算法协商

SSH工作过程中需要使用多种类型的算法，包括用于产生会话密钥的密钥交换算法、用于数据信息加密的对称加密算法、用于进行数字签名和认证的公钥算法和用于数据完整性保护的HMAC算法。SSH服务器和客户端对每种类型中具体算法的支持情况不同，因此双方需要协商确定每种类型中最终使用的算法，过程如下：

1. SSH服务器和客户端分别向对方发送自己支持的算法。

2. SSH服务器和客户端依次协商每种类型中具体使用的算法。在每类算法的协商过程中，SSH服务器和客户端都会匹配出双方均支持的算法作为最终使用的算法。每类算法均匹配成功后，算法协商完成。如果某类算法全部匹配失败，则该类型的算法协商失败，这会导致SSH服务器和客户端之间算法协商失败并断开连接。

密钥交换

SSH服务器和客户端通过密钥交换算法，动态生成共享的会话密钥和会话ID，建立加密通道。会话密钥主要用于后续数据传输的加密，会话ID用于在认证过程中标识该SSH连接。

由于SSH服务器和客户端需要持有相同的会话密钥用于后续的对称加密，为保证密钥交换的安全性，SSH使用一种安全的方式生成会话密钥，由SSH服务器和客户端共同生成会话密钥，利用数学理论巧妙地实现不直接传递密钥的密钥交换，无需通过不安全通道传送该密钥，具体过程如下图所示。

1. SSH服务器生成素数G、P、服务器私钥b，并计算得到服务器公钥y=(Gb)%P。

2. SSH服务器将素数G、P、服务器公钥y发送给SSH客户端。

3. SSH客户端生成客户端私钥a，计算得到客户端公钥x=(Ga)%P。

4. SSH客户端将客户端公钥x发送给SSH服务器。

5. SSH服务器计算得到对称密钥K=(xb )%P，SSH客户端计算得到对称密钥K=(ya )%P，数学定律可以保证SSH服务器和SSH客户端生成的对称密钥相同。

用户认证

SSH客户端向SSH服务器发起认证请求，SSH服务器对SSH客户端进行认证。SSH支持以下几种认证方式：

密码（password）认证：客户端通过用户名和密码的方式进行认证，将加密后的用户名和密码发送给服务器，服务器解密后与本地保存的用户名和密码进行对比，并向客户端返回认证成功或失败的消息。
密钥（publickey）认证：客户端通过用户名，公钥以及公钥算法等信息来与服务器进行认证。
password-publickey认证：指用户需要同时满足密码认证和密钥认证才能登录。
all认证：只要满足密码认证和密钥认证其中一种即可。
SSH用户认证最基本的两种方式是密码认证和密钥认证。密码认证方式比较简单，且每次登录都需要输入用户名和密码。而密钥认证可以实现安全性更高的免密登录，是一种广泛使用且推荐的登录方式。

密码认证

密码认证的基本原理是SSH客户端使用服务器公钥对密码进行加密，SSH服务器使用服务器私钥解密后验证密码的合法性，具体过程如下图所示。

1. SSH客户端向SSH服务器发送登录请求。

2. SSH服务器将服务器公钥发送给SSH客户端。

3. SSH客户端输入密码，使用服务器公钥加密密码后发送给SSH服务器。

4. SSH服务器收到密文，使用服务器私钥解密得到密码。验证密码是否正确，如果正确则认证通过。

但是，这种认证方式存在中间人攻击的风险，如果有人截获了SSH客户端的登录请求后，冒充SSH服务器将伪造的公钥发送给SSH客户端，就可以获取到用户的登录密码。所以，在首次登录SSH服务器时，SSH客户端上会提示公钥指纹，并询问用户是否确认登录。用户确认后公钥将被保存并信任，下次访问时，SSH客户端将会核对SSH服务器发来的公钥和本地保存的是否相同。这种方式适用于公布了公钥指纹的SSH服务器以及已登录过正确SSH服务器的SSH客户端。

密钥认证

为避免中间人攻击，可以使用安全性更高的密钥认证。密钥认证的基本原理是SSH服务器使用客户端的公钥对随机内容加密，SSH客户端使用自己的私钥解密并发送给服务器以证实自己的身份，具体的过程如下图所示。

1. 在进行SSH连接之前，SSH客户端需要先生成自己的公钥私钥对，并将自己的公钥存放在SSH服务器上。

2. SSH客户端向SSH服务器发送登录请求。

3. SSH服务器根据请求中的用户名等信息在本地搜索客户端的公钥，并用这个公钥加密一个随机数发送给客户端。

4. SSH客户端使用自己的私钥对返回信息进行解密，并发送给SSH服务器。

5. SSH服务器验证SSH客户端解密的信息是否正确，如果正确则认证通过。

会话请求

认证通过后，SSH客户端向服务器发送会话请求，请求服务器提供某种类型的服务，即请求与服务器建立相应的会话。服务器根据客户端请求进行回应。

会话交互

会话建立后，SSH服务器端和客户端在该会话上进行数据信息的交互，双方发送的数据均使用会话密钥进行加解密。

2. SSH和TLS/SSL的区别

SSH和TLS(SSL是TLS的前身)都是网络安全协议，通过加密和认证提升两台设备间传输数据的安全性。但SSH和SSL的生效方式和服务目标存在差异。

SSH在两台设备间创建安全隧道，使这两台设备间可以安全地发送命令、传输数据等。例如，客户端通过SSH远程登录到一台服务器上，就可以安全地远程管理这台服务器，在服务器上执行想要的命令。

SSL则是使用SSL证书保证两台设备间安全地传输数据，而不是像SSH那样可以执行命令。例如，用户通过浏览器访问某安装了SSL证书且启用了HTTPS的服务器，浏览器和服务器之间可以安全地传输数据。

TLS (Transport Layer Security)用于在计算机网络上保障通信安全的协议。主要用于在Web浏览器和服务器之间、电子邮件系统中等进行安全通信。提供端到端的通信安全，确保数据在传输过程中不被窃听或篡改。

SSH (Secure Shell):用于在计算机网络上安全地执行命令和传输文件的协议。主要用于远程登录到计算机系统并执行命令，以及通过SCP（Secure Copy Protocol）或SFTP（SSH File Transfer Protocol）安全地传输文件。提供身份验证和加密，以保护远程访问和文件传输的安全性。

SSH就像一辆汽车，我们看不到这辆封闭的汽车里装载的是什么。而SSL就像一个封闭的集装箱，我们可以用不同的交通工具运输它，但看不到集装箱里装的是什么。

二、截包分析SSH建立流程

简单地说，SSH协议是建立在不安全的网络之上的进行远程安全登陆的协议。它是一个协议族，其中有三个子协议，分别是：

1、传输层协议[SSH-TRANS]:提供服务器验证、完整性和保密性功能,建立在传统的TCP/IP协议之上。
2、验证协议[SSH-USERAUTH]:向服务器验证客户端用户，有基于用户名密码和公钥两种验证方式，建立在传输层协议[SSH-TRANS]之上。
3、连接协议[SSH-CONNECT]:将加密隧道复用为若干逻辑信道。它建立在验证协议之上。

下面先通过wireshire抓包分析SSH协议上述三个流程.

1. SSH协议握手过程分析

在接着下面的内容之前，这里有几个概念非常重要！

1、会话密钥 key:key是通过客户端和服务器之间通过诸如D-H算法协商出来的。
2、公钥 pub key：pub key成为服务器主机密钥server_host_key，用于SSH-TRANS传输协议进行服务器验证,说白了就是客户端去验证服务器用的

SSH协议握手过程大致流程如下图所示：

下图是我在一次SSH链接构建过程中的截包，200.153主机为server，200.1主机为client。本次截包使用的是VScode连接宿主机中ubuntu虚拟机上的ssh服务。

1.TCP三次握手建立连接

描述	seq	Win	ACK	解释
第一次握手	0	64240	无	seq = 0表示客户端当前的TCP包序列号
第二次握手	0	64240	1	seq = 0,表示服务器端当前的TCP包序列号；ack = 1(客户端seq + 1)，表示对客户端第 seq = 0 的TCP包进行应答
第三次握手	1	131328	1	seq = 1,表示客户端端当前的TCP包序列号；ack = 1(服务器seq + 1)，表示对服务器端第 seq = 0 的TCP包进行应答

2、SSH版本协议交换

此处的包顺序与第一部分中讲解到的版本协商顺序不一样。

NO.	描述	解释
36	协议版本协商	客户端将自己的SSH协议版本发送到服务器，格式为：SSH-protoversion(版本号)-softwareversion(自定义) SP(空格一个,可选) comments(注释,可选) CR(回车符) LF(换行符)
38	协议版本协商	服务器将自己的SSH协议版本发送到客户端，格式为：SSH-protoversion(版本号)-softwareversion(自定义) SP(空格一个,可选) comments(注释,可选) CR(回车) LF(换行))

这一步本质上就是发送一个格式为SSH-protoversion-softwareversion SP comments CR LF的字节流而已。

3、密钥协商key

密钥协商过程从客户端和服务器相互发出Key Exchange Init请求开始，主要是告诉对方自己支持的相关加密算法列表、MAC算法列表等。

最后协商成功之后，将会生成一个对称加密会话密钥key以及一个会话ID，在这里要特别强调，这个是对称加密密钥key，不要和公钥相混淆了，公钥和密钥在上面开头已经着重强调两者的区别了，公钥是给客户端去验证服务器用的。

在这一步中，公钥会从服务器传送到客户端：

而会话密钥是通过D-H算法计算出来的，不会在网络上传输，其破解的难度取决于离散对数的破解难度，一般不会被破解的，有兴趣的可以自行了解该算法原理。

下面我将贴出Key Exchange Init发送的请求包数据分析

NO.	描述	解释
1	kex_algorithms	密钥交换算法，里边即包含我们使用的D-H算法，用于生成会话密钥
2	server_host_key_algorithms	服务器主机密钥算法，可以采用 ssh-rsa,ssh-dss,ecdsa-sha2-nistp256,有公钥和私钥的说法，公钥即我们上面讲到的pub key,对于公钥私钥的概念，可以参见understanding public key private key concepts
3	encryption_algorithms_client_to_server	对称加密算法，常用的有aes128-cbc,3des-cbc
4	mac_algorithms_clien_to_server	MAC算法，主要用于保证数据完整性
5	compression_algorithms_client_to_server	压缩算法

4、认证阶段

从红色框之后就已经是加密包了。因此我们看不到SSH的认证阶段、会话请求、会画交互阶段。

服务端端会回复一个New Keys包，表明服务端可以使用会话密钥加密消息了。紧接着客户端回复服务端的New Keys包，用于表明双方已经完成构建了一个加密通道，可以使用会话密钥来加密通信了。

SSH认证的方法通常有以下几种形式：
1、基于账号和口令的验证方式
客户端将自己的用户名 + 密码用上面生成的会话密钥key进行加密之后传送到服务器端进行验证，服务器端验证通过，则响应成功。
2、基于公钥和私钥的验证方式
这种方式也称为免密登陆。简单地说，就是客户端自己生成公钥私钥（通常采用ssh-keygen程序生成），然后将公钥以某种方式（通常是手动添加）保存到服务器~/.ssh/authorized_keys文件中，以后服务器都会接受客户端传过来的经过会话密钥加密过的公钥，然后解密得到公钥之后和本地authorized_keys配置的公钥是否相等，如果是，则允许登陆。