詳解NodeJS Https HSM雙向認(rèn)證實(shí)現(xiàn)
工作中需要建立一套HSM的HTTPS雙向認(rèn)證通道,即通過硬件加密機(jī)(Ukey)進(jìn)行本地加密運(yùn)算的HTTPS雙向認(rèn)證,和銀行的UKEY認(rèn)證類似。
NodeJS可以利用openSSL的HSM plugin方式實(shí)現(xiàn),但是需要編譯C++,太麻煩,作者采用了利用Node Socket接口,純JS自行實(shí)現(xiàn)Https/Http協(xié)議的方式實(shí)現(xiàn)
具體實(shí)現(xiàn)可以參考如下 node-https-hsm
TLS規(guī)范自然是參考RFC文檔 The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.2
概述
本次TLS雙向認(rèn)證支持以下加密套件(*為建議使用套件):
- TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256(TLS v1.2) *
- TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256(TLS v1.2) *
- TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA(TLS v1.1)
- TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA(TLS v1.1)
四種加密套件流程完全一致,只是部分算法細(xì)節(jié)與報(bào)文略有差異,體現(xiàn)在
- AES_128/AES_256的會(huì)話AES密鑰長(zhǎng)度分別為16/32字節(jié)。
- TLS 1.1 在計(jì)算finish報(bào)文數(shù)據(jù)時(shí),進(jìn)行的是MD5 + SHA1的HASH算法,而在TLS v1.2下,HASH算法變成了單次SHA256。
- TLS 1.1 處理finish報(bào)文時(shí)的偽隨機(jī)算法(PRF)需要將種子數(shù)據(jù)為分兩塊,分別用 MD5 / SHA1 取HASH后異或,TLS 1.2 為單次 SHA256。
- TLS 1.2 的 CertificateVerify / ServerKeyExchange 報(bào)文末尾新增2個(gè)字節(jié)的 Signature Hash Algorithm,表示 hash_alg 和 sign_alg。
目前業(yè)界推薦使用TLS v1.2, TLS v1.1不建議使用。
流程圖
以下為 TLS 完整握手流程圖
* =======================FULL HANDSHAKE====================== * Client Server * * ClientHello --------> * ServerHello * Certificate * CertificateRequest * <-------- ServerHelloDone * Certificate * ClientKeyExchange * CertificateVerify * Finished --------> * change_cipher_spec * <-------- Finished * Application Data <-------> Application Data
流程詳解
客戶端發(fā)起握手請(qǐng)求
TLS握手始于客戶端發(fā)起 ClientHello 請(qǐng)求。
struct { uint32 gmt_unix_time; // UNIX 32-bit format, UTC時(shí)間 opaque random_bytes[28]; // 28位長(zhǎng)度隨機(jī)數(shù) } Random; //隨機(jī)數(shù) struct { ProtocolVersion client_version; // 支持的最高版本的TLS版本 Random random; // 上述隨機(jī)數(shù) SessionID session_id; // 會(huì)話ID,新會(huì)話為空 CipherSuite cipher_suites<2..2^16-2>; // 客戶端支持的所有加密套件,上述四種 CompressionMethod compression_methods<1..2^8-1>; // 壓縮算法 select (extensions_present) { // 額外插件,為空 case false: struct {}; case true: Extension extensions<0..2^16-1>; }; } ClientHello; // 客戶端發(fā)送支持的TLS版本、客戶端隨機(jī)數(shù)、支持的加密套件等信息
服務(wù)器端回應(yīng)客戶端握手請(qǐng)求
服務(wù)器端收到 ClientHello 后,如果支持客戶端的TLS版本和算法要求,則返回 ServerHello, Certificate, CertificateRequest, ServerHelloDone 報(bào)文
struct { ProtocolVersion server_version; // 服務(wù)端最后決定使用的TLS版本 Random random; // 與客戶端隨機(jī)數(shù)算法相同,但是必須是獨(dú)立生成,與客戶端毫無關(guān)聯(lián) SessionID session_id; // 確定的會(huì)話ID CipherSuite cipher_suite; // 最終決定的加密套件 CompressionMethod compression_method; // 最終使用的壓縮算法 select (extensions_present) { // 額外插件,為空 case false: struct {}; case true: Extension extensions<0..2^16-1>; }; } ServerHello; // 服務(wù)器端返回最終決定的TLS版本,算法,會(huì)話ID和服務(wù)器隨機(jī)數(shù)等信息 struct { ASN.1Cert certificate_list<0..2^24-1>; // 服務(wù)器證書信息 } Certificate; // 向客戶端發(fā)送服務(wù)器證書 struct { ClientCertificateType certificate_types<1..2^8-1>; // 證書類型,本次握手為 值固定為rsa_sign SignatureAndHashAlgorithm supported_signature_algorithms<2^16-1>; // 支持的HASH 簽名算法 DistinguishedName certificate_authorities<0..2^16-1>; // 服務(wù)器能認(rèn)可的CA證書的Subject列表 } CertificateRequest; // 本次握手為雙向認(rèn)證,此報(bào)文表示請(qǐng)求客戶端發(fā)送客戶端證書 struct { } ServerHelloDone // 標(biāo)記服務(wù)器數(shù)據(jù)末尾,無內(nèi)容
客戶端收到服務(wù)器后響應(yīng)
客戶端應(yīng)校驗(yàn)服務(wù)器端證書,通常用當(dāng)用本地存儲(chǔ)的可信任CA證書校驗(yàn),如果校驗(yàn)通過,客戶端將返回 Certificate, ClientKeyExchange, CertificateVerify, change_cipher_spec, Finished 報(bào)文。
CertificateVerify 報(bào)文中的簽名為 Ukey硬件簽名 , 此外客戶端證書也是從Ukey讀取。
struct { ASN.1Cert certificate_list<0..2^24-1>; // 服務(wù)器證書信息 } Certificate; // 向服務(wù)器端發(fā)送客戶端證書 struct { select (KeyExchangeAlgorithm) { case rsa: EncryptedPreMasterSecret; // 服務(wù)器采用RSA算法,用服務(wù)器端證書的公鑰,加密客戶端生成的46字節(jié)隨機(jī)數(shù)(premaster secret) case dhe_dss: case dhe_rsa: case dh_dss: case dh_rsa: case dh_anon: ClientDiffieHellmanPublic; } exchange_keys; } ClientKeyExchange; // 用于返回加密的客戶端生成的隨機(jī)密鑰(premaster secret) struct { digitally-signed struct { opaque handshake_messages[handshake_messages_length]; // 采用客戶端RSA私鑰,對(duì)之前所有的握手報(bào)文數(shù)據(jù),HASH后進(jìn)行RSA簽名 } } CertificateVerify; // 用于服務(wù)器端校驗(yàn)客戶端對(duì)客戶端證書的所有權(quán) struct { enum { change_cipher_spec(1), (255) } type; // 固定值0x01 } ChangeCipherSpec; // 通知服務(wù)器后續(xù)報(bào)文為密文 struct { opaque verify_data[verify_data_length]; // 校驗(yàn)密文,算法PRF(master_secret, 'client finished', Hash(handshake_messages)) } Finished; // 密文信息,計(jì)算之前所有收到和發(fā)送的信息(handshake_messages)的摘要,加上`client finished`, 執(zhí)行PRF算法
Finished 報(bào)文生成過程中,將產(chǎn)生會(huì)話密鑰 master secret,然后生成Finish報(bào)文內(nèi)容。
master_secret = PRF(pre_master_secret, "master secret", ClientHello.random + ServerHello.random) verify_data = PRF(master_secret, 'client finished', Hash(handshake_messages))
PRF為TLS v1.2規(guī)定的偽隨機(jī)算法, 此例子中,HMAC算法為 SHA256
PRF(secret, label, seed) = P_<hash>(secret, label + seed) P_hash(secret, seed) = HMAC_hash(secret, A(1) + seed) + HMAC_hash(secret, A(2) + seed) + HMAC_hash(secret, A(3) + seed) + ... // A(0) = seed // A(i) = HMAC_hash(secret, A(i-1))
服務(wù)器完成握手
服務(wù)收到請(qǐng)求后,首先校驗(yàn)客戶端證書的合法性,并且驗(yàn)證客戶端證書簽名是否合法。根據(jù)服務(wù)器端證書私鑰,解密 ClientKeyExchange,獲得pre_master_secret, 用相同的PRF算法即可獲取會(huì)話密鑰,校驗(yàn)客戶端 Finish 信息是否正確。如果正確,則服務(wù)器端與客戶端完成密鑰交換。 返回 change_cipher_spec, Finished 報(bào)文。
struct { enum { change_cipher_spec(1), (255) } type; // 固定值0x01 } ChangeCipherSpec; // 通知服務(wù)器后續(xù)報(bào)文為密文 struct { opaque verify_data[verify_data_length]; // 校驗(yàn)密文,算法PRF(master_secret, 'server finished', Hash(handshake_messages)) } Finished; // 密文信息,計(jì)算之前所有收到和發(fā)送的信息(handshake_messages)的摘要,加上`server finished`, 執(zhí)行PRF算法
客戶端會(huì)話開始
客戶端校驗(yàn)服務(wù)器的Finished報(bào)文合法后,握手完成,后續(xù)用 master_secret 發(fā)送數(shù)據(jù)。
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