密码学原理与实践_浅谈SSH2工作原理

写作背景

最近在研究 GitHub 多账号管理的问题，这其中就涉及到了 SSH 的连接方式，因此不得不了解一下 SSH 的工作原理。

一番搜索和实践后发现，这里面的水其实很深，真要理解透彻可能需要去读几本关于密码学的书。本人并没有多大兴趣去研究这个，所以只是浅谈，但对于只是使用 SSH 工具的人来说，这完全够用了。

几年前我了解到的是 SSH 使用非对称加密算法（RSA）来完成对称加密算法的密钥交换，最后使用对称加密算法实现数据安全传输。现在网上查到的却是先使用 Diffie-Hellman（DH）算法完成对称加密算法的密钥交换，再通过客户端的公钥识别身份。这让我丈二和尚摸不着头脑。

直到写这篇文章，在搜索了 SSH1 和 SSH2 的区别后，我才找到答案。原来这里面说的其实是两个不同的东西，一个是 SSH1，一个是 SSH2。现在都流行使用 SSH2，所以网上搜到的大多都是 SSH2 方面的东西。

如果你直接在网上搜索 “SSH 实现原理”，那么搜到的大多都只是在谈 SSH 的身份认证部分而非整一个工作原理。试着搜索 “SSH 协商会话加密”，你将会看到不一样的内容。

SSH2 连接过程

SSH2 的整一个连接过程大体上可分为两个部分：协商会话加密 和 身份认证。

这其中还用到了 对称加密、非对称加密 和哈希算法（MD5）。

注意 SSH2 是建立在 TCP/IP 协议之上的应用层协议，所以是在经过 TCP三次握手 后才开始进行 SSH 连接，当然这个过程也是依赖于 TCP/IP，不过这些过程对于 SSH 来说是透明的，本章也不会作这方面的说明。

一、协商会话加密

协商会话加密 使用 Diffie-Hellman 算法生成会话密钥，具体流程如下。（大概流程）

客户端和服务端共同选定一个大素数作为 种子值。
独立地，双方各自确定另一个素数，这个素数对另一方保密，简称私钥。
通过 种子值 和私钥，使用某种函数生成各自的公钥。
双方交换各自的公钥。
双方使用各自的私钥、收到的公钥和 种子值 计算出 共享密钥。虽然双方的私钥和公钥都是不同的，但它们最后计算出来的 共享密钥 都是相同的。就这样，双方在不安全的网络中协商出了一个只有双方才知道的 共享密钥（这不得不让人惊叹数学的精妙啊），其它人即使拿到了 种子值 和公钥，也无法确定 共享密钥，因为它们不知道私钥，私钥在整个过程中都没有被传输。
使用 共享密钥 加密随后的所有通信。

注意这里的公钥、私钥和下面要讲的非对称加密的公钥、私钥是不一样的，不是同一个东西。

二、身份认证

共享密钥 确定后，接下来的通信都使用 共享密钥 进行加密和解密，因此是安全的，但我们还没有确认双方的身份。

客户端识别服务端是通过人工进行确认的。我们在第一次连接服务器时，都会弹出一个警告，让用户确定是否进行连接。警告的内容包含了服务器的 公钥指纹，如下图。

既然公钥是公开的，那中间人是不是也可以伪造这样的信息，让我们误以为是真实的服务器发出来的？答案是“是的”，所以我们还需要确定服务端是否拥有对应的私钥。不过查阅相关的文章，好像没有这样一个过程，都是在用户确定服务端公钥（回复yes）后就进行下一步操作（确认客户端身份）。个人感觉不合理，应该是要有的，具体我也没有深究，毕竟这篇文章是浅谈嘛！（好像被发现为什么要用这个做标题了。）

其实要确定服务端是否拥有对应的私钥也很容易，接下来讲的如何确定客户端身份会讲到，道理是一样。

服务端识别客户端身份有两种方式：账号密码 和 SSH密钥对。

账号密码 验证的方式很容易理解，客户端将用户名和密码用 共享密钥 加密后发给服务端，服务端再使用 共享密钥 解密，取得用户名和密码，再以此验证用户信息。

SSH密钥对 需要管理员事先将客户端的公钥上传到服务端对应用户的 ~/.ssh/authorized_keys 文件中，再进行以下流程。

客户端将公钥ID发送给服务端
服务端在对应用户的 ~/.ssh/authorized_keys 中搜索与之匹配的公钥
如果找到匹配的公钥，服务端将会生成一个 随机数 ，并使用该公钥加密该 随机数，得到 加密随机数
服务端将 加密随机数 发送给客户端
客户端收到 加密随机数 后，如果其持有对应的私钥，那么它就可以使用私钥解密，从而得到 随机数
客户端将 随机数 和 共享密钥 组合进行 MD5 加密，并将 MD5值 发送给服务端
服务端用同样的方式计算 MD5值 ，并与客户端发送的 MD5值 进行比较。如果相等，则身份认证通过。

前面说到在 协商会话加密 后，以后的通信都会使用 共享密钥 进行加密。在使用 SSH密钥对 进行 身份认证中，是可以不使用 共享密钥 进行加密的，因为整个过程所用到的 加密随机数 和 MD5值 是可以公开的。具体在真实的场景中有没有使用 **共享密钥 ** 加密这个过程我也不太清楚（浅谈浅谈），不过不会有什么安全问题。

问题

到这里，整个通信流程大家应该都理解了，不过我猜大家还会有一些问题。

为什么不先进行身份认证，之后再进行协商会话加密呢？

一开始我以为是为了连接速度，后来查了 SSH1 和 SSH2 的区别才发现，问题并不简单。

下面引用海里木有鱼的 SSH1和SSH2的区别 内容来解答这个问题。

SSH2 避免了 RSA 的专利问题，并修补了 CRC 的缺陷。
SSH2 用数字签名算法（DSA）和 Diffie-Hellman（DH）算法代替 RSA 来完成对称密钥的交换

一切，都是利益的纠葛！

本地那么多个公钥，客户端怎么知道选择哪一个？

ssh-agent 自动寻找，或者 ssh 登录时指定私钥（公钥和私钥名相同）。详细内容可以看 SSH多种远程登录方法

客户端和服务端是如何共同确定一个种子值的？

由于这个种子值是可以公开的，所以不怕被第三方知道。可以由客户端或者服务端自己随机生成然后发给对方，只要对方同意就行了。就像两个人去吃饭，讨论要选择哪个餐馆是一样的道理。

参考链接

Understanding the SSH Encryption and Connection Process，Justin Ellingwood

SSH 加密和连接过程，WqyJh

SSH1和SSH2的区别，海里木有鱼