第5章 会话安全SSH
杨礼珍
作业
，思考题1、4、9
SSH的历史及现状
SSH的功能及组成
SSH为应用层协议，基于TCP，使用端口22。
SSH所提供服务：机密性、完整性保护、身份
认证功能(必选的服务器认证，可选的客户端
认证)。
SSH所包含内容：算法（包括加密、认证和压
缩算法）协商、密钥交换、服务器身份认证、
用户身份认证以及应用层数据封装处理等。
SSH的功能及组成
SSH协议组成：
传输层协议：协商和数据处理。位于SSH协议套件
的最底层。位于SSH协议套件的最底层，为SSH其
它协议和高层应用提供安全保护。(包含了服务器身
份认证)
用户认证协议：规定了服务器认证客户端用户身份
的流程和报文内容。
连接协议：将安全通道多路分解为多个逻辑通道，
以便多个高层应用共享SSH提供的安全服务。
SSH的组成协议关系图
SSH数据类型
SSH规定了7中数据类型来描述协议消息格式
单字节整数
布尔值
32比特整数
64比特整数
字符串
大整数
列表
SSH方法及算法描述
SSH用字符串描述算法，并给出了可用算法的
标准字符串表示。如“3des-cbc”表示使用
CBC模式的3DES算法，”blowfish-cbc”表示
使用CBC模式的blowfish算法。如果同时使用
两个算法，则用“列表”数据类型表示出来。
SSH规定了厂商实现中自定义名字的统一格式。
SSH传输协议
协议流程
SSH传输协议
（1）版本协商：协定最终使用的SSH版本
（2）密钥交换：包括算法协商、D-H交换和计
算密钥。D-H交换报文中包含了服务器认证信
息。
SSH支持两种认证方法：
显式方法：报文包含数字签名。客户端必须获取
服务器公钥（SSH也称为热键hot key）
隐式方法：报文包含利用预共享密钥计算的
MAC。
SSH传输协议
2-1. 算法协商：通信双方交互
SSH_MSG_KEXINIT消息进行算法协商。
SSH_MSG_KEXINIT消息格式见图，
它包含以下内容
Cookie：为随机数，用来和其它参数共同生成密钥
和会话ID，以防止重放攻击。
密钥交换算法列表、服务器热键算法列表、客户端
和服务器加密算法列表、客户端和服务器MAC算法
列表、客户端和服务器压缩算法列表、客户端和服
务器语言列表、标志。
SSH传输协议
2-2. D-H交换
SSH_MSG_KEXDH_INIT和
SSH_MSG_KEXDH_REPLY消息格式见图。
SSH_MSG_KEXDH_REPLY消息完成以下功能：
密钥交换：双方交换D-H公开值
服务器身份认证：对散列值H的签名
握手消息完整性：散列值H的输入包含了：客户端和服务器
的版本信息、SSH_MSG_KEXINIT消息（包含了Cookie字
段）、热键、双方的D-H公开值以及共享密钥。
散列值H同时用于计算会话ID，可用来防止重放攻击。
SSH传输协议
2-3. 计算密钥：SSH使用4个密钥：通信双方用来加密
和认证的密钥（Ecs,Esc,Mcs,Msc），以及分组加密
中使用的IV（IVcs,IVsc）。计算方法如下：
IVcs=HASH(K|H|”A”|会话ID)
IVsc=HASH(K|H|”B”|会话ID)
Ecs=HASH(K|H|”C”|会话ID)
Esc=HASH(K|H|”D”|会话ID)
Mcs=HASH(K|H|”E”|会话ID)
Esc=HASH(K|H|”F”|会话ID)
其中K为双方的共享密钥，由双方的D-H公开值计算得到。
H为消息完整性中计算的散列值。
SSH传输协议
2-4. 密钥再交换：通信双方都可以发起密钥再交
换协商，与首次协商过程相同。
2-5. 密钥交换完成后，通信双方交互
SSH_MSG_NEWKEYS消息以通告对等端随
后的通信流使用新的算法和密钥保护。
SSH传输协议
（3）服务请求/响应。
客户端发送：
SSH_MSG_SERVICE_REQUEST消息，其中
包含了所请求的服务名称。
服务器发送：
如果同意提供客户端提出服务，则返回
SSH_MSG_SERVICE_ACCEPT
否则返回SSH_MSG_DISCONNECT
SSH定义了两种服务：ssh-userauth（用户认
证）和ssh-connection（连接请求）
SSH传输协议
2. 报文格式
Mac=MAC(Mcs(或Msc)，序号|未加密的报文)
MAC：消息验证码算法
未加密的报文：除mac以外的所有报文数据
加密算法应用于除mac外的其他部分。
压缩算法应用于数据部分。
注：如未协商压缩算法则数据不需要压缩；如未协商加密算法
则不需要填充和加密；如未协商MAC算法则不需要计算mac。
序号不包含在SSH报文中。
SSH传输协议报文格式另一图示
SSH身份认证协议
客户利用传输层协议向服务器提出用户身份认
证服务请求，若服务器接受请求，则双方开始
执行SSH身份认证协议。
身份认证协议在传输层协议提供的安全通道上
运行。(即身份认证协议的消息封装在传输层报
文的数据区中)
一次身份认证失败，客户端可再次提出认证请
求，但重试的时间间隔和次数是有限制的。
身份认证过程
身份认证过程主要由三种消息完成：
客户端所发出的认证请求，格式见图
SSH_MSG_USERAUTH_REQUEST
服务器应答，格式见 图
服务器接受认证的应答：
SSH_MSG_USERAUTH_SUCCESS
服务器拒绝认证的应答：
SSH_MSG_USERAUTH_FAILURE
身份认证过程
SSH支持4种用户身份认证方法：
publickey(公钥认证)：客户端向服务器提供签名
password（口令认证）：客户端向服务器提供口令
hostbased（基于主机的认证）：由用户宿主机代理
用户完成身份认证，用于主机有多个客户的情形。
none（不使用认证）：用于客户端身份不敏感和查询
服务器支持的认证方法的情形下。
公钥认证方法
第一轮交互用以通告签名算法和证书
SSH_MSG_USERAUTH_REQUEST消息：“认证
方法”名字段被设置为“publickey”，“与认证
方法相关的字段”的格式见图（包含了
标志（设置为FLASE）签名算法名、证书）
第二轮进行身份认证
SSH_MSG_USERAUTH_REQUEST消息：“认证
方法”名字段被设置为“publickey”，“与认证
方法相关的字段”的格式见图（包含了
标志（设置为TRUE）签名算法名、公钥和签名）
公钥认证方法
口令认证方法
认证过程：
1. 客户端发送的请求消息包含：“password”认证方
法、标志字段设置为FALSE、口令字符串。
2. 服务器的响应可能为：
成功
失败
若口令过期：发送
SSH_MSG_USERAUTH_PASSWD_CHANGEREQ
客户端再次发出请求消息：其中标志字段设置为TRUE，包含
原口令和新口令
服务器响应
基于主机认证方法
使用数字签名验证身份
流程与公钥认证相似
和公钥认证的方法的不同之处：用客户端主机
的私钥（公钥认证使用用户的私钥）进行签名，
服务器用客户端主机的公钥（公钥认证使用用
户的公钥）验证签名。
前提：主机已通过用户身份验证，客户端主机
充当用户身份认证代理。
使用场合：主机有多个客户
基于主机认证方法
认证过程：
1. 客户端的请求消息包含：“认证方法名”字段设置
为hostbased、签名算法、证书、用户端主机的
FQDN、用户名、签名（具体格式见 ）。
2. 服务器根据以下内容验证客户端身份：
证书是否合法
给出的用户是否允许在这台主机登录
签名是否正确
客户端主机的合格域名FQDN是否与报文的源地址一致。
3. 服务器给出成功或者失败的应答
SSH连接协议
连接协议如何运行：
在传输层提供的安全通道上进行
客户端通过SSH传输层协议发出连接协议服务请求后，即可
开始连接协议流程。
隧道：传输层协议建立的安全通道称为“隧道”
通道：所有的终端会话和被转发的连接称为“通道”
隧道和通道的关系：一个隧道可以包含多条隧道，即
SSH的安全通道可以同时为多个不同的应用提供安全
服务。
SSH连接协议规定了四种通道类型：session(运行远
程程序)、x11(X 视窗系统，远程服务器运行，在本地
显示)、forwarded-tcpip(远程端口转发)和direct-tcpip
(本地端口转发)。
基本通道操作
所有通道操作都包含以下过程
建立通道
数据传输
关闭通道
不同通道存在细节差异
下图是基本通道操作流程
SSH连接协议基本通道操作
交互式会话通道操作
如利用通道交互式会话操作：
1. SSH_MSG_CHANNEL_OPEN中指定通道类
型为“session”
2. 通道建立后，发送
SSH_MSG_CHANNEL_REQUEST消息进行
各种交互式操作，该消息格式见 图
。如该消息的标志为”TRUE”时需要对
方应答，对方应返回以下消息之一：
SSH_MSG_CHANNEL_SUCCESS
SSH_MSG_CHANNEL_FAILUE
交互式会话通道操作
SSH_MSG_CHANNEL_REQUEST消息格式中的“
请求类型”有以下11种：
1. 伪终端请求：
2. X11请求
3. 发送环境变量
4. 启动shell
5. 启动可执行命令
6. 启动子系统
7. 窗口更改
8. 数据流控制
9. 信号
10. 退出状态
11. 退出信号
转发TCP/IP连接通道操作
1. TCP/IP端口转发原理，用于保护SMTP、IMAP等应用安全
转发TCP/IP连接通道操作
如何使用TCP/IP端口转发功能：
若SSH客户端向服务器转发连接，不必提出请求
若SSH客户端需要服务器将到达其某个端口的连接
转发到本地，则必须使用“全局”请求消息
SSH_MSG_GLOBAL_REQUEST明确提出请求(格
式见 图)，以通告对方接受的IP地址和端
口号；同时使用该消息取消端口转发功能。
SSH应用
SSH的两类应用：
安全的交互式会话或远程执行命令：SSH连接协议已有详
细定义，典型应用有：
SSH文件传输协议SFTP：基于SSH2，是SSH的子系统，启
动过程：
使用SSH_MSG_CHANNEL_OPEN建立通道
使用SSH_MSG_CHANNEL_REQUEST消息请求启动SFTP子
系统
SFTP报文作为SSH传输层报文的数据区进行传输
另两个安全文件传输协议
FTPS：基于SSL的FTP
SSH上的FTP：使用SSH1的TCP/IP端口转发
保护各类应用安全，典型应用：
构建VPN
基于SSH的VPN：使用SSH的TCP/IP端口转发功能构建
VPN，使用该机制，防火墙的访问控制列表ACL可配置成仅
允许目前端口为22的通信量通过。
图 基于SSH的VPN
