主要內容

1. 初見SSH

SSH是一種協議標準，其目的是實現安全遠程登錄以及其它安全網絡服務。

SSH僅僅是一協議標準，其具體的實現有很多，既有開源實現的OpenSSH，也有商業實現方案。使用范圍最廣泛的當然是開源實現OpenSSH。

2. SSH工作原理

在討論SSH的原理和使用前，我們需要分析一個問題：為什么需要SSH？

從1.1節SSH的定義中可以看出，SSH和telnet、ftp等協議主要的區別在于安全性。這就引出下一個問題：如何實現數據的安全呢？首先想到的實現方案肯定是對數據進行加密。加密的方式主要有兩種：

1. 對稱加密（也稱為秘鑰加密）
2. 非對稱加密（也稱公鑰加密）

所謂對稱加密，指加密解密使用同一套秘鑰。如下圖所示：

圖1-1：對稱加密-Client端

圖1-2：對稱加密-Server端

對稱加密的加密強度高，很難破解。但是在實際應用過程中不得不面臨一個棘手的問題：如何安全的保存密鑰呢？尤其是考慮到數量龐大的Client端，很難保證密鑰不被泄露。一旦一個Client端的密鑰被竊據，那么整個系統的安全性也就不復存在。為了解決這個問題，非對稱加密應運而生。非對稱加密有兩個密鑰：“公鑰”和“私鑰”。

兩個密鑰的特性：公鑰加密后的密文，只能通過對應的私鑰進行解密。而通過公鑰推理出私鑰的可能性微乎其微。

下面看下使用非對稱加密方案的登錄流程：

圖1-3：非對稱加密登錄流程

1. 遠程Server收到Client端用戶TopGun的登錄請求，Server把自己的公鑰發給用戶。
2. Client使用這個公鑰，將密碼進行加密。
3. Client將加密的密碼發送給Server端。
4. 遠程Server用自己的私鑰，解密登錄密碼，然后驗證其合法性。
5. 若驗證結果，給Client相應的響應。

私鑰是Server端獨有，這就保證了Client的登錄信息即使在網絡傳輸過程中被竊據，也沒有私鑰進行解密，保證了數據的安全性，這充分利用了非對稱加密的特性。

這樣就一定安全了嗎？

上述流程會有一個問題：Client端如何保證接受到的公鑰就是目標Server端的？，如果一個攻擊者中途攔截Client的登錄請求，向其發送自己的公鑰，Client端用攻擊者的公鑰進行數據加密。攻擊者接收到加密信息后再用自己的私鑰進行解密，不就竊取了Client的登錄信息了嗎？這就是所謂的中間人攻擊

圖1-4：中間人攻擊

SSH中是如何解決這個問題的？

1. 基于口令的認證

從上面的描述可以看出，問題就在于如何對Server的公鑰進行認證？在https中可以通過CA來進行公證，可是SSH的publish key和private key都是自己生成的，沒法公證。只能通過Client端自己對公鑰進行確認。通常在第一次登錄的時候，系統會出現下面提示信息：

The authenticity of host 'ssh-server.example.com (12.18.429.21)' can't be established.
RSA key fingerprint is 98:2e:d7:e0:de:9f:ac:67:28:c2:42:2d:37:16:58:4d.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)? 

上面的信息說的是：無法確認主機ssh-server.example.com（12.18.429.21）的真實性，不過知道它的公鑰指紋，是否繼續連接？

之所以用fingerprint代替key，主要是key過于長（RSA算法生成的公鑰有1024位），很難直接比較。所以，對公鑰進行hash生成一個128位的指紋，這樣就方便比較了。

如果輸入yes后，會出現下面信息：

Warning: Permanently added 'ssh-server.example.com,12.18.429.21' (RSA) to the list of known hosts. 
Password: (enter password) 

該host已被確認，并被追加到文件known_hosts中，然后就需要輸入密碼，之后的流程就按照圖1-3進行。

2.基于公鑰認證

在上面介紹的登錄流程中可以發現，每次登錄都需要輸入密碼，很麻煩。SSH提供了另外一種可以免去輸入密碼過程的登錄方式：公鑰登錄。流程如下：

圖1-5：公鑰認證流程(2018-06更新)

1. Client端用戶TopGun將自己的公鑰存放在Server上，追加在文件authorized_keys中。
2. Server收到登錄請求后，隨機生成一個字符串str1，并發送給Client。
3. Client用自己的私鑰對字符串str1進行加密。
4. 將加密后字符串發送給Server。
5. Server用之前存儲的公鑰進行解密，比較解密后的str2和str1。
6. 根據比較結果，返回客戶端登陸結果。

上述流程有誤，更正如下

1. Client將自己的公鑰存放在Server上，追加在文件authorized_keys中。
2. Server端接收到Client的連接請求后，會在authorized_keys中匹配到Client的公鑰pubKey，并生成隨機數R，用Client的公鑰對該隨機數進行加密得到pubKey(R)
   ，然后將加密后信息發送給Client。
3. Client端通過私鑰進行解密得到隨機數R，然后對隨機數R和本次會話的SessionKey利用MD5生成摘要Digest1，發送給Server端。
4. Server端會也會對R和SessionKey利用同樣摘要算法生成Digest2。
5. Server端會最后比較Digest1和Digest2是否相同，完成認證過程。

在步驟1中，Client將自己的公鑰存放在Server上。需要用戶手動將公鑰copy到server上。這就是在配置ssh的時候進程進行的操作。下圖是GitHub上SSH keys設置視圖：

GitHub中SSH keys設置

3. SSH實踐

生成密鑰操作

經過上面的原理分析，下面三行命令的含義應該很容易理解了：

$ ssh-keygen -t rsa -P '' -f ~/.ssh/id_rsa
$ cat ~/.ssh/id_rsa.pub >> ~/.ssh/authorized_keys
$ chmod 0600 ~/.ssh/authorized_keys

ssh-keygen是用于生產密鑰的工具。

• -t：指定生成密鑰類型（rsa、dsa、ecdsa等）
• -P：指定passphrase，用于確保私鑰的安全
• -f：指定存放密鑰的文件（公鑰文件默認和私鑰同目錄下，不同的是，存放公鑰的文件名需要加上后綴.pub）

首先看下面~/.ssh中的四個文件：

SSH-涉及文件

1. id_rsa：保存私鑰
2. id_rsa.pub：保存公鑰
3. authorized_keys：保存已授權的客戶端公鑰
4. known_hosts：保存已認證的遠程主機ID（關于known_hosts詳情，見文末更新內容）

四個角色的關系如下圖所示：

SSH 結構簡圖

需要注意的是：一臺主機可能既是Client，也是Server。所以會同時擁有authorized_keys和known_hosts。

登錄操作

# 以用戶名user，登錄遠程主機host
$ ssh user@host

# 本地用戶和遠程用戶相同，則用戶名可省去
$ ssh host

# SSH默認端口22，可以用參數p修改端口
$ ssh -p 2017 user@host

4 總結

本文以圖文方式對SSH原理進行解析（主要指遠程登錄，沒有涉及端口轉發等功能）。同時分析了非對稱加密的特性，以及在實踐過程中如何對加密操作進行改進。

5.========== 持續更新 ==========

1. 感謝@李白走天涯、Dargonfly429的指正，圖1.5中認證流程有誤，下面是更正后的流程：

Server端在authorized_keys中匹配到Client的公鑰后，會生成隨機數R，并用Client的公鑰對該隨機數進行加密，然后將加密后信息發送給Client，Client端通過私鑰進行解密得到隨機數R，然后對隨機數R和本次會話的SessionKey利用MD5生成摘要Digest1，發送給Server端。Server端會也會對R和SessionKey利用同樣摘要算法生成Digest2，最后比較Digest1和Digest2是否相同，完成認證過程。

2. 感謝 Michael2397評論，Client端的public key是Client手動Copy到Server端的，SSH建立連接過程中沒有公鑰的交換操作。另外圖1.5還需要添加一點，Server端根據什么信息在authorized_keys中進行查找的呢？主要是根據Client在認證的開始會發送一個KeyID給Server，這個KeyID會唯一對應該Client的一個PublicKey，Server就是通過該KeyID在authorized_keys進行查找對應的PublicKey。

===========2018-08-02 更新================

感謝@風笑天2013指正，下面關于SSH的known_hosts機制做如下更正：

1. known_hosts中存儲的內容是什么？

known_hosts中存儲是已認證的遠程主機host key，每個SSH Server都有一個secret, unique ID, called a host key。

2. host key何時加入known_hosts的？

當我們第一次通過SSH登錄遠程主機的時候，Client端會有如下提示：

Host key not found from the list of known hosts.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)?

此時，如果我們選擇yes，那么該host key就會被加入到Client的known_hosts中，格式如下：

# domain name+encryption algorithm+host key
example.hostname.com ssh-rsa AAAAB4NzaC1yc2EAAAABIwAAAQEA。。。

3. 為什么需要known_hosts？

最后探討下為什么需要known_hosts，這個文件主要是通過Client和Server的雙向認證，從而避免中間人（man-in-the-middle attack）攻擊，每次Client向Server發起連接的時候，不僅僅Server要驗證Client的合法性，Client同樣也需要驗證Server的身份，SSH client就是通過known_hosts中的host key來驗證Server的身份的。

這中方案足夠安全嗎？當然不，比如第一次連接一個未知Server的時候，known_hosts還沒有該Server的host key，這不也可能遭到中間人攻擊嗎？這可能只是安全性和可操作性之間的折中吧。

灰常感謝大家，希望收到更多的評論指正。