SSH安全协议介绍

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SSH（Secure Shell，安全外壳）是一种网络安全协议，通过加密和认证机制实现安全的访问和文件传输等业务。传统远程登录和文件传输方式，例如Telnet、FTP，使用明文传输数据，存在很多的安全隐患。随着人们对网络安全的重视，这些方式已经慢慢不被接受。SSH协议通过对网络数据进行加密和验证，在不安全的网络环境中提供了安全的网络服务。作为Telnet和其他不安全远程shell协议的安全替代方案，目前SSH协议已经被全世界广泛使用，大多数设备都支持SSH功能。

为什么需要SSH？

传统的互联网通信使用明文传输数据，内容一旦被截获就会完全暴露，存在很多安全隐患。SSH协议通过对网络数据进行加密和验证，建立SSH客户端和SSH服务器之间的安全隧道，在不安全的网络环境中为网络服务提供了安全的传输通道。

SSH最常用的场景是远程登录和文件传输。在SSH协议出现之前，Telnet广泛应用于远程登录场景，为远程管理网络设备提供了极大便利，而FTP作为常用的文件传输协议，兼具操作简单和传输效率高的优点，但它们都存在相同的问题，即明文传输数据带来的安全隐患。SSH采用加密传输数据、提升认证强度等手段，克服了Telnet和FTP应用中的安全性问题，实现了安全的远程登录和文件传输业务。

SSH常用场景

SSH是如何工作的？

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。

SSH工作流程

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。

SSH密钥交换

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=(G^b)%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=(G^a)%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=(x^b)%P，SSH客户端计算得到对称密钥K=(y^a)%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。

SSH密码认证登录流程

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。