综合密码协议学习

最近准备学一下（初步了解）各种协议，因此写了这篇博客，如有出错的地方请轻点喷 XD

基础知识

密码协议，也称安全协议、加密协议

按安全协议定义：
密钥交换协议、认证协议、认证和密钥交换协议。

按安全协议实现的功能：
认证协议、最小泄密协议、不可否认协议、公平性协议、身份识别协议、密钥管理协议。

下面的知识是有关计算机网络的

OSI模型

OSI七层模型是最经典的模型，将通信系统中的数据流分为七层
每一个中间层为其上一层提供功能，其自身功能则由其下一层提供

1. 物理层
2. 数据链路层：Ethernet、MAC等
3. 网络层：IP（IPv4/IPv6）、ICMP等
4. 传输层：TCP、UDP等
5. 会话层：RPC、NetBIOS等
6. 表示层：SSL/TLS、JPEG、UTF-8等
7. 应用层：HTTP、HTTPS、FTP、DNS等

TCP/IP模型

TCP/IP四层模型是实际互联网中比较常用的模型

1. 网络接口层：对应OSI中的物理层+数据链路层
2. 网络层：对应OSI中的网络层
3. 传输层：对应OSI中的传输层
4. 应用层：对应OSI中的应用层+表示层+会话层

IPSec协议族

注：本文只是对IPSec协议族做初步的了解，更深入的部分请移步该部分的参考资料:D
注：工作在OSI模型的第三层（网络层）

IPSec协议不是具体的一个协议，它指的是一组基于网络层的安全通信协议族（应用密码学）
设计思想：将基于密码技术的安全机制引入IP协议（IPv4、IPv6），实现网络层的通信安全

IPSec协议主要分为

1. 认证头（AH）协议，为IP数据报提供无连接数据完整性、消息认证以及防重放攻击保护
2. 封装安全载荷（ESP）协议，提供机密性、数据源认证、无连接完整性、防重放和有限的传输流（traffic-flow）机密性；
3. 因特网密钥交换（称IKE或IKEv2）协议，为AH、ESP操作所需的安全关联SA（Security Association,安全联盟,博客后面会说））提供算法、数据包和密钥参数

IPSec协议的俩个环节：
第一环节：使用IKE完成通信双方的身份鉴别，确定通信时使用的IPSec安全策略和密钥；
第二环节：使用上一环节中协商确定的安全策略和密钥，执行ESP协议，开始通信数据的安全传输。

借用一下大佬的图（来自https://zhuanlan.zhihu.com/p/488141423）：

IPSec协议的俩种模式：

• 传输模式：用于端到端应用场景。不改动IP头，只保护IP载荷；
• 隧道模式：经常用于私网与私网之间通过公网进行通信，建立安全VPN通道(Virtual Private Network,虚拟专用网)。对整个IP报文(包括原先的IP头、IP载荷)提供加密和认证，添加新的IP头。

原始 IP 包：
[ IP头 ][ Data ]  

传输模式：    
[ IP头 ][ IPSec ][ Data ]  

隧道模式：  
[ 新IP头 ][ IPSec ][ 旧IP头 ][ Data ]  

• IPSec：AH 或 ESP 安全头
• Data：数据载荷

AH协议

知识点：

1. AH协议提供数据源身份鉴别、完整性和抗重放攻击等安全功能；
2. AH协议不提供保密性服务，即不执行加密操作；
3. GM/T 0022-2014《IPSec VPN技术规范》中规定：AH应与ESP嵌套使用，不得单独使用；
4. 作用：为整个IP数据报文(包括IP头和IP载荷)提供完整性校验，检测数据包是否被篡改；
5. AH使用MAC(通常为HMAC)检测篡改，密钥来自IKE协定的用于完整性校验的会话密钥；
6. AH分配到的协议号是51。即使用AH协议进行安全保护的IPv4数据报文的IP头部中协议字段将是51，表明IP头之后是一个AH头。
7. AH 在传输模式和隧道模式下都提供完整性保护与数据源认证，但因封装位置不同，其具体保护范围并不完全相同，且均不包括 IP 头中的可变字段。

原始 IP 包：
[ IP头 ][ Data ]

传输模式：
[ IP头 ][ AH ][ Data ]
       <--- 受保护 --->

隧道模式：
[ 新IP头 ][ AH ][ 原IP头 ][ Data ]
          <------- 受保护 ------>

ESP协议

1. ESP提供对数据报文加密功能；
2. GM/T 0022-2014《IPSec VPN技术规范》中规定：ESP 可以被单独使用，也可以与AH结合使用；
3. 当ESP被单独使用时，GM/T 0022-2014 中规定必须同时提供保密性和数据源身份鉴别服务。单独使用 ESP 时可以支持 NAT(网络地址转换)；
4. 当 ESP 与 AH 结合使用时，GM/T 0022-2014中规定 ESP 不提供数据源身份鉴别服务，而由 AH 提供数据源身份鉴别；
5. ESP在传输模式和隧道模式中有不同的放置位置，保护的范围不同。
6. ESP之前的IP头中的协议字段将是50，以表明IP头之后是一个ESP头，ESP不仅具备ESP头，还有一个包含有用信息的ESP尾。

ESP传输模式：

				  |<---------- 加密 ---------->|
[ 原IP头 ][ ESP头 ][ 上层协议头 ][ Data ][ ESP尾 ][ ESP认证数据 ]
           |<-------------- 认证 ------------->|
                    

ESP隧道模式：

					  |<-------------- 加密 --------------->|
[ 新IP头 ][ ESP头 ][ 原IP头 ][ 上层协议头 ][ Data ][ ESP尾 ][ ESP认证数据 ]
          |<------------------ 认证 -------------------->|
                         

传输模式：为ESP头后的载荷提供保密性，为原IP头后的内容提供认证保护。
隧道模式：为整个原IP报文提供保密性，为新建IP头后的内容提供认证保护。

AH + ESP模式图

AH + ESP 传输模式：
[ IP头 ][ AH ][ ESP头 ][ 上层协议头 ][ Data ][ ESP尾 ][ ESP认证数据 ]
  AH认证: [ IP头中不可变字段 + AH后内容 ]
  ESP认证: [ ESP头 + 上层协议头 + Data + ESP尾 ]
  ESP加密: [ 上层协议头 + Data + ESP尾 ]

AH + ESP 隧道模式：
[ 新IP头 ][ AH ][ ESP头 ][ 原IP头 ][ 上层协议头 ][ Data ][ ESP尾 ][ ESP认证数据 ]
  AH认证: [ 新外层IP头中不可变字段 + AH后内容 ]
  ESP认证: [ ESP头 + 原IP头 + 上层协议头 + Data + ESP尾 ]
  ESP加密: [ 原IP头 + 上层协议头 + Data + ESP尾 ]

SA（Security Association，安全联盟）

1. SA 是通信双方经协商建立的一种约定，规定了双方如何使用 IPsec 保护数据，内容包括：数据封装格式、IPsec 工作模式（传输模式 / 隧道模式）、加密与认证算法、密钥、SA 生存周期等

2. 单向性：AH 和 ESP 都使用 SA，且 SA 是单向的——一个 SA 只能为单一方向上传输的数据提供安全服务。因此：

• 若双向通信只使用一种协议（如只用 ESP），至少需要建立 2 个 SA（入站 1 个 + 出站 1 个）
• 若同时使用 AH 和 ESP 两种协议，则需要 4 个 SA（AH 入/出各 1 个，ESP 入/出各 1 个）

3. 单一服务：每个 SA 只对应 一种 安全协议（AH 或 ESP，二者是相互独立的服务）。如果既要加密又要认证，就必须分别为 AH 和 ESP 各建一个 SA，不能用一个 SA 同时承载两种协议。

4. 通过不同的 SA，IPsec 可以为不同的数据流提供不同的安全策略（比如不同流量使用不同的算法或密钥）

5. 一个 SA 由三元组唯一确定：

要素	说明
SPI（Security Parameter Index，安全参数索引）	32 比特数值，用于在同一目的地址和协议下唯一区分不同的 SA，会随 IPsec 报文一起传输
目的 IP 地址	标识 SA 所属的通信目的端
安全协议号（AH 或 ESP）	标识该 SA 使用的安全协议

ISAKMP协议

在学习IKE协议前，我们要先了解一下ISAKMP协议（安全连接和密钥管理协议）。

1. ISAKMP协议是一种用于安全密钥协商和管理的协议。它是IPSec协议套件中的一部分，用于确保网络通信的机密性、完整性和可用性。
2. 虽然ISAKMP从名字的定义上看是协议，但从功能上看它更像一个框架。RFC 2408 中定义，它提供了一个架构来进行授权与密钥交换（如下个点要讲的IKE协议），主要被设计来作为密钥交换之用。
3. 从宏观上来看，ISAKMP主要做了三件事情：
   • SA协商：为了在通信双方间协商出一组双方都认可的安全参数。比如两端采用相同的加密算法和完整性算法。
   • 密钥交换：为已经协商好的算法生成必要的密钥信息。
   • 身份认证：鉴别对方的身份，保证自己不是在跟一个伪造的对象通信。
4. 一旦安全关联建立，ISAKMP协议还负责维护和管理已建立的安全关联。它确保关联的有效性和更新，以适应网络环境的变化。

IKE协议

参考资料

[1] 知乎. IPSec协议详解[EB/OL].
https://zhuanlan.zhihu.com/p/488141423.
[2] NEUChords. IPSec协议原理与分析[EB/OL].
https://blog.csdn.net/NEUChords/article/details/92968314.
[3] CSDN. IPSec与IKE协议相关介绍[EB/OL].
https://blog.csdn.net/qq_32044265/article/details/128106213.
[4] 聚合数据. 什么是ISAKMP协议 ISAKMP协议的作用 ISAKMP协商过程[EB/OL].
https://www.juhe.cn/news/index/id/8198.
[5] Wikipedia. IPsec[EB/OL].
https://zh.wikipedia.org/wiki/IPsec.
[6] Wikipedia. 互联网密钥交换（Internet Key Exchange, IKE）[EB/OL].
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B6%B2%E9%9A%9B%E7%B6%B2%E8%B7%AF%E9%87%91%E9%91%B0%E4%BA%A4%E6%8F%9B.
[7] Wikipedia. 网络安全关联与密钥管理协议（Security Association and Key Management Protocol）[EB/OL].
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B6%B2%E8%B7%AF%E5%AE%89%E5%85%A8%E9%97%9C%E8%81%AF%E8%88%87%E9%87%91%E9%91%B0%E7%AE%A1%E7%90%86%E5%8D%94%E5%AE%9A.

IPsec ISAKMP协议-CSDN博客

TLS

注：TLS 工作在传输层之上（OSI模型的表示层），为上层应用提供机密性、完整性与身份鉴别，是 HTTPS 的安全底座。本部分持续更新中，先从流量分析里最常用的 keylog 文件说起，握手与密钥调度以后慢慢补 XD

NSS Key Log Format

解密 TLS 流量的那把”钥匙”

NSS Key Log Format 最早由 Mozilla 的密码库 NSS 定义，如今是解密 TLS 流量的事实标准（de facto standard）——它并非任何 RFC 规定的官方协议，却几乎被整个生态采用。
格式本身非常简单：纯文本，每行三个空格分隔的字段 <标签> <ClientRandom> <密钥>。

• 标签表明这是 TLS 密钥调度中派生出的哪一把 secret，如解密握手消息的 CLIENT/SERVER_HANDSHAKE_TRAFFIC_SECRET、解密应用数据的 CLIENT/SERVER_TRAFFIC_SECRET_0；
• ClientRandom 是该会话 ClientHello 里的 32 字节随机数，相当于”会话身份证”，分析工具靠它把密钥匹配到 pcap 里的具体连接；
• 最后一个字段才是真正的密钥材料（hex 编码的 HKDF 输出，TLS 1.3 下为 48 字节，对应 SHA-384）。
• 一个文件里可以同时存在多场会话的密钥，全靠 ClientRandom 区分。

这个文件的珍贵之处在于：TLS 1.3 强制 (EC)DHE 前向保密，即使拿到服务器 RSA 私钥也推不出会话密钥，keylog 是解密流量的唯一入口。

示例：

CLIENT_HANDSHAKE_TRAFFIC_SECRET 210cb7af9f5d...42f663c6 f985875a9330...0a07f17
SERVER_HANDSHAKE_TRAFFIC_SECRET 210cb7af9f5d...42f663c6 654148cc554d...2887d7

参考资料

[1] IETF. RFC 8446: The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.3[EB/OL].
https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8446.
[2] Mozilla. NSS Key Log Format[EB/OL].
https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Mozilla/Projects/NSS/Key_Log_Format.
[3] Wireshark Wiki. TLS[EB/OL].
https://wiki.wireshark.org/TLS.