NodeJS Https HSM雙向認證明現

Intro

工做中須要創建一套HSM的HTTPS雙向認證通道，即經過硬件加密機（Ukey）進行本地加密運算的HTTPS雙向認證，和銀行的UKEY認證相似。

NodeJS能夠利用openSSL的HSM plugin方式實現，可是須要編譯C++，太麻煩，做者採用了利用Node Socket接口，純JS自行實現Https/Http協議的方式實現

具體實現能夠參考以下node-https-hsm

TLS規範天然是參考RFC文檔The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.2

概述

本次TLS雙向認證支持如下加密套件(*爲建議使用套件):

• TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256(TLS v1.2) *
• TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256(TLS v1.2) *
• TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA(TLS v1.1)
• TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA(TLS v1.1)

四種加密套件流程徹底一致，只是部分算法細節與報文略有差別，體如今

• AES_128/AES_256的會話AES密鑰長度分別爲16/32字節。
• TLS 1.1 在計算finish報文數據時，進行的是MD5 + SHA1的HASH算法，而在TLS v1.2下，HASH算法變成了單次SHA256。
• TLS 1.1 處理finish報文時的僞隨機算法(PRF)須要將種子數據爲分兩塊，分別用 MD5 / SHA1 取HASH後異或，TLS 1.2 爲單次 SHA256。
• TLS 1.2 的 CertificateVerify / ServerKeyExchange 報文末尾新增2個字節的 Signature Hash Algorithm，表示 hash_alg 和 sign_alg。

目前業界推薦使用TLS v1.2， TLS v1.1不建議使用。

流程圖

如下爲 TLS 完整握手流程圖

* =======================FULL HANDSHAKE======================
 * Client                                               Server
 *
 * ClientHello                  -------->
 *                                                 ServerHello
 *                                                 Certificate
 *                                          CertificateRequest
 *                              <--------      ServerHelloDone
 * Certificate
 * ClientKeyExchange
 * CertificateVerify
 * Finished                     -------->
 *                                          change_cipher_spec
 *                              <--------             Finished
 * Application Data             <------->     Application Data
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流程詳解

客戶端發起握手請求

TLS握手始於客戶端發起 ClientHello 請求。

struct {
    uint32 gmt_unix_time; // UNIX 32-bit format, UTC時間
    opaque random_bytes[28]; // 28位長度隨機數
} Random; //隨機數

struct {
    ProtocolVersion client_version; // 支持的最高版本的TLS版本
    Random random; // 上述隨機數
    SessionID session_id; // 會話ID，新會話爲空
    CipherSuite cipher_suites<2..2^16-2>; // 客戶端支持的全部加密套件，上述四種
    CompressionMethod compression_methods<1..2^8-1>; // 壓縮算法
    select (extensions_present) { // 額外插件，爲空
        case false:
            struct {};
        case true:
            Extension extensions<0..2^16-1>;
    };
} ClientHello; // 客戶端發送支持的TLS版本、客戶端隨機數、支持的加密套件等信息
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服務器端迴應客戶端握手請求

服務器端收到 ClientHello 後，若是支持客戶端的TLS版本和算法要求，則返回 ServerHello, Certificate, CertificateRequest, ServerHelloDone 報文

struct {
    ProtocolVersion server_version; // 服務端最後決定使用的TLS版本
    Random random; // 與客戶端隨機數算法相同，可是必須是獨立生成，與客戶端毫無關聯
    SessionID session_id; // 肯定的會話ID
    CipherSuite cipher_suite; // 最終決定的加密套件
    CompressionMethod compression_method; // 最終使用的壓縮算法
    select (extensions_present) { // 額外插件，爲空
        case false:
            struct {};
        case true:
            Extension extensions<0..2^16-1>;
    };
} ServerHello; // 服務器端返回最終決定的TLS版本，算法，會話ID和服務器隨機數等信息

struct {
    ASN.1Cert certificate_list<0..2^24-1>; // 服務器證書信息
} Certificate; // 向客戶端發送服務器證書

struct {
    ClientCertificateType certificate_types<1..2^8-1>; // 證書類型，本次握手爲 值固定爲rsa_sign 
    SignatureAndHashAlgorithm supported_signature_algorithms<2^16-1>; // 支持的HASH 簽名算法
    DistinguishedName certificate_authorities<0..2^16-1>; // 服務器能承認的CA證書的Subject列表
} CertificateRequest; // 本次握手爲雙向認證，此報文表示請求客戶端發送客戶端證書

struct {

} ServerHelloDone // 標記服務器數據末尾，無內容
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客戶端收到服務器後響應

客戶端應校驗服務器端證書，一般用當用本地存儲的可信任CA證書校驗，若是校驗經過，客戶端將返回 Certificate, ClientKeyExchange, CertificateVerify, change_cipher_spec, Finished 報文。

CertificateVerify 報文中的簽名爲Ukey硬件簽名, 此外客戶端證書也是從Ukey讀取。

struct {
    ASN.1Cert certificate_list<0..2^24-1>; // 服務器證書信息
} Certificate; // 向服務器端發送客戶端證書

struct {
    select (KeyExchangeAlgorithm) {
        case rsa:
            EncryptedPreMasterSecret; // 服務器採用RSA算法，用服務器端證書的公鑰，加密客戶端生成的46字節隨機數（premaster secret）
        case dhe_dss:
        case dhe_rsa:
        case dh_dss:
        case dh_rsa:
        case dh_anon:
            ClientDiffieHellmanPublic;
    } exchange_keys;
} ClientKeyExchange; // 用於返回加密的客戶端生成的隨機密鑰（premaster secret）

struct {
    digitally-signed struct {
        opaque handshake_messages[handshake_messages_length]; // 採用客戶端RSA私鑰，對以前全部的握手報文數據，HASH後進行RSA簽名
    }
} CertificateVerify; // 用於服務器端校驗客戶端對客戶端證書的全部權

struct {
    enum { change_cipher_spec(1), (255) } type; // 固定值0x01
} ChangeCipherSpec; // 通知服務器後續報文爲密文

struct {
    opaque verify_data[verify_data_length];  // 校驗密文，算法PRF(master_secret, 'client finished', Hash(handshake_messages))
} Finished; // 密文信息，計算以前全部收到和發送的信息(handshake_messages)的摘要，加上`client finished`, 執行PRF算法
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Finished 報文生成過程當中，將產生會話密鑰 master secret，而後生成Finish報文內容。

master_secret = PRF(pre_master_secret, "master secret", ClientHello.random + ServerHello.random)
verify_data = PRF(master_secret, 'client finished', Hash(handshake_messages))
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PRF爲TLS v1.2規定的僞隨機算法, 此例子中，HMAC算法爲 SHA256

PRF(secret, label, seed) = P_<hash>(secret, label + seed)

P_hash(secret, seed) = HMAC_hash(secret, A(1) + seed) +
                        HMAC_hash(secret, A(2) + seed) +
                        HMAC_hash(secret, A(3) + seed) + ...
// A(0) = seed
// A(i) = HMAC_hash(secret, A(i-1))
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服務器完成握手

服務收到請求後，首先校驗客戶端證書的合法性，而且驗證客戶端證書籤名是否合法。根據服務器端證書私鑰，解密 ClientKeyExchange，得到pre_master_secret, 用相同的PRF算法便可獲取會話密鑰，校驗客戶端 Finish 信息是否正確。若是正確，則服務器端與客戶端完成密鑰交換。 返回 change_cipher_spec, Finished 報文。

struct {
    enum { change_cipher_spec(1), (255) } type; // 固定值0x01
} ChangeCipherSpec; // 通知服務器後續報文爲密文

struct {
    opaque verify_data[verify_data_length];  // 校驗密文，算法PRF(master_secret, 'server finished', Hash(handshake_messages))
} Finished; // 密文信息，計算以前全部收到和發送的信息(handshake_messages)的摘要，加上`server finished`, 執行PRF算法
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客戶端會話開始

客戶端校驗服務器的Finished報文合法後，握手完成，後續用 master_secret 發送數據。