详解NodeJS Https HSM双向认证实现

工作中需要建立一套hsm的https双向认证通道，即通过硬件加密机（ukey）进行本地加密运算的https双向认证，和银行的ukey认证类似。

nodejs可以利用openssl的hsm plugin方式实现，但是需要编译c++，太麻烦，作者采用了利用node socket接口，纯js自行实现https/http协议的方式实现

具体实现可以参考如下

tls规范自然是参考rfc文档 the transport layer security (tls) protocol version 1.2

概述

本次tls双向认证支持以下加密套件(*为建议使用套件):

• 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)

四种加密套件流程完全一致，只是部分算法细节与报文略有差异，体现在

• aes_128/aes_256的会话aes密钥长度分别为16/32字节。
• tls 1.1 在计算finish报文数据时，进行的是md5 + sha1的hash算法，而在tls v1.2下，hash算法变成了单次sha256。
• tls 1.1 处理finish报文时的伪随机算法(prf)需要将种子数据为分两块，分别用 md5 / sha1 取hash后异或，tls 1.2 为单次 sha256。
• tls 1.2 的 certificateverify / serverkeyexchange 报文末尾新增2个字节的 signature hash algorithm，表示 hash_alg 和 sign_alg。

目前业界推荐使用tls v1.2， tls v1.1不建议使用。

流程图

以下为 tls 完整握手流程图

* =======================full handshake======================
 * client                        server
 *
 * clienthello         -------->
 *                         serverhello
 *                         certificate
 *                     certificaterequest
 *               <--------   serverhellodone
 * certificate
 * clientkeyexchange
 * certificateverify
 * finished           -------->
 *                     change_cipher_spec
 *               <--------       finished
 * application data       <------->   application data

流程详解

客户端发起握手请求

tls握手始于客户端发起 clienthello 请求。

struct {
  uint32 gmt_unix_time; // unix 32-bit format, utc时间
  opaque random_bytes[28]; // 28位长度随机数
} random; //随机数

struct {
  protocolversion client_version; // 支持的最高版本的tls版本
  random random; // 上述随机数
  sessionid session_id; // 会话id，新会话为空
  ciphersuite cipher_suites<2..2^16-2>; // 客户端支持的所有加密套件，上述四种
  compressionmethod compression_methods<1..2^8-1>; // 压缩算法
  select (extensions_present) { // 额外插件，为空
    case false:
      struct {};
    case true:
      extension extensions<0..2^16-1>;
  };
} clienthello; // 客户端发送支持的tls版本、客户端随机数、支持的加密套件等信息

服务器端回应客户端握手请求

服务器端收到 clienthello 后，如果支持客户端的tls版本和算法要求，则返回 serverhello, certificate, certificaterequest, serverhellodone 报文

struct {
  protocolversion server_version; // 服务端最后决定使用的tls版本
  random random; // 与客户端随机数算法相同，但是必须是独立生成，与客户端毫无关联
  sessionid session_id; // 确定的会话id
  ciphersuite cipher_suite; // 最终决定的加密套件
  compressionmethod compression_method; // 最终使用的压缩算法
  select (extensions_present) { // 额外插件，为空
    case false:
      struct {};
    case true:
      extension extensions<0..2^16-1>;
  };
} serverhello; // 服务器端返回最终决定的tls版本，算法，会话id和服务器随机数等信息

struct {
  asn.1cert certificate_list<0..2^24-1>; // 服务器证书信息
} certificate; // 向客户端发送服务器证书

struct {
  clientcertificatetype certificate_types<1..2^8-1>; // 证书类型，本次握手为 值固定为rsa_sign 
  signatureandhashalgorithm supported_signature_algorithms<2^16-1>; // 支持的hash 签名算法
  distinguishedname certificate_authorities<0..2^16-1>; // 服务器能认可的ca证书的subject列表
} certificaterequest; // 本次握手为双向认证，此报文表示请求客户端发送客户端证书

struct {

} serverhellodone // 标记服务器数据末尾，无内容

客户端收到服务器后响应

客户端应校验服务器端证书，通常用当用本地存储的可信任ca证书校验，如果校验通过，客户端将返回 certificate, clientkeyexchange, certificateverify, change_cipher_spec, finished 报文。

certificateverify 报文中的签名为 ukey硬件签名 , 此外客户端证书也是从ukey读取。

struct {
  asn.1cert certificate_list<0..2^24-1>; // 服务器证书信息
} certificate; // 向服务器端发送客户端证书

struct {
  select (keyexchangealgorithm) {
    case rsa:
      encryptedpremastersecret; // 服务器采用rsa算法，用服务器端证书的公钥，加密客户端生成的46字节随机数（premaster secret）
    case dhe_dss:
    case dhe_rsa:
    case dh_dss:
    case dh_rsa:
    case dh_anon:
      clientdiffiehellmanpublic;
  } exchange_keys;
} clientkeyexchange; // 用于返回加密的客户端生成的随机密钥（premaster secret）

struct {
  digitally-signed struct {
    opaque handshake_messages[handshake_messages_length]; // 采用客户端rsa私钥，对之前所有的握手报文数据，hash后进行rsa签名
  }
} certificateverify; // 用于服务器端校验客户端对客户端证书的所有权

struct {
  enum { change_cipher_spec(1), (255) } type; // 固定值0x01
} changecipherspec; // 通知服务器后续报文为密文

struct {
  opaque verify_data[verify_data_length]; // 校验密文，算法prf(master_secret, 'client finished', hash(handshake_messages))
} finished; // 密文信息，计算之前所有收到和发送的信息(handshake_messages)的摘要，加上`client finished`, 执行prf算法

finished 报文生成过程中，将产生会话密钥 master secret，然后生成finish报文内容。

master_secret = prf(pre_master_secret, "master secret", clienthello.random + serverhello.random)
verify_data = prf(master_secret, 'client finished', hash(handshake_messages))

prf为tls v1.2规定的伪随机算法, 此例子中，hmac算法为 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))

服务器完成握手

服务收到请求后，首先校验客户端证书的合法性，并且验证客户端证书签名是否合法。根据服务器端证书私钥，解密 clientkeyexchange，获得pre_master_secret, 用相同的prf算法即可获取会话密钥，校验客户端 finish 信息是否正确。如果正确，则服务器端与客户端完成密钥交换。 返回 change_cipher_spec, finished 报文。

struct {
  enum { change_cipher_spec(1), (255) } type; // 固定值0x01
} changecipherspec; // 通知服务器后续报文为密文

struct {
  opaque verify_data[verify_data_length]; // 校验密文，算法prf(master_secret, 'server finished', hash(handshake_messages))
} finished; // 密文信息，计算之前所有收到和发送的信息(handshake_messages)的摘要，加上`server finished`, 执行prf算法

客户端会话开始

客户端校验服务器的finished报文合法后，握手完成，后续用 master_secret 发送数据。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。