针对2种SSL协议攻击方法的解决方案

吴国凤， 王芳芳， 张 岩

（1.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009；2.安徽高新学院 计算机系，安徽 合肥 230001）

SSL协议［1］是由Netscape公司于1994年开发公布的，是一个保证数据安全传输的安全协议，保证使用TCP／IP协议的通信应用程序间的隐秘性和完整性。随着信息技术的发展，日常生活中的诸多活动都转移到网络上进行，例如电子商务、网上银行等，涉及密码的保护、信息的篡改等安全问题［2］。SSL协议在客户端与服务器端建立一条安全通道。不仅保证了信息的安全传输，又用对称加密算法取代非对称加密算法，提高了传输效率，还进行了服务器端与客户端的相互身份认证。

然而SSL协议在应用中还是遇到很多安全问题。本文主要介绍SSL Sniffing攻击和SSL Stripping攻击，对这2种基于中间人攻击的方法做出详细分析，同时提出了解决方案。

1 SSL协议

SSL协议主要分为2层，分别为SSL握手协议和SSL记录协议。

1.1 SSL握手协议

SSL握手协议是在实际数据传输之前的必要步骤，进行通信双方的身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。工作过程的具体描述如下（以下客户端标识为Client，服务器端标识为Server）。

（1）Client发起连接请求。Client向Server发送ClientHello消息发起SSL握手请求，发送的消息中包含客户端所支持的加密算法、压缩方法以及用于生成主密钥的随机数ClientRandom。

（2）Server响应Client的ClientHello消息，发送一个ServerHello消息。消息中包含所选择的加密算法、压缩算法以及另外一个用于生成主密钥的随机数ServerRandom。同时Server向Client发送自己所持有的可信第三方颁发的证书，用于验证服务器的身份。

（3）Client对接收到的证书进行可靠性验证，包括颁发机构、有效日期等，若确定为可信，则继续握手，否则放弃握手。

（4）Client与Server分别向对方发送KeyExchange消息，交换预主密钥。

（5）Server向Client发送Finished消息，表示握手消息全部完成。

上述握手消息的第4步之后，若Server请求对Client进行身份认证，则Client也必须向Server发送所持有的可信第三方颁发的证书。

1.2 SSL记录协议

记录协议建立在TCP／IP协议之上，为数据传输提供数据加密和数据压缩等功能。在握手协议中，双方完成预主密钥的交换之后，Client和Server分别利用随机数值和预主密钥独立计算出对称密钥和MAC密钥，用MAC算法保证数据的完整性，用握手协议中选择的加密算法和计算出来的加密密钥保证机密性。

1.3 Diffie－Hellman算法

Diffie－Hellman算法即 D－H 算法［3］，其安全性取决于离散对数的计算困难。算法主要用于密钥的分发，而不是加密解密。在SSL协议中客户端与服务器端同步一个会话密钥。D－H密钥协商过程如下。

（1）Client和Server共享大素数p和g，其中g是p的原根。

（2）Client选择一个随机整数XC，计算YC＝g∧XCmod p，同时将YC发送给Server。

（3）Server选择一个随机整数XS，计算YS＝g∧XSmod p，同时将YS发送给Client。

（4）Client计算会话密钥KC＝YS∧XCmod p。

（5）Server计算会话密钥KS＝YC∧XSmod p。计算：

即KC＝KS。

其中，g和p公开；YC和YS在网络中明文传输；XC为Client的密钥；XS为Server的密钥。由于离散对数的计算难度，在已知g、p、YC和YS的情况下，几乎是不可能求出XC和XS，所以D－H算法在Client和Server之间安全地完成了密钥交换［4］，计算出会话密钥。

2 SSL安全攻击

SSL协议保证数据的安全传输，但从SSL协议开始使用以来，就有对SSL协议各式各样的攻击，包括对SSL协议本身和对SSL协议应用的攻击。本文主要介绍针对浏览器漏洞的中间人攻击［5］，即 SSL Sniffing攻击和 SSL Stripping攻击。

2.1 SSL Sniffing攻击

SSL Sniffing攻击解释为伪装攻击［6］，是针对浏览器漏洞的攻击。现流行的浏览器都存在对证书基本约束验证的漏洞，SSL Sniffing攻击就是利用了这个薄弱环节。证书的基本约束指明了证书链的最大允许长度，以及此证书是一个证书颁发机构还是一个终端实体证书。拥有一个有效的终端实体证书的攻击者，可以利用浏览器的这个漏洞，发布一个从属证书，虽然这个证书不是由可信的证书颁发机构颁发，但是也能通过验证，所以形成了欺骗身份的有效攻击。

SSL Sniffing攻击利用一个ARP欺骗形成一个中间人攻击，客户端（浏览器）与服务器端的直接通信就都会通过攻击者，如图1所示。

图1 SSL Sniffing攻击

Attacker利用对证书基本约束验证的漏洞，通过Client的身份认证，获得了Client的信任［7］。SSL Sniffing攻击利用D－H算法p和g公开，且YC和YS可以被中间人截获的缺陷发起攻击。由于存在中间人攻击，YC和YS都不能顺利到达指定接收人，而被 Attacker截获。Client和 Attacker利用YC和YA计算出会话密钥K1，而Server和Attacker利用YS和YA计算出会话密钥K2。对于Client和Server都认为是不存在中间人攻击的安全连接，然而中间人可以透明地截获所有安全信息。

2.2 SSL Stripping攻击

通常客户端不会使用安全的连接打开会话，只有在需要传输敏感数据时，才会使用安全的SSL连接。SSL Sniffing是针对SSL协议的应用发起的攻击。

SSL Stripping攻击是在客户端与服务器端利用ARP欺骗等技术进行一个中间人攻击［7－8］，如图2所示。

图2 SSL Stripping攻击

客户端在浏览器中输入简单易记的链接地址，如 www.security.com，当连接上之后，发现地 址 栏 中 的 地 址 为 https：／／www.security.com／..／..／index.jsp。如图2所示，对于用户来说，通常在地址栏中输入简短的地址，而不是www.security.com／..／..／index.jsp 这 个 完 整的地址。攻击者从HTTP请求消息和响应消息开始发起攻击。当服务器返回给客户端一个重定向 地 址 https：／／www.security.com／..／..／index.jsp，从地址中的https可以看出，服务器要求客户端建立一个安全的SSL连接，但仅仅是在攻击者和服务器端建立了一个安全的连接，而攻击者将重定向地址修改为http：／／www.security.com／..／..／index.jsp，浏览器则根据这个地址与攻击者建立一个普通的http连接，所有的安全信息对Attacker都是可视未加密的。

3 解决方案

上述2种攻击方式都是针对浏览器漏洞进行的攻击。在SSL Sniffing中，由于D－H算法中的参数p和g公开，中间人能根据相同的p和g分别与客户端和服务器端建立不同的安全连接，导致不同步；在SSL Stripping中，由于客户通常在浏览器中只输入简单易记的网址，而浏览器则根据服务器的响应做永久转移（http 301状态）或者暂时转移（http 302状态），所以中间人能修改跳转地址，导致不同步。

3.1 SSL Sniffing攻击解决方案

为完成密钥交换，必须在客户端和服务器端同步2个必要参数p和g。在SSL协议中，p和g是在相互进行身份认证的过程中明文传输，对整个网络公开。引入可信第三方，由第三方在客户端和服务器端同步p和g，以达到p和g只有客户端和服务器端所有。同时，在客户端和服务器端同步一个用于生成CRC校验码的生成多项式g（x）。建立模型如图3所示，其中电信运营商为可信第三方，具体步骤如下。

图3 SSL Sniffing解决方案

（2）Org→Client，Org→Server，p‖g‖g（x）。Org分别用Client和Server的公钥在双方同步p、g和g（x）。当电信运营商接收到Client的会话请求后，便分别向Client和Server端发送p、g和g（x），并且用Client和Server的公钥加密传输，保证p、g和g（x）只由通信双方所有，攻击 者 无 法 获 取，即，其中，和分别为Client和Server的公钥。

（5）Client接收到Server的预主密钥，利用g（x）验证有效性，若用g（x）除YS‖ R（YS），余数不为0，则断定出错或存在攻击，不进行下一步的连接。验证通过，利用（3）式计算会话密钥K：

（6）Server接收到Client的预主密钥，同样利用g（x）验证有效性，若用g（x）除YC‖R（YC），余数不为0，则断定出错或存在攻击，不进行下一步的连接。验证通过，利用（4）式计算会话密钥：

至此整个解决方案完成。若通过身份验证，则交换密钥，在客户端和服务器端计算出同样的一个会话密钥K，用于记录协议中的信息加密解密。SSL Sniffing攻击就是利用网络上公开的p和g分别与Client和Sever建立一条安全连接，改进后的通信过程同样由Client端发起，但与Server建立SSL安全连接之前，Client首先将能识别Client和Server的ID发送给可信第三方Org，由Org同步p和g。同时同步一个g（x），判断预主密钥是否是对方发送的预主密钥。p和g是Client和Server私有，可以对预主密钥进行验证。Attacker进行中间人攻击之后，不能与Client和Server进行密钥交换，不能计算出相同的密钥，因而不能形成攻击。

3.2 SSL Stripping攻击解决方案

为预防SSL Stripping攻击，引入数字签名技术和还原重定向地址的思想。

数字签名技术主要应用在服务器端。服务器端响应HTTP请求消息返回响应消息时，对响应消息中的重定向地址部分用私钥进行数字签名，然后将原重定向地址与签名结果连接后发送给客户端。还原重定向地址主要应用在客户端。客户端用服务器端的公钥对该重定向地址进行验证，若验证不通过，对HTTP响应码做判断，若是302重定向，则断定为存在中间人攻击，还原重定向地址，否则断定为出现差错或者其他类型攻击，直接断开连接。建立模型如图4所示。

图4 SSL Stripping解决方案

首先客户端进行数字签名的认证，其次才是重定向类型的判断。返回值若为TRUE，表示HTTP响应消息中的响应码是302，随即采取还原重定向地址机制，否则就断开连接。具体步骤如下。

（2）Client接收到Redirect响应消息，首先对该消息进行数字签名的认证，即利用Server的公钥对字段进行解密：

若解密后的字段与RedirectLocation字段能够匹配，则判定通过数字签名的验证，继续进行相关连接，否则数字签名验证不能通过，判断是否需要还原重定向地址。

（3）根据步骤（2）中数字签名的结果，若不能通过数字签名的验证，利用BHO插件对重定向地址类型进行判断，若响应消息中的响应码为302，还原重定向地址，同时与服务器端建立安全的SSL连接。

解决方案中客户端对重定向地址的判断及修改利用的是BHO插件技术，BHO（Browser Helper Object）即浏览器辅助对象。BHO是实现了特定接口的COM组件，可以开发自定义功能的浏览器插件。编写代码使得BHO插件在注册表中注册完成，浏览器会根据注册表中的插件信息创建实例，执行插件的相关功能。在浏览器的工作过程中，BHO会接收到浏览器的各种事件，如浏览新地址、前进后退、生成新窗口等等。BHO可以在这些事件的响应中实现与浏览器的交互。

在插件开发过程中，重写虚函数OnBeforeNavigate2（），浏览器浏览新地址之前触发该方法。OnBeforeNavigate2（）函数原型如下所示：

OnBeforeNavigate2函数在浏览器浏览新地址之前触发，所以对重定向地址的判断和修改都在该函数中执行。客户端的BHO插件部分主要有2个方面的操作，首先判断是否为302重定向，其次修改重定向地址或者断开连接，修改重定向地址部分伪代码如下所示：

其中QueryInfoStatusCode方法是返回HTTP响应码并保存在参数dwStatusCode中，Navigate2方法是指定浏览器导航地址。

断开连接部分则直接利用OnBeforeNavigate2中的参数pbCancel。该参数表示是否继续导航。赋值为TRUE表示取消导航，断开连接，赋值为FALSE表示继续导航，进行数据传输。伪代码如下所示：

当HTTP返回码不是302，且不能通过数字签名认证，则表示存在其他攻击，直接断开连接。

3.3 安全性分析

本文主要针对SSL协议的2种基于中间人攻击的攻击方式提出解决方案，分别是引入可信第三方和数字签名技术以及还原重定向地址的思想，保证了信息传输的安全性。

（1）针对SSL Sniffing攻击，由可信第三方分配D－H算法中的重要参数，因此p和g只对通信双方公开，攻击者完成中间人攻击之后，不能与客户端和服务器端分别建立安全连接，同时利用CRC校验码验证预主密钥的有效性。

（2）SSL Stripping攻击主要是修改服务器的响应信息，用普通的http连接取代安全的https连接，迷惑浏览器，从而达到攻击目的。对于该攻击原理，为实现消息同步，在服务器端和客户端分别对HTTP响应消息进行签名和判断。服务器端为防止302重定向地址在传输过程中被修改，利用数字签名的不可篡改性，将重定向地址与签名结果一起发送给客户端。客户端首先必须对数字签名进行验证，若通过验证，直接进行地址的跳转。若不能通过验证，继续对HTTP响应码进行判断，若响应码为302，采取还原重定向地址的手段。

4 结束语

本文对SSL协议的工作机制以及密钥交换算法进行了详细介绍，同时针对SSL协议的2种攻击方式提出了解决方案。引入可信第三方同步D－H密钥交换算法中的重要参数，有效控制了SSL Sniffing攻击；引入数字签名技术和还原重定向地址的思想，确保浏览器跳转之后的连接是安全连接，预防SSL Stripping攻击。2种方案都提高了针对浏览器漏洞攻击的安全性。

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