SSL のハンドシェイクについて

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SSL のハンドシェイクについて〜絶対に守りたい秘密がある〜

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自己紹介

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自己紹介 ● 名前: ﬁredial ● 生後: 10075日目 ● 出身: 滋賀県東近江市 ● 仕事: サーバーサイドエンジニア(PHP のはずだが最近は Vue.js と TypeScript を触っている) ● 趣味: ビリヤード(自粛中)、都内散策(自粛中)、カメラ(自粛中)、雀魂

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今日のお話 ● https 通信使われている技術ってなんだろう？？ ○ SSL というプロトコルが使われている！！ ■ どのように安全性が確保されているのだろうか？ ● 気になって調べてみた

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前提知識

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説明するに当たって必要な知識 ● 共通鍵暗号方式 ● 公開鍵暗号方式 ● ハイブリッド暗号方式 ● ハッシュ関数 ● メッセージダイジェスト ● SSL/TLS

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共通鍵暗号方式 ● 秘密を共有したい 2 者間で同じ鍵を使う方式 ● 種類: DES, 3DES, AES, RC4 ● 長所: 公開鍵暗号方式と比べて処理が早い ● 短所: 通信する相手ごとに鍵を準備しないといけない

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公開鍵暗号方式 ● 暗号化する鍵と復号する鍵が異なる方式 ● 種類: 後述 ● 長所: 公開鍵と秘密鍵を 1 組作成すれば使いまわせる ● 短所: 共通鍵暗号方式に比べて処理が遅い

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公開鍵暗号方式 ● 公開鍵暗号の目的は暗号化、鍵交換、署名の 3 つがある ● 鍵交換 ○ DH, RSA, 楕円曲線暗号 ● 暗号化 ○ RSA, 楕円曲線暗号 ● 署名 ○ RSA, DSA, 楕円曲線暗号 ※楕円曲線暗号は特定のアルゴリズムを指すものではない

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ハイブリッド暗号 ● 共通鍵暗号と公開鍵暗号両方使う方式 ● 公開鍵暗号は共通鍵暗号の共通鍵を共有するために使う ● 共有後は共通鍵を使って暗号化する ○ SSL もこの方式である

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ハッシュ関数 ● 任意の長さのデータを固定長のデータに圧縮する、次の性質を持つ関数 ○ 一方向性 ○ 第 2 原像計算困難性 ○ 衝突困難性 ● MD5, SHA-1, SHA-256, SHA-512

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メッセージダイジェスト ● ハッシュ関数は MAC (Massage Authentication Code) という技術でも使われる ● 送信側と受信側で共通している秘密鍵 (MAC 鍵という) を用いて真正性と完全性を保証する

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メッセージダイジェスト(例) ● MAC 鍵: hito_no_okane_de_yakiniku_tabetai ● 送信したいメッセージ: 5000_choen_hoshii ● sha-256(5000_choen_hoshii + hito_no_okane_de_yakiniku_tabetai) = b1b575b2ddd2057d254ef731b7106bef41af5f53277475e01789a31e31b3f7b6 ● 送信者は 5000_choen_hoshii とハッシュ値 (MAC 値という) b1b57… を送る ● 受信者は受け取ったメッセージと共有している MAC 鍵でメッセージが正しいか検証する

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SSL/TLS ● SSL とは 2 台のマシン間を結ぶ安全な通信路を提供するプロトコル ● TLS は SSL の後続のプロトコル ● その二つは(中身は似ているものの)違うものである ● TLS であっても SSL や SSL/TLS と呼ことが多い(らしい)

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SSL のハンドシェイク

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SSL 通信の全体像クライアントサーバ TCP の 3 ウェイハンドシェイク SSL のハンドシェイクデータ転送 SSL の終了 TCP の切断 TCP SSL

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SSL のハンドシェイクの目的 SSL のハンドシェイクの目的は 3 つある ● クライアントとサーバでデータ保護にどのアルゴリズムを使うか共有する ● その暗号技術に使われる鍵を共有する ● クライアントの認証 (必須ではない)

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データ保護のアルゴリズム暗号スイート認証鍵交換暗号ダイジェスト番号 TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA RSA RSA 3DES_EDE_CBC SHA 0x000A TLS_DH_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_ SHA DSS DH 3DES_EDE_CBC SHA 0x000D TLS_RSA_WITH_RC4_128_MD5 RSA RSA RC4_128 MD5 0x0004 ※他にも暗号スイートはたくさんある https://tools.ietf.org/html/rfc5246#page-75

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実際の接続

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全体の流れ右図のようなハンドシェイクを行なっている ※次ページ以降で詳細を説明していくが、今回の話題から逸れるところは割愛しているクライアントサーバ Handshake: ClientHello Handshake: ServerHello データ転送 Handshake: Certiﬁcate Handshake: ServerHelloDone Handshake: ClientKeyExchange ChangeCipherSpec Handshake:Finished ChangeCipherSpec Handshake:Finished

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ClientHello ● クライエントが使用できる暗号スイート一覧を送る ● 鍵生成用にランダムな 32 バイトの値を送る (client_random) クライアントサーバ Handshake: ClientHello Handshake: ServerHello データ転送 Handshake: Certiﬁcate Handshake: ServerHelloDone Handshake: ClientKeyExchange ChangeCipherSpec Handshake:Finished ChangeCipherSpec Handshake:Finished

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ServerHello ● どの暗号スイートを選んだか送る ● 鍵生成用にランダムな 32 バイトの値を送る (server_random) クライアントサーバ Handshake: ClientHello Handshake: ServerHello データ転送 Handshake: Certiﬁcate Handshake: ServerHelloDone Handshake: ClientKeyExchange ChangeCipherSpec Handshake:Finished ChangeCipherSpec Handshake:Finished

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Certiﬁcate ● 公開鍵を送信するクライアントサーバ Handshake: ClientHello Handshake: ServerHello データ転送 Handshake: Certiﬁcate Handshake: ServerHelloDone Handshake: ClientKeyExchange ChangeCipherSpec Handshake:Finished ChangeCipherSpec Handshake:Finished

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ServerHelloDone ● このフェーズのすべて送信が完了したことを知らせる ● Certiﬁcate の後に送信できるオプションがあるためクライアントサーバ Handshake: ClientHello Handshake: ServerHello データ転送 Handshake: Certiﬁcate Handshake: ServerHelloDone Handshake: ClientKeyExchange ChangeCipherSpec Handshake:Finished ChangeCipherSpec Handshake:Finished

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ClientKeyExchange ● Certiﬁcate で受け取った公開鍵で暗号化した pre_master_secret と呼ばれる鍵を送信する ※暗号化ではなく、鍵交換アルゴリズムでもよいクライアントサーバ Handshake: ClientHello Handshake: ServerHello データ転送 Handshake: Certiﬁcate Handshake: ServerHelloDone Handshake: ClientKeyExchange ChangeCipherSpec Handshake:Finished ChangeCipherSpec Handshake:Finished

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ChangeCipherSpec ● 送信側の実装がネゴシエート済みの別のアルゴリズムと鍵の素材に切り替えたことを通知 ● 後続のメッセージからそれらのアルゴリズムを使うことを通知クライアントサーバ Handshake: ClientHello Handshake: ServerHello データ転送 Handshake: Certiﬁcate Handshake: ServerHelloDone Handshake: ClientKeyExchange ChangeCipherSpec Handshake:Finished ChangeCipherSpec Handshake:Finished

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Finished ● ネゴシエートされた暗号技術で暗号化される最初の通信 ● ハンドシェイクのメッセージのダイジェストを送信する(改竄検知のため) クライアントサーバ Handshake: ClientHello Handshake: ServerHello データ転送 Handshake: Certiﬁcate Handshake: ServerHelloDone Handshake: ClientKeyExchange ChangeCipherSpec Handshake:Finished ChangeCipherSpec Handshake:Finished

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鍵の生成 ● client_random, server_random, pre_master_secret を用いて master_secret を作る ● master_secret, client_ramdom, server_random を用いて共通鍵暗号の共通鍵、 MAC 鍵を作成する ○ これによって暗号通信が行われる！

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まとめ

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まとめ ● SSL 通信の暗号方式は、共通鍵と公開鍵両方をつかうハイブリッド方式を使っている ● ハンドシェイクは実質 2 往復しかしていない(意外！) ● master_secret から共通鍵や MAC 鍵が作られている

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もっと話したかったこと ● サーバの公開鍵は本物であることを示す方法 ● master_secret の作り方 ● 暗号化、復号の計算コスト ● ディジタル署名

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参考文献

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参考文献 ● マスタリングTCP/IP 情報セキュリティ編 (齋藤孝道著) 2013年 p15-16, p35-36, p55, p58, p124 ● マスタリングTCP/IP SSL/TLS編 (Eric Rescorla 著、齋藤孝道監訳、鬼頭利之監訳、古森貞監訳) 2003年 p52-61, p75, p83-95 ● 情報処理推進機構(IPA) PKI 関連技術情報, 2.2.4 公開鍵暗号方式の種類 2009/9/1 最終更新 (最終閲覧日: 2020/5/24) https://www.ipa.go.jp/security/pki/022.html