基于SSL證書認證中間件的安全性分析

何 旭，鮮乾坤，雷建平

(1.達州職業技術學院，四川 達州 635001;2.四川理工學院計算機學院，四川 自貢 643000;3.61902部隊，四川 宜賓 644000)

引 言

Web瀏覽器的SSL已經成為網絡安全的事實標準，SSL主要目的是針對中間件攻擊提供端到端的安全保障，即使網絡受到像DNS入侵或者路由器被控制等這樣的威脅，SSL也能夠保證客戶機與服務器之間通信的機密性、真實性、完整性［1-2］。

認證服務器是SSL連接建立的關鍵部分，其公鑰證書身份驗證發生于SSL握手階段。同時，為了保證SSL連接是安全的，客戶端必須確認證書是有效證書，即既沒有過期也沒有被撤銷，用以檢查證書名稱、客戶端連接的匹配性［3-4］。

Web瀏覽器對SSL功能的實現可以通過加入補丁保證安全性，這樣許多與SSL相關的瀏覽器漏洞就可以得到修復［5-6］。然而，SSL也廣泛用于非瀏覽器軟件，如基于云計算虛擬基礎設施的遠程管理以及發送本地數據到云存儲，以及Android、iOS等移動應用程序的驗證服務。這些程序通常不實現SSL本身，主要依靠OpenSSL、JSSE與CryptoAPI等SSL庫以及更高層次數據傳輸庫作為SSL封閉，在基于Web服務軟件用額外抽象層引入Web服務中間件。

入侵者可能控制路由器、交換機、無線AP或DNS，也可以控制一個或多個擁有SSL證書的服務器。當SSL客戶機試圖連接到一臺合法服務器時，入侵者可以通過DNS挾持誘導服務器，并欺騙用戶連接到一臺入侵者控制的服務器。

1 SSL證書認證機制

SSL握手協議是一個更高層的客戶端SSL協議，該協議是用來協商會話的安全屬性，握手消息提供給SSL記錄層，并封裝在一個或多個SSLPlaintext數據結構內，用以處理與傳輸當前活動會話狀態。SSL連接開始于客戶端和服務器之間的握手，這樣SSL客戶端的“確認服務器認證”容易作為攻擊目標。SSL握手協議由RFC6101［7］給出了完整描述，其握手過程如圖1所示。

圖1 SSL握手協議描述

信任鏈驗證。每個X.509證書有一個“issuer”屬性，其中包含CA的名稱，每臺SSL客戶端配置可信根CA證書列表。除自己的證書外，還有該服務器發送的發行CA認證。如果簽發的CA不是根CA，服務器還發送一個更高級別通向根CA的證書列表?？蛻舳嗽噲D建立一個從底部服務器證書開始的鏈，鏈中每個證書必須立即由上級CA簽署，根CA必須是客戶信任的CA之一，客戶驗證證書沒有過期、中間CA認證以及設置有“Basic Constraints”字段。完整的X.509證書認證算法由 RFC5280［3］與 RFC2818［4］給出了描述。

主機驗證。信任鏈建立后，客戶端必須驗證服務器的身份。RFC2818［4］建議使用“SubjectAltNames”作為服務器標識符主要來源以及支持“Common Name”向后兼容，但大多數軟件是先檢查“Common Name”。構建服務器標識列表后，客戶端嘗試匹配所有符合DNS域名的被請求服務器標識符。如果客戶端在服務器標識符列表中找到一條精確匹配，就通過簡單字符串比較進行驗證，客戶端也可以查找一個匹配規則復雜的通配符名字標識符的列表［4，8］。

證書撤銷。OpenSSL的一些 SSL庫實現證書撤銷［9］，但要求應用程序提供證書撤銷列表(CRL)。雖然JSSE庫要求應用程序檢查自身CRL的有效性，但大多數應用程序不用檢查，如有些SSL庫(Python的SSL)不公開CRL的檢查方法。

X.509擴展。一些X.509證書擴展包含關鍵安全信息，如key useage(CA允許使用該秘鑰簽署證書)、name constraints(限制子CA能夠簽署的認證)以及RFC2527［10］描述的證書策略。雖然CA可以分配不同的信任級別給子CA，但應用程序必須提供利用這些信息的策略，實際上這些擴展在很大程度上可以被忽略，即或是目前的OpenSSL也沒有正確驗證名字約束，而cURL甚至沒有接口用于指定應用程序證書策略。

2 SSL抽象化安全分析

根據需求，應用程序可以插入到不同層次抽象的SSL內，但在最低層次有多種使用不同屬性、許可、硬件請求來實現通用 SSL，如 OpenSSL、JSSE、CryptoAPI等。因此，為了避免自己解析HTTP，所以使用SSL的HTTP應用程序通常不直接使用，而使用HTTPS在內部使用SSL庫，SOAP或基于REST的Web服務應用程序在其上層使用額外中間件 HTTPS或 Web Socket，如圖2所示。

圖2 使用SSL的協議棧

2.1 SSL庫

OpenSSL。OpenSSL只提供信任鏈驗證，而應用程序必須支持自身主機驗證。不同應用層協議(HTTPS，LDAP)有不同有效主機組成限制和證書列表匹配要求，因此主機驗證必須通過應用程序自身管理或數據傳輸層封裝。OpenSSL通過提供返回函數或修改配置允許應用程序定制信任鏈驗證［11］，如配置“驗證深度(verify depth)”和“驗證模式(verify mode)”(圖3)。

使用OpenSSL的程序可以通過調用SSL_connect函數執行SSL握手。證書驗證錯誤信息通過SSL_connect函數返回值提供，而其他錯誤由SSL_connect函數設置內部verify result標識，應用程序必須調用SSL_get_verify_result函數以檢查是否發生此類任何錯誤［12］。

圖3 使用缺省信任鏈驗證SSL連接設置的OpenSSL API圖

JSSE。Java安全套接字擴展(JSSE)提供大量接口給Java應用程序(包括Android移動應用程序)建立SSL連接。低層通過SSLSocketFactory創建的SSL客戶端API可能不執行主機驗證。

下面的代碼段來自于X.509的TrustManagerImpl.checkIdentity。

private void checkIdentity(String hostname，

X509Certificate cert，String algorithm)

throws CertificateException{

if(algorithm!=null＆＆algorithm.length()!=0){

....

if(algorithm.equalsIgnoreCase("HTTPS")){

HostnameChecker. getInstance(HostnameChecker.TYPE_TLS).match(hostname，cert);

}else if(algorithm.equalsIgnoreCase

("LDAP")){

HostnameChecker. getInstance(HostnameChecker.TYPE_LDAP).match(hostname，cert);

}else{

throw new CertificateException("Unknown

identification algorithm:"+algorithm);

}

}

}

上述代碼段的功能是實現對主機名與認證的確認。如果algorithm設置為HTTPS或 LDAP，checkIdentity方法就拋出一個異常，其不同于OpenSSL的返回值，即使驗證失敗也認為應用程序會檢查該值。在HttpsClient和HttpsURLConnection等JSSE應用程序中，當創建SSL客戶端時就會調用SetHostnameVerification方法并設置為HTTPS，其結果是調用HostnameChecker和驗證證書。

如果客戶端字段是NULL或空串，checkIdentitysilently跳過主機驗證且不拋出異常。該作法是為了適應基于證書協議實現而重用JSSE的默認值HTTPS或LDAP以驗證信任鏈。Java7.3的證書驗證代碼與Java6不同，如果字段是NULL或空串，checkIdentity根本就不調用。

private void checkTrusted(X509Certificate［］chain，

String authType，Socket socket，boolean isClient)

throws CertificateException{

...

String identityAlg=sslSocket.getSSLParameters().

getEndpointIdentificationAlgorithm();

if(identityAlg!=null＆＆identityAlg.length!=0){

String hostname=session.getPeerHost();

checkIdentity(hostname，chain［0］，identityAlg);

}

}

上述代碼段實現對信任鏈的驗證功能，驗證鏈路中各節點主機間的信任關系。在SSL客戶端使用SSLSocketFactory，如果該字段為空JSSE就不執行主機驗證，主機驗證工作就由運行在JSSE上層的軟件完成，該功能在JSSE參考指南有警告說明。

在發送任何數據前使用SSLSockets/SSLEngines應該檢查各節點證書，因為SSLSocket和SSLEngine類不自動驗證與URL匹配的域名驗證，如果不進行主機驗證應用程序，這樣就可以利用 URL欺騙。Java軟件使用SSLSocketFactory創建SSL客戶端但不執行主機驗證，說明開發人員并沒意識到該特性，而JSSE接口執行主機驗證也增加了其混亂性。

2.2 數據運輸層的安全機制

實際上大多數應用程序依賴數據運輸層建立HTTPS連接，這些在內部使用SSL庫架構通常是不透明的應用程序。

Apache HttpClient。Apache HttpClient是基于 JDK的客戶端HTTP Java庫。Apache HttpClient廣泛用于Web服務中間件，是因為本地化JDK不支持SOAP Web服務，且在發送HTTP POST請求等功能時，Apache Http-Client比JDK提供了更好性能。Apache HttpClient使用JSSE的SSLSocketFactory建立SSL連接，即Apache Http客戶端必須執行自己的主機驗證，這樣對于基于舊版本的HttpClient不驗證主機就會導致很多漏洞。Apache HttpClient使用HttpHost數據結構描述 HTTP連接，而HttpHost并沒有任何內部一致性檢查，如允許連接到443端口。

cURL。cURL是一個從遠程服務器獲取數據的工具和庫。從7.10版本開始，cURL默認驗證SSL證書。內部cURL使用OpenSSL驗證信任鏈和主機，其功能由參數 CURLOPT_SSL_VERIFYPEER(默認值 true)和CURLOPT_SSL_VERIFYHOST(默認值2)控制，VERIFYPEER參數是布爾類型，而VERIFYHOST參數是整數。開發人員經常誤解這些參數，而且將CURLOPT_SSL_VERIFYHOST設置為TRUE，從而改變其值為1，這樣如果意外禁用主機驗證就會帶來不安全的后果。

PHP。PHP提供多種方法建立SSL連接，打開遠程服務器套接字的fsockopen能夠通過在URL中加入“SSL://”連接到SSL服務器。盡管fsockopen不執行任何證書檢查，PHP應用程序開發人員通常用它來建立SSL連接。PHP也提供cURL綁定，使用cURL默認設置建立SSL連接以適應證書驗證，開發人員可能設置cURL不正確選項改變默認值，從而破壞證書驗證。

3 非瀏覽器軟件SSL的分析

云客戶端API。云端API是連接云端與客戶端的橋梁，它包括面向各不同協議客戶端的API和面向第三方的API。前者的作用是云端與客戶端之間的交互，使用RTMP或RTMPE協議傳輸;后者允許定制特定函數輸出給第三方，使用RTMP或RTMPE傳輸，或通過本地的PHP中轉為HTTP傳輸。對于第三方云計算平臺的運行在客戶端SDK，可以通過第三方軟件傳送用戶數據到基于云的存儲、管理用戶基于云的計算以及訪問其他云服務。如Amazon在Java、PHP、Python和Perl中提供的EC2 API工具，以及Apache提供的獨立庫訪問多個云的Libcloud。

Web services中間件。許多程序依賴于Web services。Web services是一軟件系統，用來支持網絡主機間的互操作性，其服務由一個接口描述計算機可讀的XML格式文檔。不同系統提供不同具體實現接口，異構系統間通過發送和接收信息實現服務的互操作。

使用基于XML的SOAP或REST的Web services發送與接收消息。從客戶端軟件的角度來講，Web services可以被認為是提供遠程過程調用RPC接口，而SOAP或REST中間件是RPC調用參數的封裝和解封。

Web service通過使用SOAP中間件與現有Java軟件進行交互。同樣地，如果一個Android應用程序需要實時發送通知，它可以使用客戶端庫連接到基于REST的Pusher服務。這些中間件框架負責發送Web service信息到網絡，如果連接必須是安全的，中間件通常使用SSL，而不是現在的SSL連接管理數據傳輸庫代替。

4 Apache HttpClient的SSL API安全性應用分析

2007年發布并廣泛使用的Apache HttpClient 3.1版本與較早期的版本一樣，使用JSSE的SSLSocketFactory而不執行自身主機驗證來建立SSL連接。這樣Apache HttpClient 3.*接受任何具有有效信任鏈的證書，而不管其名字。

HttpClient主機驗證的缺陷在4.0版得到修正，在4.2.1版本中，有其自身的主機驗證和指派JSSE進行信任鏈驗證。這樣依靠SSL連接建立HttpClient實現對應用程序的安全性有較少影響。HttpClient的使用通常隱藏內部Web services中間件，從而跳過主機關于SSL證書認證。

值得注意的是，如果用戶將自定義主機驗證代碼添加到HttpClient 4.*是錯誤的，并且將拒絕有效證書。下面的代碼來自HttpClient 4.2.1:

String parts［］=cn.split("\.");

boolean doWildcard=parts.length ＞ =3 ＆＆

parts［0］.endsWith("*")＆＆

acceptableCountryWildcard(cn)＆＆

!isIPAddress(host);

if(doWildcard){

if(parts［0］.length()＞1){

String prefix=parts［0］.substring(0，parts.length-2);

String suffix=cn.substring(parts［0］.length());

String hostSuffix=hostName.substring

(prefix.length());

match=hostName.startsWith(prefix)

＆＆ hostSuffix.endsWith(suffix);

}else{

match=hostName.endsWith(cn.substring(1));

}

if(match＆＆ strictWithSubDomains){

match=countDots(hostName)==countDots(cn);

}

}else{

match=hostName.equals(cn);

}

該代碼段具有計算來自CN的主機名驗證、通配符使用處理、CN與主機通配符忽略處理功能。其方法是計算參數parts的數字部分減去2的前綴長度，域名第一部分有效性什么也不操作而其就不具有邏輯性。如，如果證書名是 a*.＜b＞.＜b＞.com，它將拒絕 ail.＜b＞.＜b＞.com。而且最初的補丁及其衍生代碼在解析IPv4地址通用表達式中有一個小缺陷，使其接受從0開始的IP地址，但這并不會立即導致安全漏洞。

5 結論

通過對具有代表性的中間件應用程序使用SSL用于安全連接的情況分析，特別對中間件庫使用SSL作為多層軟件協議棧的一部分功能分析，發現程序在具有潛在不安全的公用網絡中傳輸極其敏感的數據時，非常重要的一點就是必須正確使用SSL。

同時通過對SSL在應用程序軟件設計中的使用，詳細說明了依賴標準SSL庫的應用程序(如JSSE、OpenSSL等)執行SSL證書認證可能存在的不安全因素，這些不安全性在有些軟件中是隨處可見的，如FPS、PayPal、EC2以及其他客戶端遠程管理云存儲和云基礎設施等。這些特點對中間件攻擊來講，SSL連接是沒有安全性的。

另外，對于一些宣稱是更加安全的SSL策略，通過分析發現，可以通過開發代碼分析工具發現SSL連接建立邏輯錯誤問題。對于這類情況，可以通過形式驗證技術設計和編程，支持自動檢查應用程序是否正確使用SSL庫，而不誤解關鍵選項和參數的定義，以此來設計更好的API用于SSL或其他安全的網絡協議，從而解決其不安全隱患等。

［1］舒劍.一種無證書認證密鑰協商協議的分析與改進［J］.計算機應用研究，2012，29(1):294-296.

［2］張延紅，陳明.標準模型下強安全的無證書認證密鑰協商協議［J］.四川大學學報:工程科學版，2013，45(1):125-132.

［3］ HTTP over TLS［EB/OL］.(2000-05-01)［2014-03-10］.http://www.ietf.org/rfc/rfc2818.txt.

［4］Internet X.509 public key infrastructure certificate and certificate revocation list(CRL)profile［EB/OL］.(2008-05-01)［2014-03-10］.http://tools.ietf.org/html/rfc5280.

［5］何 旭.一種可擴展Web模型安全機制［J］.計算機系統應用，2012，21(8):89-93.

［6］何旭.隱私模式瀏覽器的安全性分析［J］.西華大學學報:自然科學版，2012，31(3):17-22.

［7］ The Secure Sockets Layer(SSL)protocol version 3.0［EB/OL］.(2011-08-01)［2014-03-11］.http://tools.ietf.org/html/rfc6101.

［8］ Representation and verification of domain-based application service identity within Internet public key infrastructure using X.509(PKIX)certificates in the context of Transport Layer Security(TLS)［EB/OL］.(2011-03-01)［2014-03-11］.http://tools.ietf.org/html/rfc6125.

［9］ https should check CN of x509 cert［EB/OL］.(2007-04-22)［2014-03-12］.https://issues.apache.org/jira/browse/HTTPCLIENT-613.

［10］ Internet X.509 public key infrastructure certificate policy and certification practices framework［EB/OL］.(1999-03-01)［2014-03-11］.http://www.ietf.org/rfc/rfc2527.txt.

［11］ Viega J，Messier M.Secure programming cookbook for C and C++［M］.California:O'Reilly Media，2003.

［12］ Moxie M.IE SSL vulnerability［EB/OL］.(2002-05-08)［2014-03-12］.http://www.thoughtcrime.org/ie-ssl-chain.txt.