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HSMplugin方式实现，但是需要编译C++，太麻烦，作者采用了利用NodeSocket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node-https-hsm
TLS规范自然是参考RFC文档TheTransportLayerSecurity(TLS)ProtocolVersion1.2
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(TLSv1.2)*
- TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256(TLSv1.2)*
- TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA(TLSv1.1)
- TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA(TLSv1.1)
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。
- TLS1.1在计算finish报文数据时，进行的是MD5+SHA1的HASH算法，而在TLSv1.2下，HASH算法变成了单次SHA256。
- TLS1.1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，TLS1.2为单次SHA256。
- TLS1.2的CertificateVerify/ServerKeyExchange报文末尾新增2个字节的SignatureHashAlgorithm，表示hash_alg和sign_alg。
目前业界推荐使用TLSv1.2，TLSv1.1不建议使用。
流程图
以下为TLS完整握手流程图
*=======================FULLHANDSHAKE====================== *ClientServer * *ClientHello--------> *ServerHello *Certificate *CertificateRequest *<--------ServerHelloDone *Certificate *ClientKeyExchange *CertificateVerify *Finished--------> *change_cipher_spec *<--------Finished *ApplicationData<------->ApplicationData
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{
uint32gmt_unix_time;//UNIX32-bitformat,UTC时间
opaquerandom_bytes[28];//28位长度随机数
}Random;//随机数
struct{
ProtocolVersionclient_version;//支持的最高版本的TLS版本
Randomrandom;//上述随机数
SessionIDsession_id;//会话ID，新会话为空
CipherSuitecipher_suites<2..2^16-2>;//客户端支持的所有加密套件，上述四种
CompressionMethodcompression_methods<1..2^8-1>;//压缩算法
select(extensions_present){//额外插件，为空
casefalse:
struct{};
casetrue:
Extensionextensions<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{
ProtocolVersionserver_version;//服务端最后决定使用的TLS版本
Randomrandom;//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
SessionIDsession_id;//确定的会话ID
CipherSuitecipher_suite;//最终决定的加密套件
CompressionMethodcompression_method;//最终使用的压缩算法
select(extensions_present){//额外插件，为空
casefalse:
struct{};
casetrue:
Extensionextensions<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.1Certcertificate_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{
ClientCertificateTypecertificate_types<1..2^8-1>;//证书类型，本次握手为值固定为rsa_sign
SignatureAndHashAlgorithmsupported_signature_algorithms<2^16-1>;//支持的HASH签名算法
DistinguishedNamecertificate_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.1Certcertificate_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){
casersa:
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（premastersecret）
casedhe_dss:
casedhe_rsa:
casedh_dss:
casedh_rsa:
casedh_anon:
ClientDiffieHellmanPublic;
}exchange_keys;
}ClientKeyExchange;//用于返回加密的客户端生成的随机密钥（premastersecret）
struct{
digitally-signedstruct{
opaquehandshake_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{
opaqueverify_data[verify_data_length];//校验密文，算法PRF(master_secret,'clientfinished',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`clientfinished`,执行PRF算法
Finished报文生成过程中，将产生会话密钥mastersecret，然后生成Finish报文内容。
master_secret=PRF(pre_master_secret,"mastersecret",ClientHello.random+ServerHello.random) verify_data=PRF(master_secret,'clientfinished',Hash(handshake_messages))
PRF为TLSv1.2规定的伪随机算法,此例子中，HMAC算法为SHA256
PRF(secret,label,seed)=P_(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{
opaqueverify_data[verify_data_length];//校验密文，算法PRF(master_secret,'serverfinished',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`serverfinished`,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。
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