TLSハンドシェイクプロセスの説明

TLS（Transport Layer Security）ハンドシェイクは、クライアント（Webブラウザなど）とサーバー（Webサーバーなど）間の安全な通信を可能にする重要な手順です。以下は、TLSハンドシェイクプロセス全体の詳細な内訳です。

1. クライアントHello

   • クライアントは、サーバーに「クライアントHello」メッセージを送信してハンドシェイクを開始します。
   • このメッセージには以下が含まれます。
     • クライアントがサポートするTLSバージョン。
     • サポートする暗号スイート（暗号化アルゴリズム）のリスト。
     • ランダムなバイト文字列（クライアントランダムと呼ばれます）。

2. サーバーHello

   • サーバーは、「サーバーHello」メッセージで応答します。
   • このメッセージには以下が含まれます。
     • 選択されたTLSバージョン。
     • 選択された暗号スイート。
     • ランダムなバイト文字列（サーバーランダムとして知られています）。
     • サーバーのデジタル証明書（信頼できる認証局（CA）によって発行されます）。

3. 証明書の検証

   • クライアントは、認証局（CA）チェーンを通じてサーバーの証明書を検証します。
   • 証明書が有効であり、期限切れではなく、正しいドメインに発行されていることを確認します。

4. プレマスターシークレットの生成

   • クライアントは、サーバーの公開キー（証明書から抽出）を使用して「プレマスターシークレット」を生成します。
   • このシークレットは暗号化され、サーバーに送信されます。

5. マスターシークレットの導出

   • クライアントとサーバーの両方が、以下を使用して「マスターシークレット」を生成します。
     • クライアントランダム。
     • サーバーランダム。
     • プレマスターシークレット。
   • マスターシークレットは、暗号化と整合性チェックのためにセッションキーを導出するために使用されます。

6. セッションキーの作成

   • マスターシークレットを使用して、両当事者は以下を作成します。
     • 対称暗号化のための暗号化キー。
     • 整合性チェックのためのMAC（メッセージ認証コード）キー。

7. クライアント完了

   • クライアントは、セッションキーで暗号化された「完了」メッセージを送信します。
   • これは、ハンドシェイクが成功し、今後のメッセージが暗号化されることを確認します。

8. サーバー完了

   • サーバーは、セッションキーで暗号化された独自の「完了」メッセージを送信します。
   • これにより、ハンドシェイクの終了と暗号化された通信の開始がマークされます。

9. データ転送

   • 後続のすべての通信は、導出されたセッションキーを使用して暗号化されます。
   • データは、整合性チェックを含む暗号化されたパケットで送信されます。

TLSハンドシェイクプロセスの図

+----------------------------------------+      +----------------------------------------+
|               クライアント                   |      |               サーバー                   |
+----------------------------------------+      +----------------------------------------+
|                                        |      |                                        |
|  ClientHello                           |----->|                                        |
|  [TLSバージョン、暗号スイート、ランダム]  |      |                                        |
|                                        |      |                                        |
|                                        |      |  ServerHello                            |
|                                        |<-----|  [TLSバージョン、暗号スイート、ランダム]  |
|                                        |      |                                        |
|                                        |<-----|  証明書                           |
|                                        |      |  [サーバーの公開キー]                 |
|                                        |      |                                        |
|                                        |<-----|  ServerHelloDone                       |
|                                        |      |                                        |
|  CertificateVerify                     |      |
|  [サーバーの証明書を検証]         |      |                                        |
|                                        |      |                                        |
|  ClientKeyExchange                     |----->|                                        |
|  [暗号化されたプレマスターシークレット]         |      |                                        |
|                                        |      |                                        |
|  ChangeCipherSpec                      |----->|                                        |
|  [Start Using Encryption]              |      |                                        |
|                                        |      |                                        |
|  Finished                              |----->|                                        |
|  [ハンドシェイクの整合性を検証]        |      |                                        |
|                                        |      |                                        |
|                                        |<-----|  ChangeCipherSpec                      |
|                                        |      |  [暗号化の使用を開始]              |
|                                        |      |                                        |
|                                        |<-----|  Finished                              |
|                                        |      |  [ハンドシェイクの整合性を検証]        |
|                                        |      |                                        |
|  安全な通信                  |<--->|  安全な通信                  |
|  [暗号化されたデータ転送]             |      |  [暗号化されたデータ転送]             |
+----------------------------------------+      +----------------------------------------+

GoLangでTLSクライアントHelloメッセージを取得する

以下に、GoLangを使用してすべてのClientHelloメッセージをキャプチャするサーバーを実装する方法を示します。

証明書の生成

まず、必要なSSL証明書を生成します。

# 秘密鍵を生成する
openssl genrsa -out server.key 2048
# 公開鍵（証明書）を生成する
openssl req -new -x509 -key server.key -out server.pem -days 3650

サーバー実装

以下は、ClientHello情報をキャプチャするための完全なサーバーコードです。

package main

import (
	"bufio"
	"crypto/tls"
	"encoding/json"
	"fmt"
	"io/ioutil"
	"log"
	"net"
	"os"
	"sync"
	"time"
)

type CollectInfos struct {
	ClientHellos []*tls.ClientHelloInfo
	 sync.Mutex
}

var collectInfos CollectInfos
var currentClientHello *tls.ClientHelloInfo

func (c *CollectInfos) collectClientHello(clientHello *tls.ClientHelloInfo) {
	c.Lock()
	defer c.Unlock()
	c.ClientHellos = append(c.ClientHellos, clientHello)
}

func (c *CollectInfos) DumpInfo() {
	c.Lock()
	defer c.Unlock()
	data, err := json.Marshal(c.ClientHellos)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	ioutil.WriteFile("hello.json", data, os.ModePerm)
}

func getCert() *tls.Certificate {
	cert, err := tls.LoadX509KeyPair("server.pem", "server.key")
	if err != nil {
		log.Println(err)
		return nil
	}
	return &cert
}

func buildTlsConfig(cert *tls.Certificate) *tls.Config {
	cfg := &tls.Config{
		Certificates: []tls.Certificate{*cert},
		GetConfigForClient: func(clientHello *tls.ClientHelloInfo) (*tls.Config, error) {
			collectInfos.collectClientHello(clientHello)
			currentClientHello = clientHello
			return nil, nil
		},
	}
	return cfg
}

func serve(cfg *tls.Config) {
	ln, err := tls.Listen("tcp", ":443", cfg)
	if err != nil {
		log.Println(err)
		return
	}
	defer ln.Close()
	for {
		conn, err := ln.Accept()
		if err != nil {
			log.Println(err)
			continue
		}
		go handler(conn)
	}
}

func handler(conn net.Conn) {
	defer conn.Close()
	 r := bufio.NewReader(conn)
	for {
		msg, err := r.ReadString('\n')
		if err != nil {
			log.Println(err)
			return
		}
		fmt.Println(msg)
		data, err := json.Marshal(currentClientHello)
		if err != nil {
			log.Fatal(err)
		}
		_, err = conn.Write(data)
		if err != nil {
			log.Println(err)
			return
		}
	}
}

func main() {
	go func() {
		for {
			collectInfos.DumpInfo()
			 time.Sleep(10 * time.Second)
		}
	}()
	cert := getCert()
	if cert != nil {
		serve(buildTlsConfig(cert))
	}
}

クライアント実装

対応するクライアントコードは次のとおりです。

func main() {
	conn, err := tls.Dial("tcp", "localhost:443", &tls.Config{InsecureSkipVerify: true})
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	defer conn.Close()
	_, err = conn.Write([]byte("hello\n"))
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	buf := make([]byte, 1000)
	n, err := conn.Read(buf)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	fmt.Println(string(buf[:n]))
}

この実装により、TLSハンドシェイクプロセス中にClientHelloメッセージから詳細な情報をキャプチャできます。サーバーは、分析のためにこの情報をJSONファイルに定期的にエクスポートします。

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