dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Это очень краткое описание TLS, так сказать, минимум, необходимый для базового понимания того, как эту технологию использовать. Статья, впрочем, содержит и вполне конкретные замечания, поясняющие наиболее распространённые ошибки настройки TLS на серверах.

TLS (Transport Layer Security) предназначен для создания защищённых каналов обмена информацией. Спецификации определяют несколько версий TLS: 1.0, 1.1, 1.2, 1.3. Версия 1.3 является самой современной, допускается использование версии 1.2, а более старые версии – не рекомендованы.

1.

Один из распространённых сценариев использования TLS – обращение к веб-серверу браузером, то есть “доступ по HTTPS”. TLS применяется для защиты большого количества различных сервисов и протоколов. Примеры, помимо HTTPS: подключения VPN, защищённый доступ к DNS, каналы для управления прикладным ПО, системы обмена сообщениями (мессенджеры) и т.д. TLS в HTTPS и, например, в VPN – это один и тот же протокол. Так, при использовании в HTTPS, роль TLS состоит в создании защищённого канала, через который передаются HTTP-запросы (это такие же запросы, какие передавались бы в открытом виде). Аналогично для VPN – TLS служит защищённым транспортом для сетевых соединений.

Есть немало практических ситуаций, когда реализация TLS логически полностью отделяется от реализации того или иного сервиса, что позволяет защитить трафик “прозрачно”, то есть, без внесения изменений в реализацию самого сервиса. Пример – использование пакета stunnel для защиты DNS-трафика: stunnel настраивается в качестве TLS-сервера, который принимает трафик на выделенном номере порта (853) по TLS, “раскрывает” этот трафик и проксирует, в открытом виде, в сторону обычного DNS-сервера, который может работать на той же машине, но на другом номере порта. Таким способом можно добавить поддержку TLS для DNS-сервера, который сам по себе TLS не поддерживает. Этот подход в более общем случае называют “TLS-терминирование” (см. ниже).

2.

TLS использует парадигму “клиент-сервер” и работает поверх TCP. Клиентом в TLS является сторона, инициирующая защищённое соединение. В штатном случае, клиент в TLS совпадает с клиентом в соответствующем TСP-соединении.

TLS позволяет аутентифицировать узлы при помощи TLS-сертификатов. Возможно придумать другие, экзотические способы аутентификации для TLS, однако только TLS-сертификаты предоставляют универсальный, описанный в спецификации, способ, поэтому используются практически повсеместно. TLS-сертификат – это публичный электронный документ (можно считать, что файл специального формата, который описан в стандарте X.509), позволяющий при помощи электронной подписи привязать открытый криптографический ключ к сетевому имени (или, реже, к сетевому адресу). Сертификаты, идентичные по формату применяемым в TLS, используются во многих других случаях, к TLS отношения не имеющих: например, для публикации ключей в электронном документообороте. TLS-сертификаты являются “X.509-сертификатами”, то есть, их можно так называть. TLS-сертификат не содержит никакой секретной информации (по определению), поэтому не требует защиты при хранении или публикации.

Сертификаты в TLS бывают серверные (их называют “оконечными”), промежуточные и корневые. Фундаментальное отличие серверного сертификата от промежуточного и корневого в том, что серверный сертификат не может быть использован для выпуска других доверенных сертификатов, то есть, он является конечным сертификатом в “цепочке доверия” (откуда и название “оконечный”). Сертификаты, которые подразумевают возможность подписывать другие сертификаты, называются сертификатами удостоверяющих центров (УЦ). Как ни странно, но в технической части TLS роль УЦ на этом заканчивается: УЦ – это просто флаг в сертификате (флаг называется CA).

3.

Аутентификация по TLS-сертфикатам основана на следующем простом алгоритме: сторона, “подлинность” которой проверяется, по запросу подтверждает, что ей известен секретный ключ, соответствующий открытому ключу из доверенного сертификата. Это означает, что если сертификат для аутентификации предъявляет сервер, то сервер должен знать секретный ключ от этого сертификата. Обычно, доступ к секретному ключу тем или иным образом настраивается в конфигурации сервера. В наиболее распространённом сейчас случае, – например, для HTTPS, – секретный ключ просто размещается в файле на сервере, путь к файлу ключа указывается в конфигурации.

Электронная подпись, применяемая в отношении TLS-сертификатов, основана на той или иной асимметричной криптосистеме. В подавляющем большинстве случаев это ECDSA (современный вариант) или RSA (стремительно устаревающий вариант). Используется пара связанных между собой ключей: открытый и секретный. Секретный ключ позволяет вычислить соответствующее сообщению значение электронной подписи (это одно или несколько чисел), которое можно проверить с использованием открытого (публичного) ключа. В случае серверного сертификата и TLS – секретный ключ от сертификата используется для подписывания специального сообщения, определяемого клиентом. Проверка подписи, вычисленной сервером для заранее не известного ему сообщения, позволяет клиенту убедиться, что сервер знает “правильный” секретный ключ. Кроме того, в устаревших схемах TLS секретный ключ RSA (важно: именно RSA) используется сервером для расшифрования переданного клиентом сессионного секрета. Сейчас использование такой схемы не рекомендуется, а в самой современной версии, в TLS 1.3 – прямо запрещено.

4.

Доверие сертификатам – эквивалентно доверию представленным в них открытым ключам. Методы управления таким доверием находятся за рамками TLS, но, тем не менее, составляют существенную часть практики TLS.

Обычно, доверие сертификатам строится по цепочке, от корневого, через промежуточные, до серверного (оконечного) сертификата. Цепочка выстраивается через подписи: ключ из корневого сертификата позволяет проверить подпись на промежуточном, а ключ из промежуточного – на серверном. Ранжируются и “сцепляются” сертификаты по именам: в каждом сертификате есть поля Issuer (“Издатель” – тот, кто удостоверил сертификат) и Subject (“Субъект” – тот, кому сертификат выдан); поле Issuer сертификата более низкого уровня должно соответствовать полю Subject сертификата более высокого уровня. Корневой сертификат всегда самоподписанный, то есть, у него значение поля Issuer равно значению поля Subject. Таким образом, корневой сертификат – всего лишь способ публикации доверенного корневого ключа. На практике, в Интернете, серверный сертификат в поле Subject содержит некоторое сетевое имя (реже – IP-адрес) сервера. При этом, если речь идёт о вебе, – а именно, о браузере и HTTPS, – то серверный сертификат обязательно должен содержать имя (возможно, IP-адрес) сервера и в специальном дополнительном поле SAN (Subject Alternative Name), иначе современные браузеры будут считать такой сертификат невалидным (то есть, соединение с сервером будет отмечено как “недоверенное”). На начальном этапе установления TLS-соединения сервер передаёт один или несколько сертификатов клиенту. Так, в современной практике HTTPS, корректно настроенный сервер практически всегда передаёт, как минимум, один серверный и один промежуточный TLS-сертификат.

Отсутствие промежуточного сертификата на стороне сервера является очень распространённой ошибкой настройки. При этом, так как браузеры кешируют промежуточные сертификаты, а в некоторых браузерах распространённые промежуточные сертификаты входят в типовой дистрибутив, такая ошибка может быть незаметна для конкретного экземпляра браузера, а в других – будет проявляться.

В TLS возможна аутентификация как сервера клиентом, так и клиента сервером, однако последний случай используется реже. Аутентификация клиента проводится по тем же принципам, что и аутентификация сервера: проверяется наличие секретного ключа, соответствие имён (для клиента – это может быть некоторое имя пользователя, логин), выстраивается цепочка к некоторому доверенному сертификату, известному серверу.

5.

TLS защищает передаваемые данные от прослушивания, это делается при помощи шифра. Формально, всё ещё возможно реализовать TLS-соединение, не зашифровывающее данные, но это скорее теоретическое упражнение.

Для защиты данных используется симметричный шифр, обычно, это AES или ChaCha20. Симметричный шифр здесь – это шифр, который использует секретный ключ, одинаковый для обеих сторон соединения. В TLS эти ключи называются ключами защиты трафика. TLS-соединение использует пару ключей на каждой стороне: один ключ для записи (передачи) данных, второй – для чтения (приёма); это, всего лишь, означает, что клиент зашифровывает данные, отправляемые в сторону сервера, с одним ключом, а расшифровывает полученные от сервера данные – с другим; на стороне сервера ключи меняются местами – тот, что у клиента для записи, у сервера – для чтения. Эта пара ключей не имеет ничего общего с парой секретный/открытый ключ из области асимметричных криптосистем: здесь просто два секретных симметричных ключа.

Помимо того, что передаваемая информация зашифрована, TLS также обеспечивает её целостность, то есть, позволяет обнаружить изменение защищённого пакета в процессе доставки, провести аутентификацию данных. Для этого служат коды аутентификации сообщений (MAC, а в русскоязычной терминологии – имитовставка). Такой код, вычисленный по особому алгоритму, прикрепляется к сообщению. Чтобы сгенерировать корректный код для заданного сообщения нужно знать секретный ключ. Принимающая сторона, которой секретный ключ известен, может проверить, что код соответствует сообщению, следовательно, сообщение вряд ли было изменено. Современный метод применения шифров в TLS объединяет процесс зашифрования и процесс защиты целостности данных в единый алгоритм, называемый “аутентифицированным шифрованием”. Распространённый пример такого алгоритма – AES-GCM.

6.

Сеансовые секретные ключи, используемые сторонами для защиты трафика, генерируются на начальном этапе установления TLS-соединения. Современный способ получения этих ключей в TLS построен на базе протокола Диффи-Хеллмана (DH). Это означает, например, что сеансовые ключи не зависят от секретного ключа, связанного с сертификатом сервера (однако этот ключ всё равно используется в процессе установления соединения, для аутентификации, как описано выше). Протокол Диффи-Хеллмана позволяет добиться так называемой “прогрессивной секретности”, то есть, состояния, когда временные, сеансовые ключи защиты трафика конкретной сессии нельзя получить из долговременных ключей, к которым, прежде всего, относится ключ аутентификации (соответствующий сертификату). Другими словами, если сеансовые ключи, корректным способом полученные по протоколу Диффи-Хеллмана, уничтожаются после завершения сеанса, то сторона, которой позже станет доступен долговременный секретный ключ, всё равно не сможет простым способом восстановить сеансовые ключи из записи трафика (см. впрочем, отдельную записку о ключах и DH). Это важнейшая особенность данного протокола в TLS, которая строго закреплена в версии 1.3.

7.

Всё это означает, что если вы возьмёте, например, tcpdump и взглянете на трафик, передаваемый через TLS-соединение, то увидеть полезную нагрузку так просто не получится – вместо неё вы обнаружите поток байтов, очень похожих на случайные. Поэтому, если у вас веб-сервер отвечает по HTTPS, то есть, через TLS, то нельзя простым способом проксировать или как-то обрабатывать HTTP до веб-сервера, так как даже увидеть HTTP-запросы в трафике можно либо только “внутри” веб-сервера (после того, как TLS “раскрыт”), либо их можно увидеть снаружи, но используя некоторые, достаточно сложные, специальные методы.

Специальные методы для (пассивного) чтения полезного содержимого TLS-трафика используют ключи защиты трафика. Для того, чтобы внешнее приложение могло просматривать TLS-трафик, в сторону этого приложения достаточно экспортировать сеансовый секрет, который служит основой для генерации ключей защиты трафика, либо сами эти ключи. Возможность такого экспорта определяется настройками TLS-сервера или TLS-клиента. Сеансовый секрет и наборы ключей у сервера и клиента общие (в одной сессии), поэтому извлечь нужное значение можно с любого из узлов. На стороне сервера, обычно, экспорт секретов/ключей настраивается в конфигурации серверного приложения, иногда включить такой экспорт можно через соответствующую переменную окружения (например – SSLKEYLOGFILE). Аналогично – на стороне клиента. Суть данного метода следующая: криптографическая библиотека, обеспечивающая работу TLS, будет выводить в файл с заданным именем некоторый идентификатор TLS-сессии и соответствующий сеансовый секрет; получив секрет, приложение для анализа трафика сможет вычислить сеансовые ключи и расшифровать трафик. Передавать секрет через файл, конечно, необязательно. Очевидно, такой метод создаёт некоторую задержку и лучше подходит для анализа записанного ранее трафика. Аналогичный метод может работать и в режиме онлайн, но это потребует гораздо более плотной интеграции программных пакетов. Экспорт сеансового секрета является сейчас самым универсальным и технологичным способом анализа TLS-трафика, но, обычно, работает для ранее записанных сессий – например, в таком режиме можно использовать Wireshark. Существует устаревший способ, основанный на передаче секретного ключа RSA. Этот способ, по описанным выше причинам, не подходит для сессий, в которых вычисление сеансового секрета происходит по протоколу Диффи-Хеллмана, а это большинство сессий с современными настройками. Специально выбирать ключевой обмен RSA при настройке TLS, чтобы получить простую возможность анализа трафика, крайне не рекомендуется.

8.

TLS-терминирование – это практика, которая подразумевает “раскрытие” TLS на некотором входном “рубеже” сервиса и последующую работу с трафиком в открытом виде. Один из сценариев описан в начале этой статьи (stunnel и DNS-сервер). Другим примером является применение веб-сервера nginx (как один из вариантов) в качестве обратного прокси, который внешние соединения осуществляет по протоколу HTTPS, а внутренние, то есть, в сторону бекэнда, уже в открытом виде, по HTTP. TLS-сертификаты, секретный ключ от серверного сертификата, параметры TLS – всё настраивается в nginx. При этом сам основной сервис (бекэнд) может работать на другом физическом узле. Такая архитектура, например, позволяет просматривать, анализировать и изменять HTTP-трафик на пути от обратного прокси к сервису. Более того, в данном случае возможна балансировка HTTP-запросов уже после проксирования, нужно только правильно учитывать, что, к моменту поступления HTTP-трафика на так поставленный балансировщик, этот трафик уже успел нагрузить проксирующий сервер, в том числе, в части TLS, а это может оказаться существенно.

Качественное внешнее обслуживание запросов, “завернутых” в TLS, так или иначе требует “разворачивания” трафика и передачи секретных ключей. Например, передача секретного ключа от серверного сертификата позволяет промежуточному узлу прозрачно анализировать защищённый трафик, так как узел успешно аутентифицируется клиентом. Существуют схемы, когда в сторону проксирующего (или фильтрующего) узла отдаётся не сам секретный ключ от сертификата, а только интерфейс для получения подписи от этого ключа. Первая массовая реализация такого подхода – это Keyless SSL у Cloudflare.

9.

Итак, современный TLS-сервер должен поддерживать версию протокола 1.3 и, в качестве дополнительной версии – 1.2, все предыдущие версии не рекомендуются, и могут присутствовать только в случае строгой необходимости доступа для каких-то устаревших клиентов. Для TLS-сертификата сервера лучше выбрать криптосистему ECDSA, но при этом нужно обратить внимание, что вся цепочка сертификатов поддерживает ECDSA, в противном случае – смысла в ECDSA сильно меньше. Криптосистема RSA, хоть и является устаревшей, но всё ещё может применяться, особенно, когда других вариантов нет, как с современной (2021) версией бесплатного УЦ Let’s Encrypt. TLS-сервер обязательно должен использовать протокол Диффи-Хеллмана для получения сеансового секрета (это актуально только для старых версий TLS). В настройках серверов данный протокол обозначается как DH, ECDH или ECDHE. Шифр для защиты трафика должен работать в режиме аутентифицированного шифрования, подходит, например, AES-GCM.

Если вас заинтересовали подробности, то в качестве отдельной публикации доступно детальное техническое описание TLS.

Некоторые другие записки по теме на dxdt.ru:

Популярно о перехвате HTTPS

DNS-over-TLS на авторитативных серверах DNS

“Ключи на клиенте” и протокол Диффи-Хеллмана

Важный момент про DNS-over-TLS (DoT) и DNS-over-HTTPS (DoH): в случае, когда валидацию DNSSEC проводит внешний рекурсивный резолвер, использование DoT/DoH на “последней миле” позволяет эффективно продолжить цепочку доверия DNSSEC до клиента; правда, через дополнительный шаг – аутентификацию сервера в рамках TLS. То есть, если некоторый клиентский stub-резолвер использует гугловый сервис 8.8.8.8 и доверяет его валидации DNSSEC, но сам валидацию не проводит, то, в классическом случае, никто не мешает на транзитном узле вмешиваться в трафик и присылать фиктивные ответы от имени 8.8.8.8, в которых будет что угодно. Использование же DoT/DoH позволяет клиенту аутентифицировать узел (DNS-сервер) и проверять подлинность ответов, что распространяет доверие к валидации DNSSEC на случай, когда клиент не верит транзитным узлам (а им верить давно нельзя).

(Первоначально опубликовано на Facebook.com, 22/11/2019.)

Авторитативные серверы DNS – это серверы, которым делегирована поддержка заданной доменной зоны. Другими словами, это основные серверы, служащие первоисточником информации об адресации внутри доменной зоны. Именно к авторитативным серверам должен обращаться рекурсивный резолвер при поиске значений DNS-записей.

DNS-over-TLS – технология, защищающая трафик DNS-запросов при помощи TLS. Обычно, DNS-запросы и DNS-ответы передаются по протоколу UDP (реже – TCP) в открытом и незащищённом виде. Существует технология DNSSEC, которая позволяет снабдить содержание DNS-ответов электронной подписью, затруднив, таким образом, подмену информации. Но DNSSEC не скрывает сам трафик: то есть, третья сторона всё равно будет видеть состав запросов и ответов. Кроме того, DNSSEC аутентифицирует только передаваемые данные, привязывая их к некоторому открытому ключу, но не позволяет аутентифицировать сервер, который данные передал. В принципе, в модели угроз DNSSEC аутентификация сервера и не требуется: основная идея этой технологии состоит в том, что не имеет значения, каким маршрутом и от какого узла DNS-данные попали к клиенту – если данным соответствует валидная подпись от доверенного ключа, то они, так или иначе, достоверны. То есть, с точки зрения достоверности, канал получения DNS-информации для DNSSEC не важен. Если данные, защищённые DNSSEC, будут как-то изменены на транзитном узле, то клиент сможет обнаружить подмену. С DNS-over-TLS (или DoT) – другая история. Эта технология оборачивает обычный трафик DNS в TLS, создавая защищённый канал связи. DoT позволяет узлам, которые намерены обменяться DNS-запросом и DNS-ответом, аутентифицировать друг друга до отправки запроса. В подавляющем большинстве случаев, конечно, будет использоваться только аутентификация сервера клиентом.

В DNS, как в сервисе, большое значение имеет взаимодействие рекурсивного резолвера с так называемым stub-резолвером. Последний представляет собой самый простой вариант резолвера, который не выполняет поиска в DNS, а лишь перенаправляет запросы рекурсивному резолверу. Stub-резолвер – это типовой резолвер в подавляющем большинстве конфигураций операционных систем. Сервис же рекурсивного резолвера предоставляется либо провайдером доступа, либо отдельным провайдером DNS, как, например, в случае общедоступных резолверов Cloudflare (1.1.1.1) и Google (8.8.8.8).

Так вот, сейчас часто приходится слышать, что технология DNS-over-TLS предназначена лишь для защиты DNS-трафика на пути от stub-резолвера до рекурсивного резолвера, а на авторитативных серверах – не нужна. Это не так. Авторитативным серверам тоже рекомендована поддержка DNS-over-TLS, так как такая поддержка позволит защитить обмен информацией с рекурсивными резолверами. Дело в том, что прослушивание DNS-запросов или подмена данных – возможны и для трафика рекурсивного резолвера, адресованного не клиенту, а авторитативному серверу. Другое дело, что реализовать избирательность такой атаки становится сложнее, поскольку точно не известно, какие запросы какому клиенту соответствуют. Но, например, если используется популярный сервис DNS, то IP-адреса его узлов-резолверов известны, поэтому подмена может осуществляться избирательно. Впрочем, атакующему придётся каким-то образом встать своим транзитным узлом между авторитативным сервером и сервером DNS-резолвера. Это сложно, но возможно. Причём, разными способами. А не раз продемонстрированные на практике BGP-атаки позволяют перехватить трафик между сетями, которые, в смысле маршрутизации, находятся “далеко” от точки перехвата.

Поддержка DoT на авторитативных серверах пока что является большой редкостью и встречается существенно реже, чем даже поддержка DNSSEC. Тем не менее, один масштабный пример внедрения DoT здесь уже есть: технология поддерживается авторитативными серверами Facebook, на которые делегирована зона facebook.com.

Очень много сообщений про DNS-over-HTTPS в Firefox, про то, что внедрение этого протокола, якобы, “позволяет обходить любые блокировки и DPI”. Между тем, DNS-over-HTTPS (DoH) в Firefox – это способ сокрытия DNS-запросов и DNS-ответов от третьей стороны, причём скрываются только запросы от браузера до рекурсивного резолвера (подразумевается, что до резолвера Cloudflare). Заметьте, что использование DoH не скрывает рекурсивные запросы, источником которых является браузер Firefox. Например, если некоторую уникальную DNS-метку встроить в веб-страницу, то на авторитативном сервере будет видно, откуда пришёл рекурсивный запрос, соответствующий конкретной сессии конкретного браузера. По IP-адресу источника запроса (рекурсивного резолвера), по некоторым другим признакам, можно определить, используется ли клиентом штатный DNS от провайдера доступа, или это та или иная реализация DoH. В качестве источника DNS-меток (такой источник принято называть “праймером”) с большим охватом может работать любой популярный веб-сервис или веб-сайт: например, какой-нибудь веб-счётчик (что-то подобное “Яндекс.Метрике”), страница популярной социальной сети и т.д.

Однако на пути от браузера до рекурсивного резолвера, действительно, запросы и ответы DNS не будут видны третьей стороне, просматривающей трафик, так как они в HTTPS защищены шифрованием. Но к “обходу блокировок” это относится весьма косвенно.

Предположим, что блокировка доступа к веб-ресурсу осуществляется провайдером на уровне DNS. Смысл подобного метода блокирования в том, чтобы браузер (или другие программы-клиенты) не мог определить подлинный IP-адрес, с которым требуется установить соединение. Как такая блокировка работает?

В простом варианте, провайдер так настраивает резолвер, обслуживающий клиента, что в ответ на запрос о заблокированном ресурсе (по имени домена) – резолвер возвращает не подлинный IP-адрес, а либо адрес сервера-заглушки, либо заведомо недоступный адрес. Чтобы это работало, клиент должен использовать DNS провайдера. Эта схема реализуется самыми элементарными средствами. Для её преодоления не требуется ничего зашифровывать, а достаточно использовать другой DNS-резолвер, не провайдерский.

В продвинутом варианте, уже система DPI обнаруживает все DNS-запросы и DNS-ответы, вне зависимости от того, к каким DNS-серверам они отправлены и от каких получены. Фильтрующий узел вмешивается в трафик в том случае, если силами DPI обнаружены запросы, относящиеся к заблокированным именам. Вмешательство в трафик может выражаться как в подмене ответов, так и в блокировании запросов; конечно, можно заблокировать и ответы. В этом случае DoH помогает, так как DPI перестаёт видеть DNS-трафик. Однако тот же фильтрующий узел и DPI можно настроить так, что они будут блокировать трафик DoH. Блокировать придётся весь трафик, а DPI потребуется очень серьёзно доработать. При этом в Firefox по умолчанию будут встроены средства, позволяющие предотвратить автоматическое включение использования DoH. Эти средства предназначены для корпоративных сетевых сред, где фильтрация DNS нередко является обязательным требованием “политик безопасности”. Такое поведение браузера пользователь может преодолеть, если включит использование DoH вручную.

(Отмечу, в скобках, что все описанные выше методы с подменой информации DNS противоречат DNSSEC и, соответственно, будут обнаружены, если клиент поддерживает DNSSEC.)

Защита от просмотра DNS-трафика никак не влияет на блокировку доступа непосредственно по IP-адресу узла: если соединение с конкретным адресом установить не удаётся, то не важно, как этот адрес был получен – через “открытый DNS” провайдера или через “защищённый DNS-over-HTTPS”. Да, нетрудно предложить вариант, в котором IP-адреса постоянно изменяются, а “верный адрес” передаётся только при использовании сервиса DoH. Так можно устроить, если авторитативные серверы DNS соответствующей доменной зоны как-то связаны с провайдером сервиса DoH. Однако при этом активная система блокирования может узнавать “верные адреса”, просто используя свой экземпляр браузера Firefox. Конечно, всегда остаётся экстенсивный вариант развития данной схемы, при котором, с одной стороны, сотни тысяч IP-адресов случайно распределяются по DNS-ответам, а с другой стороны – какие-то, – возможно те же, – сотни тысяч и миллионы адресов попадают под превентивную блокировку. При этом DoH здесь помогает только тем сервисам, у которых очень много IP-адресов.

Нередко можно услышать, что данный метод, применительно к проблеме блокирования доступа, хорош тем, что его трафик, по внешним признакам, не отличается от “обычного HTTPS” (то есть, от HTTPS для веб-сайта). Мало кто готов блокировать весь HTTPS-трафик. Конечно, приложив достаточно вычислительных мощностей, попытаться отличить трафик DoH от работы с веб-сайтами – можно: есть IP-адреса, есть характеристики отправляемых и принимаемых пакетов, продвинутая система блокирования умеет делать проверку сервисов (connection probe) и так далее. Другое дело, что ресурсов для блокирования потребуется действительно много и будут ложные срабатывания. Более того, в качестве следующего шага по защите возможно заворачивание DNS-трафика в “самый настоящий” HTTPS-сеанс работы с обычным веб-сайтом: DNS-запросы могут передаваться браузером в качестве нагрузки, в специальных HTTP-заголовках; и в таких же HTTP-заголовках сервер пришлёт ответы.

В целом, сверхидея DNS-over-HTTPS хорошо укладывается в самую современную концепцию в области информационной безопасности. В этой концепции “доверенными” являются только приложения – клиентское и серверное. То есть, даже операционная система не относится к доверенным. Криптография позволяет двум приложениям надёжно идентифицировать (и аутентифицировать) друг друга: браузер Firefox, используя принесённые с собой TLS-сертификаты, идентифицирует и аутентифицирует серверное приложение, которое исполняется на узлах Cloudflare и реализует сервис рекурсивного опроса доменных имён. Для схемы не важно, каким образом, по каким транзитным сетям, приложения устанавливают между собой соединение. Да, тут есть масса оговорок – про аппаратуру, которая исполняет команды; про ядро ОС, имеющее полный доступ к памяти приложений; и так далее. Но, тем не менее, логическая концепция именно такая. Развитие этой идеи в ближайшем будущем приведёт к тому, что появятся “различные интернеты”, работающие внутри того или иного приложения. Но это другая история.

Вернёмся к DoH в браузере Firefox. Данный инструмент, сам по себе, не является универсальным средством, “позволяющим обходить все блокировки”, но он защищает от утечки информации о DNS-запросах/DNS-ответах на “последней миле”: то есть, на пути от резолвера до браузера. При этом браузер замыкает на стороне пользователя некоторый особый контур, в который теперь входит и защищённая доставка контента (TLS на веб-сайтах), и собственный сервис доменных имён. “Интернет – это то, что показывается в браузере”.

Некоторое время назад в СМИ обсуждалось введение в Казахстане “обязательного TLS-сертификата”, который требовалось установить на клиентские устройства, что позволяло выполнять прозрачный перехват TLS-трафика. Эта история уже не новая: такая же схема обсуждалась в Казнете несколько лет назад.

Внедрение этого, весьма спорного, метода анализа защищённого трафика в 2019 году вызвало бурные возражения. В итоге: период, когда сертификат активно использовался (несколько недель в июле-августе 2019 года), сейчас обозначили как “тестирование применения сертификата безопасности”; сам сертификат теперь, после завершения “тестирования”, официально рекомендовано удалить с устройств (если пользователь его установил), для чего уже опубликованы инструкции.

Некоторое время назад тестовый сервер TLS 1.3, который я реализовал и, в меру сил, поддерживаю по адресу tls13.1d.pw, продемонстрировал свою практическую полезность. А я забыл об этом написать на dxdt.ru – соответственно, пишу сейчас.

Тестовый сервер поддерживает сочетание HelloRetryRequest (HRR) и ESNI (зашифрованное поле SNI). То есть, сервер иногда отправляет клиенту запрос на пересогласование параметров и при этом обрабатывает ESNI. HRR+ESNI – весьма редкое сочетание, на обычном сервере скорее не встречается (но может быть имитировано в рамках активной атаки), это и позволило мне обнаружить в NSS (библиотека, используемая браузером Firefox) ошибку, которая до этого успешно прошла через релиз-тесты.

Ошибка состояла в следующем: использование ESNI должно скрывать имя сервера, но в NSS соединение с HRR+ESNI обрабатывалось некорректно, соответственно, во втором ClientHello, в ответ на запрос HRR, имя сервера передавалось в открытом виде (в обычном расширении SNI). В итоге – утекало имя сервера, а на tls13.1d.pw в некоторых случаях не удавалось отобразить сведения про ESNI для пользователей Firefox (причина в том, что во втором ClientHello, из которого только и имеет смысл брать сведения о соединении, ESNI просто не было). Об ошибке я сообщил в Mozilla, ошибка (Bug 1517714) исправлена в релизе NSS_3.43, вышедшем в марте. Сейчас исправленный релиз уже разошёлся по всем основным сборкам браузера Firefox.

Существенная часть информации о TLS-соединении доступна системам инспекции трафика (DPI). Чаще всего, конечно, упоминается поле SNI (Server Name Indication), в котором передаётся имя сервера. Для маскировки SNI в TLS 1.3 уже предложен дополнительный механизм Encrypted SNI.

Версии TLS ниже 1.3 подразумевают передачу серверных TLS-сертификатов в открытом виде (на начальном этапе установления соединения). В состав сертификата входят и имена сервера (может использоваться несколько), и открытый ключ сервера. Открытый ключ так же идентифицирует сервер, однако в некоторых случаях один и тот же ключ может использоваться с разными именами. Серверный сертификат является важным признаком классификации TLS-соединений, с другой стороны, сертификат имеет существенный размер и требует наличия в составе DPI-системы функций, которые могут разобрать сертификаты по полям и проанализировать – всё это заметная дополнительная вычислительная нагрузка, особенно, если соединений много.

В открытом виде (версии меньше 1.3) на начальном этапе передаются и клиентские сертификаты, которые в TLS используются для аутентификации клиента сервером. Клиентские сертификаты часто применяются в решениях VPN, соответственно, анализ клиентского сертификата в этих случаях позволяет точно распознать начало VPN-соединения.

В TLS 1.3 – сертификаты уже передаются в зашифрованном виде (и серверные, и клиентские), таким образом, переход на TLS 1.3 закрывает данную утечку информации в сторону DPI. (В принципе, передать клиентский сертификат в зашифрованном виде можно и в TLS предыдущих версий, но для этого потребуется сначала установить TLS-соединение, а потом – отправить  с сервера запрос аутентификации, что не всегда совпадает с логикой использования протокола приложением.)

Особенно мощная система DPI может вести статистику соединения: в TLS-трафике присутствует открытая последовательность TLS-записей, поэтому анализирующая поток данных система видит размеры записей, а также их типы. Здесь, опять же, существенный шаг вперёд проделан в версии TLS 1.3. А именно: реальные типы записей в TLS 1.3 скрыты – виден только “исторический” тип Application, назначаемый всем записям в фиктивном заголовке, это делает поток типов однородным, полностью убирая важный источник метаданных для классификации трафика. В более ранних версиях TLS типы записей передаются в открытом виде, так что анализатор потока может обнаружить состояние TLS-сеанса (так как протокол использует записи разных типов для передачи сигналов, сообщений об ошибках и пр.)

DPI видит длину отдельных TLS-записей. Однако TLS позволяет приложению разными способами маскировать реальную длину передаваемых данных. А в TLS 1.3 имеется специально для этой цели предназначенный механизм на уровне защищённого транспорта: длина записей может выравниваться с помощью дополнения. Это означает, что реализация в версии 1.3, минимизирующая утечки метафинформации, может превратить поток данных в последовательность TLS-записей одинакового типа и одинаковой длины – DPI будет сложно за что-то зацепиться.

Подобный статистический анализ трафика требует существенных ресурсов: DPI необходимо не только собирать отдельные пакеты в сессии, но и выделять заголовки, накапливать данные для каждой сессии.

Естественно, хорошо защищённый протокол должен свести к минимуму утечки метаинформации. Это, частично, уже сделано в TLS 1.3, однако TLS является весьма универсальным протоколом, который, к тому же, проектировался с учётом повышения его эффективности в роли транспорта для массовых соединений, а не как протокол, скрытый от DPI. Поэтому пассивные анализаторы трафика всё ещё получают из TLS-соединения дополнительную информацию об узлах и состоянии приложений (дополнительную – по сравнению, например, с информацией уровня TCP, к которой относятся адреса узлов, номера портов, порядок и размер TCP-пакетов и др.). Методы криптографии позволяют спроектировать хорошо замаскированный протокол, но каждый шаг маскировки снижает эффективность, в частности, увеличивает затраты на установление соединения (это перебор адресов, генерация дополнительных секретов и т.д.). Тем не менее, ситуация тут такова, что даже небольшой, но верно спланированный шаг маскировки – существенно затрудняет работу DPI. В ряде случаев, рост “сравнительной сложности” на стороне DPI оказывается, как минимум, экспоненциальным: представьте, что специальный протокол использует перемешивание UDP-пакетов разных потоков, отправляемых по различным адресам серверов.

Подробное описание того, как работает (на практике) технология ESNI (зашифрованное поле SNI TLS), в текущей draft-версии. В качестве примера я использую тестовый сервер tls13.1d.pw, где ESNI поддерживается (а поддерживающий браузер – это Firefox свежих версий, но ESNI там нужно включить, вместе с DNS-over-HTTPS).

Введение

ESNI требует публикации данных в DNS, а также наличия дополнительного секретного ключа на сервере (это, обычно, другой ключ, а не соответствующий TLS-сертификату). В DNS публикуется запись, содержащая публичный серверный ключ ESNI. Для получения общего секрета – используется протокол Диффи-Хеллмана (см. ниже). Кроме того, в DNS-записи публикуются: интервал валидности ключа (и других параметров) ESNI (начальная и конечная даты); тип используемого симметричного шифра (используется для зашифрования имени сервера); контрольная сумма (часть значения SHA-256); номер версии протокола и ожидаемая длина данных ESNI. DNS-запись ESNI – это только информация о ключе (или ключах – их может быть несколько) и о шифре (шифрах), это публичная информация, она не содержит скрываемого имени сервера.

TLS-сервер, поддерживающий ESNI, должен уметь распознавать расширение ESNI в составе сообщения ClientHello и обрабатывать его, проверяя корректность. Кроме того, сервер должен отправить ответную, серверную запись ESNI. В этой записи содержится копия значения, полученного в зашифрованном виде от клиента. ESNI-ответ сервера так же передаётся в зашифрованном виде.

Логика работы следующая: браузер получает из DNS открытый ключ DH (протокола Диффи-Хеллмана), генерирует сеансовый симметричный ключ, зашифровывает имя сервера и некоторое уникальное значение, которые, вместе со своим открытым ключом DH, передаёт серверу в расширении ESNI ClientHello. (Я описывал этот процесс в отдельной записке.)

Часть DNS

Сейчас в качестве DNS-записи используется запись типа TXT. Возможно, в дальнейшем для ESNI выделят новый тип записи.

Структура записей, размещаемых в DNS, следующая (в нотации языка Go):

type KeyShare struct {
             Group uint16
             Key []byte
 }

type ESNIKeys struct {
            Version uint16
            Checksum [4]byte
            Keys []KeyShare
            Ciphers []uint16
            PaddedLength uint16
            NotBefore uint64
            NotAfter uint64
            Extensions []byte
 }

Данные кодируются в Base64 и публикуются в TXT-записи под именем, содержащим префикс _esni. Для tls13.1d.pw это _esni.tls13.1d.pw. Сейчас для tls13.1d.pw опубликована ESNI-запись с двумя ключами (X25519 и P-384).

Подробные описания полей:

Version

длина: два байта; значение: 0xFF01 (действующая версия, draft).

Checksum

длина: четыре байта; это контрольная сумма – первые четыре байта значения SHA-256 от всех данны структуры ESNI (для вычисления контрольной суммы поле Checksum во входных данных заполняется нулями).

Keys

длина этого поля зависит от криптосистем и их количества; здесь содержится список (массив) структур, в типовом, для TLS, формате: первые два байта содержат общую длину блока данных (в байтах), далее, для каждого элемента списка, указывается тип криптосистемы (идентификатор группы, два байта), длина (два байта) конкретной записи ключа, само значение ключа.

Рассмотрим список ключей для ESNI-записи _esni.tls13.1d.pw (здесь используется два ключа – X25519, P-384):

длина списка: 0x0089;

тип первой криптосистемы (X25519): 0x001D;
длина записи ключа (32 байта): 0x0020;
значение ключа: […] /32 байта, в криптосистеме X25519 – ключи записываются 32-байтовыми последовательностями/;

тип второй криптосистемы (P-384): 0x0018;
длина записи ключа (97 байтов): 0x0061;
значение ключа (97 байтов): 0x04[…] /ключ является точкой на кривой, записываются координаты точки, первый байт обозначает тип представления (04 – несжатое), далее – две координаты по 48 байтов: 48 + 48 +1 = 97; 48 байтов – соответствуют разрядности криптосистемы).

Ciphers

это тоже список, длина зависит от количества поддерживаемых шифров. Для tls13.1d.pw используется один шифр:

длина списка: 0x0002 (два байта – идентификатор шифра);
идентификатор шифра (AES_128_GCM): 0x1301.

PaddedLength

два байта, поле содержит максимальную длину записи списка имён в ESNI, значение, которое поддерживает сервер tls13.1d.pw: 0x0080.

NotBefore, NotAfter

всем привычные таймстемпы по восемь байтов. Интервал валидности записи.

Extensions

расширения ESNI. Они пока не определены спецификацией. Поле является списком, соответственно, пустой список представляется двумя нулевыми байтами (список, имеющий длину нуль): 0x0000.

Часть TLS

Обработка ESNI TLS-сервером, который действует на tls13.1d.pw, проводится при получении ClientHello. Это сообщение содержит список расширений, для каждого расширения указывается тип (подробнее про то, как работает TLS можно почитать в техническом описании протокола). Тип расширения ESNI – 0xFFCE (это Draft-версия!). Внутренняя логика обработки: расширения передаются в виде списка TLS-структур, длина списка задаётся первыми байтами, далее идут типы расширений и соответствующие им поля данных, каждое поле начинается байтами, содержащими длину.

Например, вот тип, описывающий клиентское расширение ESNI (представление внутри сервера):

type TLS_ESNI struct{
         Cipher uint16
         Group uint16
         KeyShare []byte
         Digest []byte
         Data []byte
 }

Клиент передаёт в ESNI идентификатор шифра (Cipher), тип криптосистемы (Group) и свой ключ DH (KeyShare), а также контрольную сумму (Digest) и, собственно, полезные данные (Data) – nonce и зашифрованное имя сервера. Значение nonce (16 байтов) – это то самое значение, которое сервер должен передать в ответном ESNI-расширении.

При разборе полей KeyShare, Digest, Data – используется обычный для TLS подход: первые два байта интерпретируются как длина записи, далее, в зависимости от типа, аналогичным способом разбираются поля данных.

Конкретно в моём тестовом сервере обнаружение и обработка ESNI устроены так: на первом шаге читаются поступившие TLS-записи, делается попытка разобрать их по TLS-сообщениями и построить список таких сообщений, если попытка удалась, то в списке выполняется поиск ClientHello; если удалось найти ClientHello, то для него вызывается парсер, который разбирает сообщение, выделяя “голову” и список расширений (здесь речь про все расширения, не только про ESNI); на втором шаге – делается попытка в списке расширений ClientHello найти расширения, необходимые для сессии TLS 1.3 (SupportedVersions и др.), это позволяет распознать нужную версию протокола; если минимальный набор расширений найден, то делается попытка обнаружить расширение ESNI. И, соответственно, если расширение обнаружено, то оно передаётся парсеру ESNI, который разбирает его по полям. Далее, используя секретный ключ для ESNI, сервер, выполняя алгоритм DH, вычисляет симметричный ключ и пытается расшифровать данные (поле Data). Если расшифрование завершилось успешно, то заполняется структура с данными из ESNI и генерируется ответное серверное расширение. (Отмечу, что это логика работы, подходящая именно для тестового сервера.)

Если возникли какие-либо ошибки в обработке ESNI, то, в действующей версии сервера, TLS-соединение завершается (с ошибкой уровня TLS). Здесь для ESNI получилось исключение, потому что многие другие ошибки и несоответствия сервер специально игнорирует, чтобы показать на странице результатов сведения об этих ошибках; наиболее существенный пример – это значение Finished клиента: некорректное значение, вообще говоря, является фатальной ошибкой, но тестовый сервер его игнорирует, выводя, впрочем, пометку (воспроизвести эту ситуацию довольно сложно – потребуется специальная утилита на стороне клиента). В дальнейшем я планирую сделать такую же мягкую обработку ошибок и для ESNI. Как минимум, наличие дефектного расширения ESNI не должно считаться фатальным.

Успешно расшифрованное имя из ESNI используется сервером, собственно, оно просто позже выводится на страницу результатов. Расшифрованное значение nonce – сервер записывает в ответное ESNI-сообщение. На этом обработка ESNI заканчивается. Если же расширение ESNI не обнаружено, то сервер продолжает обрабатывать соединение по обычной схеме. Все сообщения можно посмотреть на веб-странице, которую выводит сервер.

Да, кстати, из недавно добавленных улучшений на tls13.1d.pw: сейчас там выводятся симметричный ключ и вектор инициализации ESNI.

Речь про Интернет. Скрытые сервисы, это замаскированные сервисы, которые “внешне” неотличимы от каких-то “обычных” сервисов, но выполняют другую функцию. Своего рода стеганография на уровне установления соединения. Хороший пример – прокси-сервер, имитирующий обычный веб-узел, доступный по HTTPS. Для обнаружения скрытого сервиса нужно знать секретный ключ. Например, для веб-узла, который является прокси, логика такая: клиент, установив соединение, передаёт специальный запрос, где указывает особое значение (для его генерации нужен секретный ключ); сервер проверяет полученное значение и, если оно соответствует коду доступа, подтверждает, что здесь есть скрытый сервис. Дальше клиент уже обращается к скрытому сервису по другому протоколу. Если же передано неверное значение, то сервер просто возвращает обычный код ошибки HTTP.

Внешний сканер, которому не известен подходящий секрет, не может отличить обычный веб-узел от веб-узла со скрытым сервисом, так как даже если сканер пытается передать некоторую имитацию запроса к скрытому сервису, в ответ он получит лишь сообщение об ошибке – одинаковое и для узла со скрытым сервисом, и для обычного веб-узла. Прикрытием, в случае HTTPS, может служить любой сайт, например, какой-нибудь тематический сайт, сайт-справочник и так далее. HTTPS удобен потому, что это один из самых распространённых протоколов, кроме того, он использует TLS, а это позволяет прозрачно провести аутентификацию узла. Есть черновик RFC, в котором описан именно этот подход.

Сходную схему можно построить и на уровне TLS (но, опять же, применительно к веб-узлу). Например, так (ниже – копия моего текста, который я некоторое время назад публиковал в Facebook).

Используем TLS, поверх которого работает HTTPS на некотором сервере: то есть, это 443/tcp и всё должно выглядеть как веб-сервер для внешнего сканера. Для упрощения, считаем, что у нас TLS 1.3, вообще, это не так важно, но 1.3 подходит лучше.

В TLS, при установлении соединения, передаются специальные сообщения. В них есть разные поля, мы будем использовать те, которые предназначены для отправки (псевдо)случайных данных – клиентская пара: ClientRandom и SessionID, серверная – ServerRandom и SessionID (значение не изменяется). Оба поля, в общем случае, содержат 32 байта данных (там есть всякие ограничения, но мы будем считать, что их нет). Цель – получить наложенный протокол, который активируется внутри TLS-трафика и только при наличии некоторых ключей, а в прочих случаях – неотличим от HTTPS/TLS. Механизм следующий.

Конфигурация: сервер, реализующий веб-узел – показывает произвольный сайт, например, трансляции новостей; клиент, планирующий использовать скрытый сервис (прокси), подключается к серверу по 443/tcp через TLS.

Клиент знает определённые ключи: общий с сервером симметричный ключ Ck (пусть, 256 бит; это ключ только для конкретного клиента – на сервере ведётся реестр ключей по клиентам, см. ниже), публичный асимметричный ключ сервера Pk (может отличаться от ключа, используемого сервером в TLS; считаем, что это та или иная криптосистема на эллиптической кривой, поэтому ключ тоже 256-битный, в совсем уж технические детали я постараюсь не вдаваться). На первом этапе клиент должен передать серверу свой идентификатор (некоторое число), который позволит серверу найти на своей стороне соответствующий секретный симметричный ключ (копию Ck).

Клиент, устанавливая TLS-соединение, использует серверный ключ Pk (он должен быть известен заранее – это важно) для получения общего секрета протокола Диффи-Хеллмана (DH), вычисленную открытую часть DH клиент отправляет в поле ClientRandom, а на основе полученного секрета – генерирует сеансовый симметричный ключ (Tk) и зашифровывает свой идентификатор, который, в зашифрованном виде, записывает в поле SessionID.

Получив TLS-сообщение, сервер вычисляет секрет DH (из ClientRandom), на его основе получает симметричный ключ и расшифровывает идентификатор из SessionID. На данном этапе сервер просто запоминает полученные значения: так как возможны атаки с повтором, сервер продолжает обработку TLS-соединения, запомнив полученные ключи и идентификатор. Очевидно, что это могут быть и не ключи вовсе. В ответном TLS-сообщении – сервер отправляет свою часть DH (от другого ключа) в ServerRandom (SessionID сервер использовать не может, потому что, согласно спецификации TLS, должен передать в ответ то же значение, которое получил от клиента).

К этому моменту, клиент уже может перейти на защищённый обмен сообщениями на уровне TLS (согласно спецификации). Клиент аутентифицирует сервер средствами TLS. Если аутентификация прошла успешно, то клиент переходит к следующему шагу получения доступа к скрытому сервису (если нет, то клиент просто закрывает TLS-сессию). На основе ответа сервера, клиент вычисляет вторую итерацию DH (это DH для скрытого сервиса) – получает второй общий секрет DH_2, используя ServerRandom, и второй открытый параметр DH_s, который нужно передать серверу (см. ниже). Итак, клиент, на настоящий момент, аутентифицировал сервер и получил следующие (дополнительные) криптографические параметры: общий секрет DH_2, сеансовый симметричный ключ Tk, общий с сервером симметричный ключ Ck. На основе этих значений, используя ту или иную хеш-функцию (например, SHA-256), клиент генерирует секретный тег (256-битное значение). Клиент соединяет это значение с параметром DH_s и записывает в начало полезной нагрузки первого TLS-сообщения, это, условно говоря, magic number. Полезная нагрузка передаётся в зашифрованном виде, поэтому третья сторона тег (magic number) – не видит.

Сервер, получив TLS-сообщение, расшифровывает его штатным образом, интерпретирует начальные данные как тег, выделяет DH_s, вычисляет общий секрет DH_2, генерирует ключи (секретный ключ Ck, соответствующий клиенту, сервер определил ранее – теперь этот ключ пригодился), вычисляет значение хеш-функции и сравнивает результат с тегом. Если значения совпали, то сервер считает, что осуществляется доступ к скрытому сервису и начинает проксировать полезные данные TLS в сторону этого сервиса (там уже есть своя аутентификация и пр.) Если тег не совпал, то сервер вспоминает, что он является веб-сервером с HTTPS и отвечает обычной (подходящей) HTTP-ошибкой, так как подставной тег выглядит как неверный HTTP-запрос.

Посмотрим, что видит третья сторона, пассивно просматривающая трафик: третья сторона видит, что установлено TLS-соединение на 443/tcp (HTTPS) и узлы обмениваются информацией по TLS, внутрь заглянуть нельзя, так что проксируемый трафик не виден. Так как, при правильно выбранной криптосистеме, значения ClientRandom, ServerRandom и SessionID вычислительно неотличимы от случайных (но при этом реально являются параметрами DH и зашифрованным идентификатором), то никаких подозрений, сами по себе, вызвать не могут.

Что видит активная третья сторона, проводящая сканирование узлов? Такой сканер не знает клиентских ключей, поэтому, даже попытка имитировать доступ к скрытому сервису, путём записи произвольных значений в поля TLS-заголовков и в данные сессии – будет приводить к ошибке HTTP (либо к ошибке TLS). Понятно, что обычное HTTPS-сканирование показывает, что там какой-то веб-сайт. Таким образом, узел, реализующий скрытый сервис, неотличим от обычного веб-узла с HTTPS. Более того, если сканеру известна часть ключей, например, открытый ключ сервера Pk, то сканер всё равно не сможет сгенерировать корректный тег, так как должен для этого знать ещё и валидный клиентский ключ. До момента появления корректного тега сервер ведёт себя в точности как HTTPS-узел, поэтому, опять же, не отличается от обычного сайта.

Активный сканер, выступающий в качестве подменного узла-сервера, в надежде, что к нему подключатся клиенты, не проходит аутентификацию средствами TLS, поэтому клиент, в общем случае, никак себя не выдаёт и никакие ключи не показывает.

Конечно, если сканеру известны все ключи, то он обнаруживает скрытый сервис, это понятно. Однако на стороне сервера может быть, во-первых, реализована ротация клиентских ключей; во-вторых, можно ещё подумать над дополнением в виде “доказательства работы” – когда клиент, для успешного соединения, должен провести тот или иной перебор, затратив вычислительную мощность: дело в том, что подлинный клиент подключается к скрытому прокси редко, а потом некоторое время использует установленную сессию; а вот сканеру нужно будет тратить немалые ресурсы на проверку произвольных узлов.

Про технологию ESNI (и SNI) я не так давно написал несколько записок. Сейчас ESNI находится в процессе внедрения, интересно взглянуть на эффект, который данная технология будет иметь для систем инспекции трафика и блокирования доступа. Современные системы используют SNI (а также, в продвинутых вариантах, TLS-сертификаты) для обнаружения имён узлов, с которыми пытается установить соединение пользователь. ESNI скрывает эти имена из SNI (TLS-сертификаты скрыты в новой версии TLS 1.3), причём, текущая версия ESNI использует для этого ключи, опубликованные в DNS.

То есть, особенность ESNI в том, что в качестве дополнительного источника ключей, защищающих метаинформацию, используется независимая от TLS система – DNS. Это важный момент: для того, чтобы зашифровать “адрес обращения”, клиенту не нужно устанавливать дополнительные соединения – получить нужный ключ можно типовым запросом к системе доменных имён; вообще говоря, не обязательно при этом указывать имя того TLS-узла, с которым будет соединяться клиент.

Провайдер хостинга может использовать ключи, опубликованные под одним DNS-именем, для обеспечения доступа к “скрытым серверам” под совсем другими именами, это означает, что открытый запрос в DNS не будет раскрывать имя “целевого узла”. Например, Cloudflare сейчас использует одни и те же ключи для самых разных веб-узлов. Более того, “скрытый узел” может находиться за некоторым “фронтэндом”, имеющим другое, универсальное, имя – фактически, это Domain Fronting.

В идеале, для работы ESNI нужны DNSSEC (чтобы аутентифицировать источник ключей и защитить DNS-трафик от подмены) и DNS-over-TLS (чтобы защитить DNS-трафик от пассивного прослушивания). Но и в условиях незащищённой DNS, технология ESNI довольно эффективна (отмечу, что ESNI предусматривает и вариант, в котором ключи встраиваются в приложение, либо передаются каким-то ещё способом, без DNS).

В открытой DNS, системы анализа трафика, которые видят весь трафик клиента, могут сопоставить запрос в DNS для извлечения ключа ESNI и последующее TLS-соединение. DNS-ответ с ключами даже можно заблокировать, сделав использование ESNI невозможным (но только при условии, что ключи не были получены другим способом). Однако автоматическое корректное сопоставление имени из DNS-запроса и сессии TLS – представляют серьёзную дополнительную задачу, которая тем сложнее, чем больше объём трафика, анализируемого системой фильтрации. (Конечно, уже само наличие ESNI может являться признаком подозрительного соединения.)

То есть, ESNI, в случае массового внедрения, довольно заметно повлияет на ландшафт систем инспекции трафика. А кроме того, данная технология может подстегнуть рост распространённости DNSSEC и DNS-over-TLS. Впрочем, пока что ESNI не поддерживается распространёнными веб-серверами, да и соответствующий RFC не вышел из статуса черновика.

(Как работает ESNI – можно посмотреть на моём тестовом сервере TLS 1.3, там реализована поддержка.)

При установлении TLS-соединения имя узла передаётся в открытом виде, внутри поля (или расширения) SNI – Server Name Indication. На стороне сервера имя узла требуется для того, чтобы выбрать правильный набор сертификатов и серверных ключей, в случае, если на одном IP-адресе отвечает несколько TLS-узлов.

С появлением новой версии TLS 1.3, в которой зашифрована существенная часть сообщений, передаваемых при установлении соединения, вновь обострились споры относительно того, что хорошо бы зашифровать и SNI – ведь через это поле происходит утечка информации о том, с каким именно узлом устанавливается соединение.

Предлагалось несколько вариантов защищённого SNI. Вероятно, будет выбран вариант, использующий ключи в DNS: для него уже есть поддержка в браузере Firefox (версии 64 и Nightly) и на веб-узлах Cloudflare, несмотря на то, что сама спецификация пока в состоянии черновика.

Защищённый вариант называется ESNI (Encrypted SNI) и доступен только для TLS 1.3 (и, в будущем, выше). Рассмотрим, как он работает.

Основная идея следующая. В DNS размещается специальная запись (сейчас это TXT-запись, но, возможно, скоро появится выделенный для ESNI тип), в которой публикуется открытый ключ сервера (для протокола Диффи-Хеллмана (DH), см. ниже) и другие криптографические параметры. А именно: шифронабор, используемый для защиты SNI; группа для DH; контрольная сумма; время действия ключа. Для адресации DNS-записи служит специальное имя, имеющее вид _esni.example.com (здесь важен символ подчёркивания в начале).

Например, для узла tls13.1d.pw имя записи будет таким: _esni.tls13.1d.pw. А значением является структура с криптографическими параметрами, закодированная в Base64. Вот действующее значение для _esni.tls13.1d.pw:

“/wGu7tnmACQAHQAgLukkHH6AiIAPYODmYK/6Nz3H7N58nYZyb/WG62h4TTgAAhMBAIAAAAAAXCPQTgAAAABcQ3ROAAA=”

Эти данные нужны клиенту для того, чтобы сгенерировать симметричный ключ, который он использует для зашифрования имени сервера в ESNI.

Обычно, клиентом является браузер. Он действует по следующему алгоритму: извлекает из DNS запись, содержащую данные ESNI; используя эти данные, генерирует свою часть обмена по протоколу Диффи-Хеллмана, вычисляет общий секрет, на его основе генерирует симметричный ключ и зашифровывает SNI симметричным шифром. Получившийся шифротекст – передаётся в составе нового расширения сообщения TLS ClientHello ESNI. Вместе с зашифрованным SNI передаётся клиентский ключ DH, который необходим серверу для получения симметричного ключа. Таким образом, третья сторона, прослушивающая канал, не может прочитать значение SNI.

Конкретный пример используемых криптосистем: для (эллиптического) DH используется кривая Curve25519; в качестве шифра – AES в режиме GCM. Все эти параметры, как указано выше, записаны в DNS.

Сервер обнаруживает наличие ESNI по присутствию соответствующего расширения в сообщении ClientHello, отправленном браузером (с этого сообщения начинается процесс установления TLS-соединения). Так как сервер знает секретный ключ DH, он может вычислить общий секрет и симметричный ключ, а после этого – расшифровать имя сервера, полученное в ESNI. Также сервер, успешно обработавший ESNI, отвечает с подтверждением: возвращает клиенту уникальное значение, полученное в зашифрованной части ESNI; при этом значение передаётся в защищённом виде, то есть, получаем ещё один, дополнительный, канал подтверждения подлинности сервера (для клиента).

Очевидно, что в данной схеме имя узла потенциально передаётся в открытом виде при запросе в DNS, поэтому необходимо использовать инструменты защиты DNS-трафика. В частности, в Firefox используют DNS-over-HTTPS (DoH), но данная технология защищает трафик только на “последней миле”, то есть, на пути от рекурсивного резолвера к клиенту. Кроме того, DoH никак не решает проблему подмены DNS-ответов. То есть, в полной мере ESNI заработает только при условии поддержки DNSSEC и внедрения TLS для защиты DNS-транзакций на всех этапах. Тем не менее, с чего-то нужно начать, поэтому внедрение ESNI в распространённый браузер – весьма хороший стимул, который может подтолкнуть и другие технологии.

В качестве теста, я реализовал ESNI, в только что описанной версии, на сервере tls13.1d.pw. Попробовать можно при помощи браузеров Firefox Nightly или Firefox 64. Поддержка ESNI включается в “about:config” (в 64-й версии уже должна быть включена “из коробки”); обязательно нужно также активировать DoH (DNS-over-HTTPS), указав URI сервера, который будет обслуживать DNS-запросы – в Firefox ESNI без DoH не работает.

Если вы зайдёте на tls13.1d.pw с поддержкой ESNI, то информацию об этом сервер выведет в начале страницы – как на скриншоте (update, 10/04/19: ошибку в Firefox исправили, начиная с версии 66.0.2 в основной линейке, так что поддержка ESNI теперь не зависит от пересогласования параметров;update, 05/02/19: из-за ошибки в библиотеке NSS, на которой базируется реализация TLS в Firefox, увидеть при помощи этого браузера ESNI на tls13.1d.pw можно только в том случае, если сервер не использовал пересогласование параметров – то есть, нужно несколько раз обновить страницу; подробнее – в отдельной записке).