Лабораторная работа №3

Цель работы

Изучить инфраструктуру открытых ключей на примере создания сертификата удостоверяющего центра, подписи сертификата, и настройки веб-сервера для использования TLS.

Теоретическая часть

Файл hosts

Файл hosts - текстовый файл, содержащий доменные имена и соответствующие им IP адреса. Файл hosts - первый в списке алгоритмов распознавания имен, поэтому если для доменного имени нашелся соответствующий IP адрес, то все остальные алгоритмы использованы не будут, т.е. не будет отправлен DNS запрос, NetBIOS запрос и т.д.

В ОС Windows файл hosts находится по пути C:\Windows\system32\drivers\etc, в unix-based системах - /etc/hosts.

Строка файла hosts обычно состоит из IP адреса, идущего за ним пробела, и доменного имени. Часто для блокировки подключения к конкретных доменным именам, им в соответствие ставят IP адрес 0.0.0.0.

Асимметричная криптография

В отличие от симметричной криптографии, в асимметричной используется два ключа: открытый (публичный, public) и закрытый (секретный, "приватный", private). Открытый ключ распространяется свободно, а закрытый держится в секрете и хранится только у владельца. Сообщение, зашифрованное для одного ключа, можно расшифровать только другим, поэтому для шифрования сообщений используют открытый ключ, при этом адресат расшифровывает сообщение соответствующим закрытым ключом, а для подписи - закрытый ключ, чтобы расшифровать (проверить действительность подписи, т.е. личность подписывающего) ее могли все, т.к. соответствующий открытый ключ распространяется свободно.

На практике операция шифрования данных асимметричной криптографией используется чаще всего в фазе установления соединения только для шифрования ключа симметричного шифра, который будет использоваться для шифрования всех остальных данных.

Инфраструктура открытых ключей

Инфраструктура открытых ключей (PKI - public key infrastructure) - набор средств, служб и компонентов, в совокупности используемых для поддержки криптозадач на основе закрытого и открытого ключей.

Основные Принципы:

• закрытый ключ (private key) известен только его владельцу
• удостоверяющий центр (УЦ или CA - certificate authority) создает сертификат, таким образом удостоверяя факт того, что закрытый ключ известен только владельцу этого сертификата
• никто не доверяет друг другу, но все доверяют удостоверяющему центру
• удостоверяющий центр подтверждает или опровергает принадлежность открытого ключа заданному лицу, которое владеет соответствующим закрытым ключом

Удостоверяющие центры

Удостоверяющий центр является структурой, формирующей цифровые сертификаты подчиненных центров сертификации и конечных пользователей. УЦ является доверенной третьей стороной.

Сертификат - это данные пользователя/сервера и его открытый ключ, скрепленные электронной подписью удостоверяющего центра. Выпуская сертификат открытого ключа, удостоверяющий центр тем самым подтверждает, что лицо, записанное в сертификате, владеет закрытым ключом, который соответствует этому открытому ключу.

Корневые удостоверяющие центры - центры сертификации, которым доверяют изначально все, либо руководствуясь политикой предприятия, либо из-за предустановленных настроек хранилища сертификатов, и которые могут находиться в начале пути доверия.

Сертификаты

Простой сертификат содержит следующие поля:

• Serial Number - серийный номер, используется для идентификации сертификата в автоматизированных системах УЦ
• Subject - кому принадлежит сертификат: конкретной машине, лицу, организации
• Issuer - издатель сертификата, тот, кто его подписал
• Not Before - дата начала действия сертификата
• Not After - дата конца действия сертификата
• Key Usage - задачи, для которых действителен публичный ключ сертификата: проверка подписи, подпись других сертификатов (только для УЦ, не разрешена у конечных сертификатов) и т.д.
• Extended Key Usage - для каких еще задач может быть использован сертификат: аутентификация сервера, защита почты, подпись программного кода
• Public Key - публичный ключ
• Signature Algorithm - алгоритм подписи
• Signature - подпись: хеш и подпись (алгоритмом из поля Signature Algorithm) секретным ключом издателя сертификата

Поле Subject часто состоит из:

• common name (CN) - доменное имя
• organization (O) - организация
• organizational unit (OU) - единица внутри организации, например отдел
• country (C) - страна (например US)
• locality (L) - город (например San Francisco)
• state (ST) - штат или область (например California)

Сертификат считается самоподписанным, если его издатель совпадает с самим сертификатом. Подпись в таком случае проверяется публичным ключом самого сертификата. Сертификаты корневых УЦ обычно самоподписанные.

Для получения сертификата у УЦ необходимо сформировать запрос на подпись сертификата (CSR - certificate signing request), который не будет рассматриваться в контексте данной лабораторной работы.

Цепь сертификатов на примере сайта https://www.opennet.ru:

$ openssl s_client -showcerts -connect www.opennet.ru:443
depth=2 C = US, O = Internet Security Research Group, CN = ISRG Root X1
verify return:1
depth=1 C = US, O = Let's Encrypt, CN = R3
verify return:1
depth=0 CN = opennet.ru
verify return:1
---
Certificate chain
 0 s:CN = opennet.ru
   i:C = US, O = Let's Encrypt, CN = R3
   a:PKEY: rsaEncryption, 4096 (bit); sigalg: RSA-SHA256
   v:NotBefore: Jul 10 18:53:16 2023 GMT; NotAfter: Oct  8 18:53:15 2023 GMT
   ...
 1 s:C = US, O = Let's Encrypt, CN = R3
   i:C = US, O = Internet Security Research Group, CN = ISRG Root X1
   a:PKEY: rsaEncryption, 2048 (bit); sigalg: RSA-SHA256
   v:NotBefore: Sep  4 00:00:00 2020 GMT; NotAfter: Sep 15 16:00:00 2025 GMT
   ...
 2 s:C = US, O = Internet Security Research Group, CN = ISRG Root X1
   i:O = Digital Signature Trust Co., CN = DST Root CA X3
   a:PKEY: rsaEncryption, 4096 (bit); sigalg: RSA-SHA256
   v:NotBefore: Jan 20 19:14:03 2021 GMT; NotAfter: Sep 30 18:14:03 2024 GMT
   ...

Виден сертификат CN = opennet.ru, который принадлежит непосредственно сайту, который издан C = US, O = Let's Encrypt, CN = R3, который издан C = US, O = Internet Security Research Group, CN = ISRG Root X1.

Последний является сертифкатом корневого УЦ. Найти его можно в системном хранилище сертификатов корневых УЦ, а также в веб-браузерах, которые обычно имеют свои списки, которые обновляются независимо от механизма обновления ОС. ISRG Root X1 в хранилище сертификатов Firefox:

Сертификат между корневым и принадлежащим конкретно opennet.ru, принадлежит Let's Encrypt. Let's Encrypt - популярный УЦ, появившийся в 2014 году, предоставляющий бесплатные сертификаты при условии подтверждения владения сервером. Подтверждение может быть целиком автоматизировано и состоит из создания файла с одноразовой строкой на сервере и отдачей его по HTTP.

Сертификат, принадлежащий opennet.ru, не имеет способности подписывать другие сертификаты.

С точки зрения безопасности, атакующий, получивший доступ к сертификату доверенного УЦ, может подписывать любые сертификаты и использовать их, например, для перехвата трафика, если организует атаку типа "человек посередине" (не обязательно активная атака, это может сделать, например, VPN-провайдер). Неоднократно из списка корневых сертификатов удалялись сертификаты УЦ, действия которых были подозрительными (примеры: TrustCor, Symantec).

Тем не менее, по сей день в списке корневых сертификатов можно встретить например Hongkong Post Root CA (виден на скриншоте выше), который, судя по всему, принадлежит почте Гонконга. Срок его действия абсурдно большой - 2017-2042 годы. Стоит ли доверять почте Гонконга так, как это делает по умолчанию Firefox?

Практическая часть

В практической части будет рассмотрено создание сертификата УЦ, подписи сертификата веб-сервера и настройка веб-сервера nginx. Создание УЦ или использование самоподписанных сертификатов на практике часто используется в интранетах различных компаний.

Инструменты

Kali Linux - дистрибутив GNU/Linux для проведения тестов безопасности. Основан на основе Debian, имеет множество предустановленных инструментов.

XCA - программа для управления ключами и сертификатами.

nginx - веб-сервер.

Firefox - веб-браузер.

Создание и запуск виртуальной машины

1. Тип: Linux, Debian (64-bit)
2. Оперативная память: 2560 МиБ, процессор: 2+
3. Жесткий диск: отсутствует
4. CD диски: kali-linux-2023.1-live-amd64.iso и kalipackages.iso

После создания ВМ:

1. Запустить ВМ
2. Выбрать "Live system (amd64)" в загрузчике
3. Дождаться загрузки
4. Открыть терминал: ПКМ по рабочему столу > Open Terminal Here
5. Если рабочий стол виртуальной машины слишком маленький относительно размера окна в хост-системе, то попробовать изменить размер окна ВМ. Если не помогло, то ПКМ по рабочему столу > Open Terminal Here, ввести xrandr --output Virtual1 --mode 1920x1080, где 1920x1080 - одно из поддерживаемых разрешений. Полный список можно посмотреть выполнив xrandr без агрументов.
6. Открыть диск Packages (значок есть на рабочем столе), открыть терминал в открывшейся директории, выполнить sudo dpkg -i xca*.deb

Создание БД в XCA

XCA хранит все данные в базе данных. Для создания базы данных необходимо выбрать File > New DataBase, после чего ввести название и нажать Save. После этого программа предложит ввести пароль, при этом разрешается использовать пустые пароли.

Создание приватных ключей в XCA

1. Выбрать вкладку Private Keys
2. Нажать New Key
3. Ввести название ключа, выбрать тип и длину
4. Нажать Create

Генерация сертификата

1. Выбрать вкладку Certificates
2. Нажать New Certificate
3. Выбрать шаблон (Template for new certificate). В контексте лабораторной работы либо [default] CA для удостоверяющего центра, либо [default] TLS_server для веб-сервера. Нажать Apply all.
4. Выбрать издателя сертификата: либо другой сертификат, либо самоподписанный (Create a self signed certificate)
5. Заполнить поля во вкладке Subject. Поля commonName в контексте лабораторной работы будет достаточно.
6. Выбрать правильный приватный ключ (Private key)
7. Нажать OK

Если сертификат был издан УЦ, то он будет скрыт в раскрывающемся списоке соответствующего сертификата УЦ.

Экспорт сертификатов из XCA

1. Выбрать необходимый сертификат
2. Нажать кнопку Export (справа)
3. Ввести название файла
4. Выбрать формат. В контексте лабораторной работы: если необходима полная цепочка, то необходимо выбрать PEM chain (*.pem), иначе PEM (*.crt).
5. Нажать OK

Экспорт ключей из XCA

1. Выбрать необходимый ключ
2. Нажать кнопку Export (справа)
3. Ввести название файла
4. Выбрать формат. В контексте лабораторной работы PEM private (*.pem).
5. Нажать OK

Настройка TLS в nginx

1. Открыть терминал: нажать на значок в верхнем левом углу (рядом с цифрой 1)

2. Открыть /etc/nginx/nginx.conf в любом текстовом редакторе (предустановлены vim и nano) с правами root.

   В случае nano: sudo nano /etc/nginx/nginx.conf. Перемещение стрелками, Ctrl-S - сохранить, Ctrl-X - выйти.

3. В блок http (начинается со строки http {) добавить:

   server {
     listen 443 ssl;
     ssl_certificate /home/kali/XXYY.com.pem;
     ssl_certificate_key /etc/nginx/Cert_key.pem;
   }

   Где XXYY.com.pem - имя файла экспортированного сертификата, Cert_key.pem - имя файла приватного ключа.

4. Сохранить, выйти из текстового редактора, выполнить sudo systemctl restart nginx.

Добавление записи в файл hosts

Аналогично прошлому пункту открыть файл /etc/hosts в текстовом редакторе, добавить строку:

127.0.0.1 XXYY.com

Сохранить и выйти из редактора.

Это необходимо делать так как при подключении по HTTPS будет проверяться соответствие сертификата доменному имени, поэтому при подключении к https://127.0.0.1/ будет выведена ошибка, а при подключении к https://XXYY.com/ - нет.

Добавление УЦ в Firefox

Нажать Alt на клавиатуре > Edit > Settings > Privacy & Security > View Certificates > Authorities > Import > УЦ_ИУ5-XX_YY.crt (название файла сертификата УЦ), поставить галочку "Trust this CA to identify websites", нажать OK.

Информация о сертификатах в Firefox

На примере имени xx1.com.

Нажать на значок с изображением замка:

Далее Connection secure > More information > View Certificate.

Начало информации о сертификате веб-сервера будет выглядеть примерно так:

А информация об УЦ так:

Задание

Далее XXYY - число, где XX - номер группы, YY - порядковый номер студента в группе.

1. Запустить ВМ
2. Запустить XCA, создать базу данных
3. Создать два приватных ключа: один для удостоверяющего центра, другой для сертификата веб-сервера
4. Создать самоподписанный сертификат УЦ. В commonName включить номер группы и порядковый номер студента в группе.
5. Создать сертификат для веб-сервера, изданный УЦ. commonName в формате XXYY.com
6. Экспортировать полную цепочку сертификата веб-сервера, приватный ключ сертификата веб-сервера, и сертификат УЦ
7. Настроить TLS в веб-сервере nginx
8. Добавить запись для распознавания доменного имени XXYY.com в файл hosts
9. Добавить УЦ в Firefox
10. Открыть https://XXYY.com/ в Firefox (значок слева от значка терминала), продемонстрировать демо-страницу, информацию о сертификате веб-сервера и УЦ