OpenVPN协议解析-握手数据包分析

学习一种协议的最好的方式就是研究它的数据包，这样可以加深对协议的理解。对于研究过某种协议数据包的家伙来讲，他一定知道协议头的哪个位置对应哪个字段，虽然这对于理解协议为什么这么设计可能没有太大的帮助，然而对于排查问题和实际实施是很有帮助的。既然很多人都对RichardStevens的《TCP/IP详解》情有独钟，咱就剽窃他的风格，解析一下OpenVPN的握手是如何完成的。本文分析70余个数据包，当然，最终我会略去重复的内容，来看看OpenVPN的握手协商过程。1.分析前的解释1.1.数据包格式本文以如下格式分析每一个握手数据包，具体OpenVPN数据包的格式，请参阅《OpenVPN协议解析-网络结构之外》：1.1.1.本文为了节省篇幅，省去了UDP以下各层的数据，直接从OpenVPN的封装开始。1.1.2.以下为数据包格式，xx为十六进制字节：A-B：方向，分别为Server-Client和Client-Server|xx|：操作码+keyid，1字节，xx右移5位就是操作码|xx|xx|xx|xx|xx|xx|xx|xx|：sessionID，这个ID是单方向的，8字节|xx|xx|xx|xx|xx|xx|xx|xx|1a|de|38|06|ab|5e|55|0f|8f|ed|ea|ca|：数据包消息MAC，本文启用tls-auth选项，本文MAC长度20字节(使用SHA1)|xx|xx|xx|xx|xx|xx|xx|xx|：包id和时间戳，包括ack包的id和时间戳，在该方向每法送一个包，包id都会递增。8字节|xx|[...|xx|...]：如果ackbufferlength长度为0，没有ack信息，如果不为0，则后面包含确认的包序列号，然后追加一个对端的sessionid，变长|xx|xx|xx|xx|：包序列号，不包括ack包，也就是说，发送一个非P_ACK包，包序列号才会递增，实际上如果是P_ACK包，根本就没有这一行字段。4字节1.2.TLS/SSL握手协议关于TLS/SSL握手协议，最好的资料是RFC，然后或许看OpenSSL的源码上手更快些。这里仅给出几个图示和几点解释，SSL握手协议包格式如下：不管是记录协议还是握手协议，都会有一个recordheader，该record格式如下：其中，如果是SSL握手协议的话，recordheader的type字段为0x16，我们使用的TLS，因此其major和minor分别为0x03和0x01。接下来，我们看一下握手头：其中握手类型分别为：Clienthello：0x01Serverhello：0x02Certificate：0x0bServerkeyexchange：0x0cCertificaterequest：0x0dServerhellodone：0x0eCertificateverify：0x0fClientkeyexchange：0x10Finish：0x141.3.SSL握手协议和OpenVPN握手的关系我们知道，OpenVPN的连接建立使用了SSL握手协议，可是却抓不到SSL握手包，实际上SSL握手协议是作为一种载荷封装在了OpenVPN的协议包里面了，SSL握手协议数据实际上是写入了一块内存，然后OpenVPN从该内存中读出这些数据包，然后封装后通过reliable层发出，数据到达对端后，解封装后写入一块内存，然后SSL从内存中读出SSL握手载荷，一切都是通过BIO实现的。(如不甚理解，请参阅《OpenVPN协议解析-网络结构之外》)可以看出，SSL和OpenVPN属于不同的层次，SSL握手协议在OpenVPN握手协议之上，然而当SSL握手结束后，OpenVPN的密钥协议又在SSL记录协议协议之上，更清晰的图示如下所示：因此，OpenVPN握手协议可以将SSL握手载荷随意拆分和合并，它们通过BIO建立的内存区域建立唯一的联系。2.OpenVPN数据包详解2.1.第1个数据包Client-Server|38||5f|f2|07|b2|27|12|14|2d||5d|67|45|d5|59|1a|c5|b5|1a|de|38|06|ab|5e|55|0f|8f|ed|ea|ca||00|00|00|01|4d|da|14|7c||00||00|00|00|00|这是OpenVPN连接的第一个数据包，当然也是握手的第一个数据包，在这里首先要提出的是，通过紧接着后面两个数据包，我们可以看出，虽然OpenVPN首推UDP，且本文解析的数据包也是基于UDP的，然而对于OpenVPN握手，是必须要保持连接和保证传输的，因此实现了reliable层，OpenVPN的握手完全基于reliable层，等完成了握手，协商好了密钥(注意，这个密钥不是SSL握手协商出来的，而是在SSL记录协议上协商出来的)，reliable层就不需要了，OpenVPN记录协议并不需要reliable层(它只是一个运输协议，如IP协议)。既然reliable层是一个有连接和保证传输的协议层，那么最简便的实现方式就是模仿已有的实现，那就是TCP，虽然reliable层是一个高度简化的保证传输的版本，但是三次握手是少不了的，因此第一个数据包和下面两个数据包就是三次握手包。除了和TCP一样，三次握手建立连接之外，OpenVPN的握手协议的三次握手还协商了一个信息，那就是密钥交换算法，这个协商通过其操作码可以看出，第一个数据包的操作码是0x38，右移5位就是7，因此其表示第二类密钥协商算法。其中第二行表示一个session，这个session识别了一个连接，它是单方向的，每一个方向一个。然后第三行是一个HMAC值，在本文，它是20个字节(特定于MD5和SHA1)，这个HMAC只有在开启tls-auth时才存在，其计算的密钥是静态配置的，两端必须配置一致。tls-auth相当于OpenVPN协议在已经很安全的SSL协议外又加固了一层，者有效防止了拒绝服务攻击，毕竟，SSL连接的安全性在于其建立安全通路的方式和建立后的安全性，其缺点就是消耗大量的资源。再往下一行是一个packetid和一个时间戳，这两个字段一共占据8个字节，它有效的防止了重放攻击。再往后一行，为一个单字节0x00，可见第一个数据包并不想确认任何数据，这也是正常的。最后是一个包序列号，占据4个字节，为0，每个方向的非确认包(P_ACK)，都拥有一个序列号，这个序列号是用于保证传输的，并不是用于防止重放攻击的，注意，它和packetid的意义是不同的，确认包并不包含序列号。2.2.第2个数据包Server-Client|40||7a|26|7c|45|a6|72|e1|a2||b0|72|21|0a|c1|3f|f1|4a|bc|79|46|14|30|51|f3|0c|64|63|54|de||00|00|00|01|4d|da|14|7c||01|00|00|00|00|5f|f2|07|b2|27|12|14|2d||00|00|00|00|第二个数据包是服务器发往客户端的，类似于TCP的SYN/ACK，和第一个数据包一样，它的操作码也标识了密钥交换算法，这次是8，表示服务器使用第二类密钥交换算法，这样就和客户端达成了一致。第二行是一个sessionid，这是另一方向的sessionid。后面的数据意义和第一个包是一样的。最后一行，也是一个4字节的0，这表示在从服务器端到客户端这个方向上，这是第一个数据包。值得注意的是，我们看第5行，第一个字节为1，说明有一个数据包确认，紧接着4个字节为0，说明它确认的是Client到Server方向的第一个数据包，再往后的8个字节是Client到Server方向的sessionid。2.3.第3个数据包Client-Server|28||5f|f2|07|b2|27|12|14|2d||40|20|5a|f4|92|2c|a7|4e|8e|f5|1a|e8|45|06|e7|5a|ae|64|64|85||00|00|00|02|4d|da|14|7c||01|00|00|00|00|7a|26|7c|45|a6|72|e1|a2|这是一个确认包，从操作码可以看出来，0x28右移5位就是5，这就是P_ACK_V1。说明这是一个确认。由于它是一个纯确认包，它没有最后的包序列号。我们直接看第5行，它的意义和第二个数据包是一样的。到此为止，实际上我们已经没有必要在继续分析下去了，如果你已经理解了这前三个数据包的话，实际上对于OpenVPN的握手协议你基本已经理解了。然后我还要继续下去，因为接下来就要开始SSL握手了。可以通过接下来OpenVPN的握手协议对SSL握手协议的封装来解释为何抓取不到OpenVPN的SSL连接握手包。2.4.第4个数据包Client-Server|20||5f|f2|07|b2|27|12|14|2d||57|b8|8a|a1|3c|0f|84|2b|91|42|2a|92|c6|f4|55|c9|7c|82|48|65||00|00|00|03|4d|da|14|7c||00||00|00|00|01||16|03|01|00|5f|01|00|00|5b|03|01|4d|da|14|7c|77|15|6d|32|69|2a|3d|90|fc|8d|3d|a6|68|83|3f|11|e2|63|b7|1b|e5|d1|46|95|3b|99|a6|e5|00|00|34|00|39|00|38|00|35|00|16|00|13|00|0a|00|33|00|32|00|2f|00|66|00|05|00|04|00|63|00|62|00|61|00|15|00|12|00|09|00|65|00|64|00|60|00|14|00|11|00|08|00|06|00|03|01|00|通过前三个包的分析，我们看出，它们是没有包含数据的，这很类似于TCP的三次握手消息。这第四个数据包是第一个包含数据的OpenVPN握手包。如果我们仔细观察一下OpenVPN的握手协议头，发现它里面实际上是没有长度信息的。这是因为我们讨论的是UDP上的OpenVPN，UDP数据报的长度是收发一致的，如果是TCP的话，它是流式的，收发不一致，当然是需要一个长度追加在操作码前面。另外，在深入数据载荷之前，我们看一下第六行，也就是一个4个字节的包序列号，这时是0x01，说明这是Client到Server方向的第二个数据包，我们数一下，也真的是这样。好了，我们看一下其数据载荷的前面几个字节，其前5个字节0x16，0x03，0x01，0x00，0x5f，我们发现它是SSL记录头的格式，0x16是其type，实际上就是握手协议，后面的0x03和0x01是major和minor号，后面的两个字节表示SSL握手消息长度，那么它到底是什么SSL握手消息呢？我们根据SSL握手协议头的格式，其第一个字节是0x01，也就是Clienthello，它的长度是后面的3个字节。最终，我们发现，这个OpenVPN协议封装的数据载荷就是SSL握手消息中的Clienthello消息。2.5.第5个数据包Server-Client|20||7a|26|7c|45|a6|72|e1|a2||4c|b7|ae|78|e9|67|ca|bb|2b|71|0d|fc|48|51|08|9a|30|6c|dd|54||00|00|00|02|4d|da|14|7c||01|00|00|00|01|5f|f2|07|b2|27|12|14|2d||00|00|00|01||16|03|01|00|2a|02|00|00|26|03|01|4d|da|14|7c|5b|f3|9a|fa|b9|d3|b1|75|b7|ba|4f|9d|33|6e|4b|25|cc|f3|dd|6f|d6|73|b0|6e|f0|ac|aa|f4|00|00|39|00|16|03|01|04|8b|0b|00|04|87|00|04|