DTLS 技术要点解析

一、DTLS

DTLS 是指 Datagram Transport Level Security，即数据报安全传输协议； 
其提供了UDP 传输场景下的安全解决方案，能防止消息被窃听、篡改、身份冒充等问题。 
DTLS作为UDP版本的TLS，具备了同样的安全机制和防护等级，在版本上存在对应关系，如DTLS 1.2版本对应于 TLS1.2。

二、握手流程

前面的文章介绍过TLS的相关算法流程，对于传输层安全来说，密钥交换机制和数据加密及签名算法决定了整个方案的安全等级。 
而密钥协商都必须通过握手流程完成，因而这是理解DTLS的关键要点。

根据RFC6347定义，一个DTLS握手流程如下所示：

   ------                                          ------

   ClientHello             -------->                           Flight 1

                           <-------    HelloVerifyRequest      Flight 2

   ClientHello             -------->                           Flight 3

                                              ServerHello    
                                             Certificate*     
                                       ServerKeyExchange*      Flight 4
                                      CertificateRequest*     /
                           <--------      ServerHelloDone    /

   Certificate*                                              
   ClientKeyExchange                                          
   CertificateVerify*                                          Flight 5
   [ChangeCipherSpec]                                         /
   Finished                -------->                         /

                                       [ChangeCipherSpec]     Flight 6
                           <--------             Finished    /

    流程与TLS概念上是一致的，其中Flight对应一次通过网络发送的数据包；

    HelloVerifyRequest 用于服务端对客户端实现二次校验；

    Certificate是交换的证书，由协商后的算法确定是否需要传输；

    当服务端要求验证客户端身份时，发起CertificateRequest，此时客户端需要发送证书；

    ChangeCipherSpec是一个简单的标记，标明当前已经完成密钥协商，可以准备传输；

    Finished消息表示握手结束，通常会携带加密数据由对端进行初次验证。

三、关键算法

DTLS 由于网络IO机制的限制，其支持的算法为TLS的子集。 
这里将DTLS算法描述为一种算法可能并不恰当，因为一个完整的DTLS过程中，所涉及的算法是很多的，比如 
TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256，这其中涉及的算法包括：

1 密钥交换算法 ECDHE_RSA，这是由ECC和DH密钥交换算法衍生出来的算法； 
2 动态密钥算法 AES_128_GCM，用于实现数据包的加解密； 
3 MAC算法 HMAC_SHA256，用于创建加密数据块的摘要； 
4 伪随机函数 PRF，TLS1.2 定义其与MAC算法一致。

因此将一个DTLS过程中协商使用的算法列表称谓算法套件，即CipherSuite，个人认为这个定义还是比较好理解的。

以下是几个常用的 CipherSuite

TLS_PSK_WITH_AES_128_CBC_SHA256
TLS_PSK_WITH_AES_128_CCM_8
TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256
TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CCM_8

算法的选择

不同算法带来的数据传输及计算性能开销是不同的，尤其在UDP场景下，我们可能更关注的是网络IO的不稳定性，MTU过载导致丢包等等问题。

非对称密钥加解密的性能是低下的，尤其在微型设备上，其计算资源十分有限，因此采用轻量级的密钥交换算法可能是最佳方案。 
PSK(Pre shared key) 算法中，服务端为终端预置了密钥，在交换过程中凭一个identity信息可快速完成信息交换，这个极大简化了密钥交换的工作。 
一个典型的PSK握手流程如下所示：

         Client                                               Server
         ------                                               ------
         ClientHello                 -------->

                                     <--------    HelloVerifyRequest
                                                   (contains cookie)

         ClientHello                  -------->
         (with cookie)
                                                         ServerHello
                                                  *ServerKeyExchange
                                      <--------      ServerHelloDone
         ClientKeyExchange
         ChangeCipherSpec
         Finished                     -------->
                                                    ChangeCipherSpec
                                      <--------             Finished

         Application Data             <------->     Application Data

PSK方案的缺陷在于其无法较好的防止PSF(Perfect Forward Secrecy)攻击问题，一旦PSK泄露，将丢失安全性。

然而方案的选择并非力求完美，我们往往要找的是最适合需求的方案。PSK方案轻量级，节省开销，且具备一定的通用性； 
而对于安全级别特别高的场景，你或许可以选择ECDHE交换算法，而为了节省证书传输的开销，你可以采取一些扩展机制，如Raw Public Key。 
这是一种允许直接将公钥数据替代证书的方案，可一定程度节省CA证书传输及信任链校验的开销。

RFC7925 对物联网场景下的DTLS提供了一些扩展定义，可供参考。

四、防护机制

A. 握手流程

握手流程必须严格按顺序执行，因此有必要保证消息可靠到达，按序接收。

重传 
DTLS 采用了简单的重传机制来确保握手消息到达，流程如下：

         Client                                   Server
         ------                                   ------
         ClientHello           ------>

                                 X<-- HelloVerifyRequest
                                                  (lost)

         [Timer Expires]

         ClientHello           ------>
         (retransmit)

顺序 
为保证握手消息按序传输，每个handshake消息包含了一个序列号； 
接收方直接处理属于当前步骤的消息，对于提前到达的消息则提供一个队列进行缓存；

分段 
理论上一个握手消息可能接近2^24-1字节, 而UDP 传输中往往限制于MTU 大小，一般为1500字节； 
因此 DTLS 要求针对握手消息实现分段，每一个握手消息都可能包含了fragment的offset 和长度，由接收端重新组装；

重复 
DTLS 定义了消息重放检测机制，由接收方维护一个bitmap用于记录一接收的数据包，用于检测重复数据包；建议解决方案实现对bitmap的自动老化。 
该做法借鉴了IPsec AH/ESP机制。

B. 数据包传输

加解密算法很可能依赖于上下文，如CBC组合算法中，当前数据包的解密依赖于上一个数据包，因此有必要保证数据包传输的可靠和有序； 
DTLS为每个加密数据包增加了MAC鉴权摘要，用于保证数据包的完整性；此外显式附带了一个SN号用于排序。

C. Dos攻击

攻击者很可能会利用一些已入侵的主机对服务器展开攻击(数据包转发)，通过瞬时对DTLS服务器发送大量的握手消息导致服务器资源耗尽； 
DTLS定义了基于cookie验证的机制来预防攻击，如前面流程中涉及的HelloVerifyRequest便是用于进行cookie验证

      Client                                   Server
      ------                                   ------
      ClientHello           ------>

                            <----- HelloVerifyRequest
                                   (contains cookie)

      ClientHello           ------>
      (with cookie)

      [Rest of handshake]

Cookie的算法：HMAC(Secret, Client-IP, Client-Parameters) 
其中Secret由server端内置，用于计算cookie值，client端需要在接收到VerifyRequest后提供同样的cookie值； 
server端根据发送方IP计算cookie值，一旦返现不一致则判定为非法数据。

D. 会话恢复

握手流程所占的开销是较大的，与TLS类似，DTLS也定义了会话恢复机制。

   Client                                           Server
   ------                                           ------

   ClientHello             -------->                          Flight 1

                                              ServerHello    
                                       [ChangeCipherSpec]     Flight 2
                            <--------             Finished    /

   [ChangeCipherSpec]                                         Flight 3 
     Finished -------->

简单原理 
握手成功之后，Server端将生成SessionID 返回，客户端在下次连接时附带SessionID； 
若验证通过，可直接沿用原有的会话数据，包括协商算法和密钥。

五、与TLS的不同

最后，总结下与TLS的差异吧

1. TLS 建立于TCP可靠的传输机制之上，而DTLS基于UDP，必须自建保障机制： 
   DTLS 必须检测MTU大小，当应用层数据包超过时报错； 
   为防止握手的IP数据包超载导致丢失，DTLS 针对握手消息实现fragment处理。

2. TLS 在传输出错时会中断连接，而DTLS需兼容多种出错场景，出错时往往直接丢弃处理；

3. DTLS不支持RC4流加密算法。

六、参考文档

DTLS1.2 定义 
https://tools.ietf.org/html/rfc6347 
DTLS -IOT extension 
https://tools.ietf.org/html/rfc7925#section-4.1 
TLS /SSL 原理解析 
http://seanlook.com/2015/01/07/tls-ssl/ 
关于TLS的隐式向量 
https://en.wikipedia.org/wiki/Initialization_vector 
老外写的关于PSF的文章 
https://vincent.bernat.im/en/blog/2011-ssl-perfect-forward-secrecy.html