SSHv2 密钥交换（Key Exchange）详解

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在密钥交换开始前，客户端和服务端会协商确定本次会话使用的算法组合。具体过程如下：

交换算法列表
- 客户端和服务端各自发送支持的算法列表，包括：
  - 密钥交换算法（如 diffie-hellman-group14-sha256）
  - 加密算法（如 aes256-ctr）
  - MAC算法（如 hmac-sha2-256）
  - 压缩算法（如 none 表示不压缩）
选择共同支持的算法
- 双方从对方的列表中按优先级选择第一个匹配的算法。
- 例如：
  - 客户端发送的密钥交换算法列表：curve25519-sha256, diffie-hellman-group14-sha256
  - 服务端支持的列表：diffie-hellman-group14-sha256, ecdh-sha2-nistp256
  - 最终选定 diffie-hellman-group14-sha256。

以 Diffie-Hellman Group 14 (2048-bit) 为例，说明临时密钥的生成与会话密钥的计算。

客户端和服务端各自独立生成一对临时公私钥：
- 私钥：随机大整数 ( x )（客户端私钥为 ( x_C )，服务端私钥为 ( x_S )），保密存储。
- 公钥：通过公式 ( g^{x} \mod p ) 计算得到（( g ) 和 ( p ) 是公开的 Group14 参数）。

共享密钥 ( K ) 不会直接用于加密数据，而是作为输入，结合其他参数通过哈希函数生成最终会话密钥。
具体流程：

收集交换参数：
- 客户端和服务端的临时公钥（( g^{x_C}, g^{x_S} )）
- 共享密钥 ( K )
- 双方初始交换的随机数（Client/Server Hello 中的 nonce）
哈希计算：
使用协商的哈希算法（如 SHA-256）处理所有参数：
[
\text{会话密钥} = \text{SHA-256}(K || g^{x_C} || g^{x_S} || \text{ClientNonce} || \text{ServerNonce})
]
分割密钥材料：
哈希结果被分割为多个密钥，用于不同用途：
- 客户端到服务端的加密密钥
- 服务端到客户端的加密密钥
- 客户端到服务端的 MAC 密钥
- 服务端到客户端的 MAC 密钥

服务端长期公钥（主机密钥）：
- 用途：验证服务端身份（防止中间人攻击）。
- 存储位置：服务端的 /etc/ssh/ssh_host_rsa_key（默认路径）。
- 客户端首次连接时需手动确认其指纹，之后存储在 ~/.ssh/known_hosts。
临时公钥：
- 用途：仅用于本次会话的密钥交换（Diffie-Hellman）。
- 生命周期：会话结束后立即销毁，确保前向保密（即使长期密钥泄露，历史会话仍安全）。

假设客户端（C）和服务端（S）使用 Diffie-Hellman Group14：

参数定义
- 公共素数 ( p = 2^{2048} - 2^{1984} - 1 + 2^{64} \times \lfloor 2^{1918} \pi \rfloor + 124476 )
- 生成器 ( g = 2 )
密钥生成
- C 随机选择私钥 ( x_C = 12345 )，计算公钥 ( g^{x_C} \mod p = A )
- S 随机选择私钥 ( x_S = 67890 )，计算公钥 ( g^{x_S} \mod p = B )
交换公钥
- C → S 发送 ( A )
- S → C 发送 ( B )
计算共享密钥
- C 计算 ( K = B^{x_C} \mod p = (g^{x_S}){x_C} \mod p = g^{x_S x_C} \mod p )
- S 计算 ( K = A^{x_S} \mod p = (g^{x_C}){x_S} \mod p = g^{x_C x_S} \mod p )
- 结果相同：( K = g^{x_C x_S} \mod p )
派生会话密钥
- 输入 ( K )、( A )、( B )、ClientNonce、ServerNonce 到 SHA-256
- 输出 256 位哈希值，分割为多个密钥。