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Wireshark 으로 TLS 캡쳐 및 디코딩 하기

YSLee  included in  category Security
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프로토콜을 개발하거나 검증하려고 할 때 SSL/TLS 암호화 채널로 전송되는 데이타를 디코딩하여 확인이 필요할 때가 있다. 이 글에서는 시험하려는 프로그램의 수정 없이 또는 최소한의 수정으로 디코딩 하는 방법을 설명한다.

TLS 채널의 초기 셋업 절차는 크게 보면 다음과 같은 절차로 이루어진다.

  • 서버 인증서를 받아서 검증하기
  • 필요하면 클라이언트 인증서를 받아서 검증하기
  • 암호화 방식을 이용하여 대칭키 교환
  • 대칭키를 이용한 암호화된 데이타 송수신

패킷을 분석하기에 필요한 사항은 결국은 위 세번째 과정에서 교환한 대칭키(Master Secret)를 얻는 것이다. 다음은 이를 얻을 수 있는 방법 들을 정리한다.

대칭키를 교환하는 방법은 크게 다음과 같은 두가지 방식을 사용한다.

  • RSA와 같은 비대칭키를 이용하여 대칭키 교환
  • DHKE(Diffie-Hellman Key Exchange) 방식의 키 교환

이들 중 다음과 같은 조건을 만족하는 경우 서버의 RSA private key를 이용하여 디코딩이 가능하다.

  • DH 방식의 키교환은 불가능
  • TLS 1.2 이하 인 경우 가능. TLS 1.3은 불가능
  • 서버 인증서로만 가능
  • TLS handshake message 중 ClientKeyExchange 패킷이 캡쳐 된 경우

간단히 말해서 TLS1.2 이하이어야 하고, RSA를 이용한 키교환만 가능하다는 것이다.

예를들어, AWS IoT 서버와 통신을 하는 경우를 디코딩 하려면, 우선 지원되는 TLS cipher suites 목록을 아래에서 확인할 수 있다.

이들 목록 중 앞부분의 ‘ECDHE-’ 로 시작하는 것을 제외한 AES128-GCM-SHA256, AES128-SHA256, AES128-SHA, AES256-GCM-SHA384, AES256-SHA256 만 사용하도록 제한하여야 한다.

Wireshark의 설정 -> RSA Keys 에 RSA private key를 등록하면 된다. 관련된 설명은 Wireshark - Transport Layer Security (TLS)에 자세히 설명되어 있다.

하지만 이 방식은 서버인증서의 개인키를 가지고 있어야 하는데, 임시 시험용 서버가 아닌 이상 서버의 private key를 얻을 수 있는 방법은 없으므로 실제적으로 활용 가능한 경우는 많이 없다.

Firefox browser 의 경우 NSS (Network Security Services) 모듈에서 TLS 관련 기능을 처리한다. 참고로 NSS layer는 아래와 같은 레이어링을 제공한다.

/posts/how-to-capture-tls-with-wireshark/nss-layer.gif
NSS Layer

이 NSS 에서 디버깅을 위한 NSS Key Log 기능을 제공한다. 이 기능을 켜기 위하여는 환경 변수에 SSLKEYLOGFILE 로 로그를 저장할 파일을 지정해 주면 된다. Firefox 이외에도 Chrome 브라우저도 동일한 기능을 제공한다.

아래 예는 mac 의 경우이고, linux 나 windows 도 동일한 방법으로 환경 변수를 설정해서 사용하면 된다. (설정관련 참고)

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$ SSLKEYLOGFILE=/tmp/tlskey.log open -n /Applications/Firefox.app
$ SSLKEYLOGFILE=/tmp/tlskey.log open -n /Applications/Google\ Chrome.app

위와 같이 환경 변수를 설정하여 브라우저를 실행하면 웹 페이지를 열 때마다 로그파일에 로그가 추가된다. 이 중 대칭키 디코딩에 필요한 라인은 CLIENT_RANDOM 으로 아래와 같이 랜덤 값과, master secret 으로 구성된다.

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CLIENT_RANDOM 5ab65015dc125e2aa00daececfa52ff37489daf6a20375cf140d5f14e291e2ec 64df1871ca4a4be463872aef5f29caff98cfeff4b2a0f0193951947533212dc30766f03b4d202de43f93a265a828e393

Wireshark의 설정 -> Protocols -> TLS 의 ‘(Pre)-Master-Secret log fiename’ 에 해당 파일을 설정하면 자동으로 TLS 데이타가 디코딩 된다.

/posts/how-to-capture-tls-with-wireshark/wireshark-tls.png
Master-Secret 설정

개발하는 프로그램이 node.js 로 작성한다면 위의 웹 브라우저와 동일한 기능을 수행하는 node-sslkeylog 패키지를 사용할 수 있다.

코드 상에 아래처럼 추가를 하면 SSLKEYLOGFILE 환경 변수로 컨트롤이 가능하다.

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require("sslkeylog").hookAll();

사용하는 기기가 RTOS 기반 IoT 모듈 이라면 TLS 관련 library를 수정하여야 한다. 모듈이 mbedTLS 를 사용한다면 아래 링크과 같이 patch를 적용한다.

위 patch 는 위와 유사한 방식으로 fputs 를 이용하여 CLIENT_RANDOM 을 출력 시킨다.

이와 같은 시나리오로 WiFI IoT 모듈의 TLS 패킷 캡쳐는 다음과 같이 할 수 있다.

/posts/how-to-capture-tls-with-wireshark/iot-capture.png
IoT 캡쳐
  • IoT 모듈의 디버깅 로그를 UART로 PC와 연결하여 디버깅 로그 출력
  • 로그를 picocom와 같이 terminal 프로그램 이용하여 CLIENT_RANDOM만 추출
  • 아래와 같이 두개의 스크립트를 각각 실행
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$ picocom -b 115200 /dev/ttyUSB0 | tee /tmp/test.log
$ tail -f /tmp/test.log | grep --line-buffered CLIENT_RANDOM | sed -l -e "s/\r//g" >> /tmp/tlskey.log

첫번째 줄은 로그 출력 결과를 test.log에 임시로 저장. 두번째 줄은 이 로그 중 CLIENT_RANDOM 이 들어간 문장만 tlskey.log로 추가 하는 것이다.

위와 같이 한 상태에서 IoT 모듈의 패킷을 캡쳐하면 디코딩이 가능하다.

OpenSSL 도 비슷한 방식으로 캡쳐가 가능하다. OpenSSL 버전에 따라 대응 방법이 다르다.

  • OpenSSL v1.1.1 이상인 경우

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    SSL_CTX_set_keylog_callback(mosq->ssl_ctx, SSL_CTX_keylog_cb_func_cb);

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    void SSL_CTX_keylog_cb_func_cb(const SSL *ssl, const char *line){
  printf("%s\r\n",line);
}

  • 이전 버전인 경우 ssl/ssl_lib.c 의 SSL_read() 에서 (SSL *)s->session->master_key 를 적절하게 출력시키기

IoT 기기의 경우 가벼운 mbedTLS 를 주로 사용하여 OpenSSL을 이용한 시험은 실제로 해보지는 못하였다.

관련하여 실제 사용예는 아래 링크를 참고할 수 있다.

지금까지 Master Secret을 얻어서 패킷을 디코딩 하는 방법을 정리하였다.

물론 이와 같이 Master Secret을 구해서 디코딩 하지 않고, Web Proxy tool을 이용하여 중간에서 패킷을 가로채서 확인하는 방법도 있고, 상황에 따라서는 이 방법이 더 편리할 수도 있다. 유명한 툴로는 Burp Suite가 있고, 검색을 해보면 mitmproxy와 같은 오픈소스 툴들도 있다. 이들 툴은 HTTPS 프로토콜만을 대상으로 하고 있어 MQTT over TLS 와 같은 다른 프로그램은 분석이 불가능하다.

시험 타겟이 HTTP proxy 기능 지원 여부에 따라서 다음과 같이 모니터링이 가능하다.

  • HTTP proxy 지원하는 경우: proxy 주소만 web proxy 툴이 설정된 곳으로 설정
  • HTTP proxy를 미지원하는 경우: DNS 또는 Gateway 주소를 web proxy 툴의 주소로 설정하고, transparent proxy 모드로 모니터링

TLS 를 위와 같은 방법을 이용하여 분석 환경을 구성한다면 좀 더 쉽게 검증하면서 개발이 가능할 것이다.

Updated on 2021-12-22
 Wireshark, TLS, MbedTLS, OpenSSL, WebProxy
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