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图解基于HTTPS的DNS

| 作者 Lin Clark 关注 0 他的粉丝 ,译者 Daniel_Hu 关注 1 他的粉丝 发布于 2018年7月30日. 估计阅读时间: 17 分钟 | BCCon2018全球区块链生态技术大会,将区块链技术的创新和早期落地案例带回您的企业

用户面临的隐私和安全隐患与日俱增。 在Mozilla,我们密切关注这些威胁。 我们相信我们有责任尽全力保护Firefox用户及其数据。

一些公司和组织想要秘密收集用户数据并拿来出售。 这就是为什么我们添加了跟踪保护并创建了Facebook容器扩展。 接下来几个月在保护用户数据方面我们会采取更多的措施。



另外两项要添加的保护措施:

  • 基于HTTPS的DNS,这是我们倡导的一项新的IETF标准方案
  • 可信递归解析器,一种新的解决DNS安全的方案,该方案由我们与Cloudflare合作提供

通过这两项举措,逐渐解决了35年前创建的域名系统中一直存在的数据泄露问题。 我们希望你能帮忙测试这两个方案。 那么来看看如何通过基于HTTPS的DNS和可信递归解析器来保护我们的用户。

但首先,让我们看看网页是如何在互联网中运作的。

如果你对DNS和HTTPS的工作原理已经非常了解,那么可以跳至基于HTTPS的DNS的好处

什么是HTTP?

当我们解释浏览器如何下载网页时,通常会这样解释:

  1. 浏览器向服务器发出GET请求。
  2. 服务器发送一个响应,该响应是一个包含HTML的文件。



这个系统被称为HTTP。

但是这张图有点过分简化了。 浏览器不会直接与服务器通话。因为浏览器和服务器可能并不接近。

相反,服务器可能远在千里之外。 因此你的电脑和服务器之间不可能存在直接连接。



从浏览器发出的请求需要经过很多次转手才能到达服务器。 对于从服务器返回的响应也是如此。

这就好比课堂上传递纸条。 纸条会表明应该传递给谁。 写下纸条的学生把纸条传递给相邻的学生。 然后,这个学生又把纸条传递给他相邻的学生 - 可能不是最终的接收者,但一定是到达接受者方向上的某个学生。



问题在于沿路的任何人都可以打开纸条。 而且没有办法事先确定纸条的传递路径,所以不确定会有哪些人访问到纸条。

纸条最后可能会落入想要干坏事的人手上.....

就像对所有人公开了纸条的内容一样。



或者改变响应。



为了解决这些问题,创建了一个新的安全版本的HTTP,即HTTPS。 使用HTTPS,就像每条消息都上了一个锁。



浏览器和服务器都知道该锁的组合,除此之外没有任何人知道。

这样,即使消息在多个路由器之间传递,只有你和网站能够读取到内容。

这解决了很多安全问题。 但是浏览器和服务器之间仍然存在一些未加密的消息。 这意味着消息传递的路径上仍然有人可以窃取你的消息。

在与服务器建立连接的过程中,数据仍然有可能暴露。 当将初始消息发送到服务器时,也会发送服务器名称(在名为“服务器名称指示”的字段中)。 这让运行了多个站点的服务器仍然知道应该与谁通信。 此初始请求的一部分设置了加密,但初始请求本身未加密。

数据暴露的另一个地方是在DNS中。 但什么是DNS?

什么是DNS?

在上面的图解中,纸条接收者的名字必须放在纸条外面。 对于HTTP请求也是如此......HTTP请求需要指明目的地。

但是不能为HTTP请求使用名字。 没有一个路由器会知道你在说什么。 相反,必须使用IP地址。 通过IP地址中间的路由器就知道应该将请求往哪发。



这会导致问题。 你不会希望用户必须记住网站的IP地址。 相反,你希望能够给你的网站一个吸引人的名字......用户可以记住的东西。

这就是我们拥有域名系统(DNS)的原因。 浏览器使用DNS将站点名称转换为IP地址。 这个将域名转换为IP地址的过程,称为域名解析。



浏览器是如何做到这一点?

一种选择是拥有一个大名单,比如浏览器中的电话簿。 但是,随着新的网站上线,或者当网站迁移到新的服务器时,很难将该列表保持在最新状态。

因此,不是有一个记录所有域名的列表,而是有很多较小的列表,这些列表相互关联。 这使他们能够独立管理。



为了获得与域名相对应的IP地址,必须找到包含该域名的列表。 像寻宝一样。

对于英文版维基百科(en.wikipedia.org)这样的站点来说,它们是如何“寻宝”的?

我们可以将这个域分成几部分。



通过这些部分,我们可以搜索包含该网站IP地址的列表。 不过,我们需要一些帮助。 为我们寻找IP地址的工具称叫解析器。

首先,解析器与一个称为根DNS的服务器通信。 它知道几个不同的根DNS服务器,因此它将请求发送给其中的一个。 解析器向根DNS服务器询问哪里可以找到有关org顶级域名的更多信息。

根DNS将为解析器提供一个知道.org地址的服务器的地址。



下一个服务器叫做top-level domain顶级域名服务器(TLD)。 TLD服务器知道所有以.org结尾的二级域名。

但它并不知道wikipedia.org下的子域名,所以它不知道en.wikipedia.org的IP地址。

TLD名称服务器将告诉解析器询问维基百科的名称服务器。



解析工作快完成了。 维基百科的名字服务器及权限服务器。 它知道wikipedia.org下的所有域名。 所以这个服务器知道en.wikipedia.org和其他子域名,比如德文版de.wikipedia.org。 权限服务器通知解析器哪个IP地址具有该站点的HTML文件。



解析器会将en.wikipedia.org的IP地址返回给操作系统。

这个过程被称为递归解析,因为你必须来回询问不同的服务器,基本上是同一个问题。

我们需要这样的解析器来完成网络请求。 但浏览器如何找到这个解析器? 一般来说,它要求计算机的操作系统提供可用的解析器进行设置。



操作系统如何知道使用哪个解析器? 有两种可能的方法。

你可以为你的计算机配置一个信任的解析器。 但很少有人这样做。

相反,大多数人只是使用默认值。 默认情况下,操作系统将只使用网络告诉它的任何解析器。 当计算机连接到网络并获取其IP地址时,网络会推荐一个解析器。



这意味着解析器每天可以更改多次。 例如前往咖啡店参加下午的工作会议,就可能与早上使用的解析器不同。 即使你配置了解析器,这也是正确的,因为DNS协议没有安全性。

DNS如何被利用?

那么这个系统如何让用户安全变得脆弱?

通常解析器会告诉每个DNS服务器你正在寻找哪个域名。 该请求有时会包含你的完整IP地址。 或者,如果不是完整的IP地址,请求中通常会包含你的大部分IP地址,这些IP地址可以轻松地与其他信息结合起来以找出你的身份。



这意味着进行域名解析的每台服务器都会查看你要查找的网站。 但更重要的是,这也意味着通往这些服务器的任何人都可以看到你的请求。

这个系统有几种方式会使用户的数据处于危险之中。 两大主要的风险是跟踪和欺骗攻击。

跟踪

就像上面所说的那样,很容易获取全部或部分IP地址信息并找出谁在请求该网站。 这意味着DNS服务器和通向该DNS服务器的路径上的任何其他路由器(路径路由器)都可以创建一个关于你的文件。 他们可以创建一个你访问过网站的记录。

而且这些数据很有价值。 许多人和公司会花很多钱看你在浏览什么。



即使不必担心可能的恶意DNS服务器或路径路由器,仍有数据被收集的风险。因为解析器本身 - 网络提供给你的 - 可能并不可靠。

即使你信任网络推荐的解析器,可能也只在家中使用该解析器。就像之前提到的那样,每当你去一家咖啡店或酒店或者使用接入其他网络时,你可能会使用不同的解析器。谁知道它的数据收集政策是什么?

除了收集数据,然后在你不知情或不同意的情况下进行销售之外,还有更危险的方式。

欺骗攻击

借助欺骗,DNS服务器和你之间的路径上的某个人将更改响应。而不是告诉你真正的IP地址,欺骗者会给你一个错误的IP地址。这样,他们可以阻止访问真实网站或将你引导至欺诈网站。



再次,解析器本身可能使坏。

例如,假设在Megastore购物。你想做一个价格对比,看看是否能够在big-box.com上获得更便宜的价格。

但是如果你使用Megastore的 WiFi,你可能正在使用他们的解析器。该解析器可能会劫持对big-box.com的请求并对谎称该网站不可用。

如何通过可信递归解析器(TRR)和基于HTTPS的DNS(DoH)解决此问题?

在Mozilla,我们强烈认为我们有责任保护用户及其数据。我们一直在努力解决这些漏洞。

我们引入了两项新功能来解决这个问题 - 可信递归解析器(Trusted Recursive Resolver )和基于HTTPS的DNS(DNS over HTTPS)。因为目前确实有三个威胁需要解决:

  1. 可能会使用跟踪你请求的不可信的解析器,或者篡改来自DNS服务器的响应。
  2. 路径上路由器可以以相同的方式跟踪或篡改。
  3. DNS服务器可以跟踪你的DNS请求。



如何解决这些问题?

  1. 使用可信递归解析器避免不可靠的解析器。
  2. 通过基于HTTPS的DNS防止路径上的窃听和篡改。
  3. 传输尽可能少的数据,以保护用户免受匿名处理。

使用可信递归解析器避免不可靠的解析器

当网络提供了不可信的解析器来收集你的数据或进行欺骗攻击,网络服务的提供者依然可以全身而退,因为很少有用户知道风险或如何保护自己。

即使对于了解风险的用户,个人用户也很难与他们的ISP或其他实体进行协商,以确保他们的DNS数据得到负责任的处理。

但是,我们花时间研究这些风险......并且我们有了谈判权力。 我们努力寻找一家公司可以合作来保护用户的DNS数据。 我们找到了一个:Cloudflare

Cloudflare通过专业用户隐私政策提供递归解析服务。他们承诺在24小时后丢弃所有可识别个人身份的数据,并且决不会将这些数据传递给第三方。并会定期进行审计,以确保数据按预期清除。

现在,我们有一个可以信赖的解析器来保护用户的隐私。这意味着Firefox可以忽略网络提供的解析器,并直接转到Cloudflare。有了这个可靠的解析器,我们不必担心流氓解析器出售我们的用户数据或用欺骗性DNS来欺骗我们的用户。

我们为什么选择这样一个解析器? Cloudflare与我们一样致力于构建隐私优先的DNS服务。他们与我们合作建立了一个DoH解决方案服务,以透明的方式为用户提供服务。他们一直非常乐意为服务添加用户保护,所以我们很高兴能够与他们合作。

但这并不意味着你必须使用Cloudflare。用户可以配置Firefox使用他们想要的任何支持DoH的递归解析器。随着更多产品的出现,我们会让解析器的切换变得简单。

通过基于HTTPS的DNS防止路径上的窃听和篡改

虽然解析器不是唯一的威胁。路径上路由器可以跟踪和欺骗DNS,因为他们可以看到DNS请求和响应的内容。但是互联网已经有了确保路径上路由器不能像这样窃听的技术。这是我之前提到的加密技术。

通过使用HTTPS加密DNS数据包,可以确保没有人能够监视用户正在做出的DNS请求。

传输尽可能少的数据以保护用户免受匿名处理

除了提供使用DoH协议进行通信的可信解析器之外,Cloudflare正在与我们合作,使其更安全。

通常情况下,解析器会将整个域名发送给每个服务器 - 根DNS服务器,TLD名称服务器,二级名称服务器等。但是Cloudflare会做一些不同的事情。它只会发送与当前正在与之通话的DNS服务器相关的部分。这被称为QNAME最小化。



解析器通常也会在请求中包含你的IP地址的前24位。 这有助于DNS服务器知道你的位置,并选择离你更近的CDN。 但是这些信息可以被DNS服务器用来将不同的请求链接在一起。

Cloudflare不会这样做,而是从用户附近的一个IP地址发出请求。 这提供了地理位置,而无需将其绑定到特定用户。 除此之外,我们正在研究如何以隐私敏感的方式更好的实现,非常细粒度的负载平衡。

这样做 - 删除域名中不相关的部分并且不包括你的IP地址 - 意味着DNS服务器所收集的关于你的数据要少得多。



基于DoH的TRR还未解决的问题

通过这些解决方案,我们减少了可以看到你访问网站的人数。但是这并不能完全消除数据泄漏。

在执行DNS查找到IP地址后,你仍然需要连接到该地址的Web服务器。为此,发送初始请求。该请求包含一个服务器名称指示,该信息指出要连接的服务器上的哪个站点。这个请求是未加密的。

这意味着你的ISP仍然可以找出正在访问的网站,因为它正好在服务器名称指示中。另外,将来自浏览器的初始请求传递给Web服务器的路由器也可以看到这些信息。

但是,一旦你建立了与Web服务器的连接,那么一切都是加密的。并且这个加密的连接可以用于该服务器上托管的任何站点,而不仅仅是最初要求的那个站点。

这称为HTTP / 2连接合并,或简单地连接重用。当你打开一个连接到支持它的服务器时,该服务器会告诉你它托管了哪些其他的站点。然后,你可以使用现有的加密连接访问其他网站。

这样有什么好处? 无需启动新连接即可访问这些其他网站。 这意味着你不需要发送未加密的初始请求,其服务器名称指示正在访问的站点。 这样可以访问同一台服务器上的任何其他站点,而无需透露你正在查看的站点到网络服务提供商和路径路由器。

随着CDN的兴起,越来越多的独立站点由一台服务器提供服务。 由于可以打开多个合并连接,因此可以同时连接到多个共享服务器或CDN,访问不同服务器上的所有站点而不会泄露数据。 这意味着隐私保护越来越有效。

现状

现在我们鼓励你在Firefox中开启基于HTTPS的DNS。

我们希望将其作为所有用户的默认设置。 我们相信,无论用户是否了解DNS泄漏,每个用户都应该享有这种隐私和安全。

但这是一个巨大的变化,我们需要首先对其进行测试。 这就是进行该研究的原因。 我们要求一半的Firefox Nightly用户帮助收集有关性能的数据。

现在将使用的是默认解析器,但我们也会将请求发送到Cloudflare的DoH解析器。 然后会比较两者,以确保一切都按照我们的预期工作。

对于研究中的参与者,Cloudflare DNS响应将不会被使用。 我们只是检查一切正常,然后扔掉Cloudflare响应。



我们非常感谢得到Nightly用户的支持 - 帮助每天测试Firefox的用户 - 同时也希望能帮助我们对此进行测试。

关于Lin-Clark

Lin是Mozilla开发者关系团队的一名工程师。 她使用JavaScript,WebAssembly,Rust和Servo,同时会绘制代码图解。

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