Part 02 · Machine গুলো কীভাবে কথা বলে

TLS and Encrypted Communication

TLSHTTPS

Public network এ দুজন অচেনা কীভাবে একটা secret এ একমত হয়, আর certificate কী প্রমাণ করে।

⏱ 1-2 ঘণ্টা · Station 21 / 153

ক্যাফের Wi-Fi তে সবাই তোমার packet পড়তে পারে

একটা ক্যাফের free Wi-Fi থেকে একটা website এ login করলে। Lesson 5 দেখিয়েছে একই network এর যে কেউ router সেজে বসতে পারে (ARP spoofing)। Lesson 1 দেখিয়েছে তোমার packet এমন অনেক router পার হয় যাদের মালিকদের তুমি কখনো দেখোনি। এদের যে কেউ প্রতিটা byte পড়তে পারতো: তোমার password, session cookie, message।

তবুও ওই একই Wi-Fi থেকে নিশ্চিন্তে bank এ login করা যায়। কারণ ছোট্ট তালাটা আর https এর s: TLS, Transport Layer Security।

TLS এমন একটা সমস্যা মেটায় যেটা শুনে অসম্ভব মনে হয়: দুটো machine যাদের কখনো দেখা হয়নি, এমন network এ কথা বলছে যেখানে যে কেউ শুনতে পারে, তারা একটা গোপন key তে একমত হয় যেটা শ্রোতারা বের করতে পারে না, আর নিশ্চিত হয় যে তারা ঠিক server এর সাথেই কথা বলছে, কোনো ছদ্মবেশীর সাথে না। এই lesson দেখায় কীভাবে, এত ছোট সংখ্যা দিয়ে যে হাতে হিসাব করে মেলানো যায়।

সমস্যা: খোলা network এ তিনটা জিনিস ভুল হতে পারে

বিপদউদাহরণTLS কী যোগ করে
আড়ি পাতাWi-Fi এর কেউ তোমার password পড়ে ফেলেEncryption: key ছাড়া তারের ওপরের bytes পড়া যায় না
কারসাজিমাঝখানের একটা router "500 দাও" কে "50,000 দাও" বানিয়ে দেয়Integrity: যেকোনো বদলে message check এ ফেল করে
ছদ্মবেশএকটা নকল server তোমার bank সেজে বসেAuthentication: একটা certificate প্রমাণ করে server ই নামটার মালিক

শুধু encrypt করা যথেষ্ট না। খুব সুন্দর করে encrypt করলে, কিন্তু একজন ছদ্মবেশীর সাথে, তাহলে তুমি নিরাপদে তোমার password টা attacker কেই পাঠিয়ে দিলে। তাই TLS কে একসাথে দুটো প্রশ্নের উত্তর দিতে হয়: খোলাখুলি একটা key তে একমত হবো কীভাবে? আর কার সাথে একমত হচ্ছি সেটা জানবো কীভাবে?

রং মেশানোর কথা ভাবো

Key এ একমত হওয়া বোঝার একটা পরিচিত উপায়:

  1. তুমি আর এক বন্ধু খোলাখুলি একটা শুরুর রং ঠিক করলে: হলুদ। সবাই দেখতে পায়।
  2. প্রত্যেকে গোপনে নিজের একটা রং বাছলে: তুমি লাল, বন্ধু নীল। কাউকে বলো না।
  3. প্রত্যেকে নিজের গোপন রং হলুদের সাথে মিশিয়ে ঘরের অন্য পাশে পাঠালে: তুমি পাঠালে কমলা (হলুদ + লাল), বন্ধু পাঠালো সবুজ (হলুদ + নীল)। এগুলোও সবাই দেখে।
  4. তুমি ওর সবুজে তোমার লাল মেশালে; ও তোমার কমলায় ওর নীল মেশালো। দুজনের কাছেই একই ঘোলাটে বাদামি: হলুদ + লাল + নীল।

আড়ি পাতা লোকটা দেখেছে হলুদ, কমলা আর সবুজ, কিন্তু মেশানো রং আলাদা করে লাল বা নীল বের করা কার্যত অসম্ভব। এটাই Diffie-Hellman key exchange, এমন অঙ্ক দিয়ে যেটা এক দিকে সহজ আর উল্টো দিকে খুবই কঠিন।

ছদ্মবেশীর সমস্যার জন্য একজন নোটারির কথা ভাবো: একটা বিশ্বস্ত অফিস একটা কাগজে সিল মেরে দেয় "এই public key টা codingfoding.com এর"। তোমার browser আগে থেকেই কয়েক ডজন নোটারি (certificate authority) কে বিশ্বাস করে আর তাদের সিল check করতে পারে।

clientservereavesdroppersees only public partshello + key share Akey share B + cert + signaturecheck cert ✓both compute the same secret; it never crosses the wireencrypted: 4a 7f c2the request is encrypted from its first byte
TLS 1.3 এ client তার key share সহ একটা hello পাঠায়। Server উত্তরে পাঠায় তার key share, certificate আর একটা signature। Client certificate check করে, দুই পক্ষ একই secret হিসাব করে যেটা কখনো তার দিয়ে যায় না, আর request বের হয় encrypt হয়ে। আড়ি পাতা লোক শুধু public অংশগুলোই দেখে।

Analogy টা কোথায় খাটে না। রং একটা উপমা; আসল "মেশানো" হলো modular exponentiation বা elliptic-curve multiplication, যেটা ঠিক মাপের সংখ্যা হলে সত্যিই সামনের দিকে সহজ আর উল্টো দিকে অসম্ভব। আর আসল TLS shared secret সরাসরি ব্যবহার করে না: একটা key derivation function এ দিয়ে কয়েকটা key বানায় (প্রতিটা দিকের জন্য, encryption আর integrity র জন্য)।

মূল জিনিসগুলো

  1. Symmetric encryption। দুই পক্ষ encrypt আর decrypt করতে একই key ব্যবহার করে (TLS এ AES বা ChaCha20)। খুব দ্রুত, তাই আসল সব data এভাবেই encrypt হয়। কঠিন অংশ হলো দুই পক্ষকে একই key পৌঁছে দেওয়া।
  2. Key exchange (ECDHE)। প্রত্যেক পক্ষ একটা secret বাছে, তা থেকে বানানো একটা public value পাঠায়, আর অন্যজনের public value নিজের secret এর সাথে মিলিয়ে একই shared secret পায়। আড়ি পাতা লোক দুটো public value ই দেখে কিন্তু secret হিসাব করতে পারে না। প্রতিটা connection এ নতুন secret বানানো হয়, তাই আজ traffic record করে পরে একটা key চুরি করলেও সেটা decrypt হয় না (forward secrecy)।
  3. Public-key signature। Private key দিয়ে sign হয়; মিলে যাওয়া public key দিয়ে check হয়। যে কেউ check করতে পারে, sign করতে পারে শুধু মালিক।
  4. Certificate। Certificate বলে "এই public key টা codingfoding.com এর, এই তারিখ পর্যন্ত বৈধ", sign করা একটা certificate authority (CA) এর। তোমার OS আর browser এর সাথে বিশ্বস্ত CA দের একটা list আসে। একটা certificate কে একটা intermediate CA ও sign করতে পারে, যাকে আবার sign করে একটা root: বিশ্বাসের শিকল।
  5. TLS 1.3 handshake (TCP এর ওপর):
    • Client → ClientHello: কোন version আর cipher চলে, একটা random সংখ্যা, তার key share, আর যে server এর নাম চায় (SNI)।
    • Server → ServerHello: তার key share। এখন দুজনই shared secret হিসাব করতে পারে, তাই এরপরের সবকিছু encrypt হয়। তারপর server এর certificate, আর certificate এর key দিয়ে handshake এর ওপর একটা signature, যেটা প্রমাণ করে ওই key এর মালিক সে।
    • Client check করে: certificate কি বিশ্বস্ত একটা CA এর sign করা, মেয়াদ আছে, আর ঠিক এই hostname এর জন্য দেওয়া? Signature কি ঠিক? তারপর পাঠায় Finished, আর request, encrypt করে। TLS 1.3 এ এটা একটা round trip (TLS 1.2 এ দুটো), TCP এর একটার ওপরে।
  6. Integrity। প্রতিটা encrypt করা record এর সাথে একটা authentication tag থাকে। পথে একটা bit ও বদলালে decrypt ব্যর্থ হয় আর connection বন্ধ হয়। কারসাজি ধরা পড়ে, চুপচাপ মেনে নেওয়া হয় না।
আগে অনুমান করো

ক্যাফের Wi-Fi তে একজন attacker তোমার bank.com এর connection মাঝপথে আটকে নিজের একটা certificate দেখায়, যেটা attacker.com এর জন্য বৈধভাবে দেওয়া। তোমার browser কী করবে?

ভেতরে কী হয়: একটা HTTPS connection খোলে

ধাপে ধাপে দেখো

আগে TCP, তারপর TLS 1.3, তারপর request

BrowserWi-Fi attackerServer

ধাপ 1/6 আগে TCP handshake

SYN, SYN+ACK, ACK (lesson 9)। একটা round trip। এখনো কিছু গোপন না; attacker address আর port দেখতে পায়।

round_trips
1

মাথায় রাখার ছবি

TLS হলো দুই মাথার মাঝে একটা সিল করা, লেবেল লাগানো নল:

  • সিল করা: ভেতরের সবকিছু এমন key দিয়ে encrypt, যেটা খোলাখুলি ঠিক হয়েছে কিন্তু কখনো পাঠানো হয়নি।
  • কারসাজি ধরা পড়ে: যেকোনো বদলে সিল আর connection ভাঙে।
  • লেবেল লাগানো: certificate, বিশ্বস্ত কর্তৃপক্ষের সাথে মিলিয়ে, বলে দেয় অন্য মাথায় আসলে কে।

Router, Wi-Fi আর ISP এখনো দেখতে পায় যে তুমি একটা IP এর সাথে কথা বলছো (আর সাধারণত কোন hostname), আর কতটা data যাচ্ছে। দেখতে পায় না তুমি কী বলছো।

চেষ্টা করো: এই connection কি নিরাপদ?

প্রতিটা case চালিয়ে দেখো

TLS এর পরিস্থিতি পড়া

https://codingfoding.com  🔒  issued by a trusted CA, valid
কাজ করে: Encrypt করা, কারসাজি ধরা পড়ে, আর পরিচয় check করা। Public Wi-Fi তেও ভেতরের কথা গোপন।

গোড়া থেকে code

TLS এর তিনটা ধারণা, খেলনা সংখ্যা দিয়ে যেটা হাতে হিসাব করে মেলানো যায় (আসল TLS একই অঙ্ক ব্যবহার করে কয়েকশো অঙ্কের সংখ্যা বা elliptic curve দিয়ে, সাথে আসল hash function আর cipher)। প্রথমে Diffie-Hellman key exchange। দ্বিতীয়, একটা certificate authority র signature, যেটা দিয়ে client বদলে দেওয়া key ধরে ফেলে। তৃতীয়, shared key দিয়ে একটা request encrypt করা (AES এর জায়গায় একটা খেলনা XOR)।

আসল TLS এ CA sign করে server এর certificate এ, তারপর server ওই certificate এর key দিয়ে handshake এ sign করে; ধারণাটা চোখে রাখতে এই খেলনা দুটো ধাপ মিলিয়ে একটা signature বানিয়েছে।

package main

import (
	"fmt"
	"strings"
)

// TOY numbers so you can follow the maths by hand. Real TLS uses the same ideas with
// numbers hundreds of digits long (or elliptic curves) and real hash functions.

// modpow computes base^exp mod m without ever building a huge number.
func modpow(base, exp, m int) int {
	result := 1
	base %= m
	for ; exp > 0; exp /= 2 {
		if exp%2 == 1 {
			result = result * base % m
		}
		base = base * base % m
	}
	return result
}

func main() {
	// 1. Key exchange (Diffie-Hellman): agree on a secret over a public network.
	p, g := 23, 5 // public: everyone, including an eavesdropper, knows these
	a, b := 6, 15 // private: each side picks one and never sends it
	A, B := modpow(g, a, p), modpow(g, b, p)
	fmt.Printf("public: p=%d, g=%d\n", p, g)
	fmt.Printf("client picks secret a=%d, sends A = g^a mod p = %d\n", a, A)
	fmt.Printf("server picks secret b=%d, sends B = g^b mod p = %d\n", b, B)
	clientKey, serverKey := modpow(B, a, p), modpow(A, b, p)
	fmt.Printf("client computes B^a mod p = %d\n", clientKey)
	fmt.Printf("server computes A^b mod p = %d\n", serverKey)
	fmt.Printf("eavesdropper saw p, g, %d and %d, but not a, b or %d\n", A, B, clientKey)

	// 2. Certificate: a trusted authority (CA) signs the server's public value,
	// so an attacker in the middle can't swap in their own.
	n, e, d := 3233, 17, 2753 // the CA's key pair: (n, e) is public and built into the client; d is secret
	sig := modpow(B, d, n)    // only the CA can make this
	fmt.Printf("CA signs server key %d: signature = %d\n", B, sig)
	check := func(key int) string {
		recovered := modpow(sig, e, n) // anyone can do this with the CA's public (n, e)
		if recovered == key {
			return fmt.Sprintf("signature gives %d, matches the key: trusted", recovered)
		}
		return fmt.Sprintf("signature gives %d, but the key is %d: rejected", recovered, key)
	}
	fmt.Printf("client checks the signature: %s\n", check(B))
	fmt.Printf("attacker swaps in key 7 with the same signature: %s\n", check(7))

	// 3. Encryption: scramble the request with the shared key (a toy XOR; real TLS uses AES or ChaCha20).
	msg := "GET /"
	enc := make([]byte, len(msg))
	hexes := make([]string, len(msg))
	for i := range msg {
		enc[i] = msg[i] ^ byte(clientKey)
		hexes[i] = fmt.Sprintf("%02x", enc[i])
	}
	dec := make([]byte, len(enc))
	for i := range enc {
		dec[i] = enc[i] ^ byte(serverKey)
	}
	fmt.Printf("%q on the wire: %s, server decrypts it to %q\n", msg, strings.Join(hexes, " "), string(dec))
}

Output (পাঁচটা language এই একই):

public: p=23, g=5
client picks secret a=6, sends A = g^a mod p = 8
server picks secret b=15, sends B = g^b mod p = 19
client computes B^a mod p = 2
server computes A^b mod p = 2
eavesdropper saw p, g, 8 and 19, but not a, b or 2
CA signs server key 19: signature = 412
client checks the signature: signature gives 19, matches the key: trusted
attacker swaps in key 7 with the same signature: signature gives 19, but the key is 7: rejected
"GET /" on the wire: 45 47 56 22 2d, server decrypts it to "GET /"

Output টা পড়ি:

  • দুই পক্ষই হিসাব করে 2। Client ব্যবহার করেছে নিজের secret 6 আর server এর public 19; server ব্যবহার করেছে নিজের secret 15 আর client এর public 8। সংখ্যা 2 কখনো পাঠানো হয়নি।
  • আড়ি পাতা লোক দেখেছে p, g, 8 আর 19। খেলনা সংখ্যা হলে জোর করে খুঁজে বের করা যায়; আসল মাপে মহাবিশ্বের বয়সের চেয়ে বেশি সময় লাগবে।
  • Signature 412, 19 এর জন্য মেলে। CA এর public সংখ্যা যার কাছে আছে সে check করতে পারে; বানাতে পারতো শুধু CA।
  • বদলে দেওয়া key 7 বাতিল। মাঝখানের attacker নিজের key এর জন্য বৈধ signature বানাতে পারে না, তাই client বদলটা ধরে ফেলে। এই check না থাকলে key exchange খুশিমনে attacker এর সাথেই একটা secret এ একমত হয়ে যেতো।
  • GET / তারে হয়ে যায় 45 47 56 22 2d, আর server আবার ফিরিয়ে আনে। আসল cipher (AES-GCM, ChaCha20-Poly1305) একটা tag ও যোগ করে যেটা যেকোনো বদল ধরে।

আসল engineering

  • সবখানে HTTPS, default ভাবে। প্রতিটা public endpoint এ TLS দাও, HTTP কে HTTPS এ redirect করো, আর HSTS পাঠাও যাতে browser আর কখনো plain HTTP চেষ্টা না করে। Certificate বিনামূল্যে (Let's Encrypt) আর নিজে নিজে renew হয়।
  • TLS edge এ শেষ করো, সাবধানে। Load balancer আর CDN প্রায়ই TLS সামলে তোমার app এ পাঠায়। ঠিক করো ওদের পেছনের ধাপটাও encrypt করতে হবে কিনা; সংবেদনশীল data হলে করা উচিত।
  • ভেতরের traffic encrypt করো। Database, cache আর service থেকে service এর call সবই TLS ব্যবহার করতে পারে; service mesh যোগ করে mTLS, যেখানে দুই পক্ষই certificate দেখায়।
  • check কখনো বন্ধ করো না। InsecureSkipVerify, verify=False, সবাইকে বিশ্বাস করা manager: প্রত্যেকটা TLS কে অচেনা কারো সাথে encryption বানিয়ে দেয়। তার বদলে trust store ঠিক করো।
  • Handshake এ round trip খরচ। TCP + TLS 1.3 মানে প্রথম request byte এর আগে দুটো round trip (TLS 1.2: তিনটা)। Connection আবার ব্যবহারের এটা আরেকটা কারণ, আর এজন্যই QUIC দুটোকে মিলিয়ে একটা বানায় (Module 3, lesson 9)।
  • মেয়াদের দিকে নজর রাখো। মেয়াদ শেষ হওয়া certificate একটা crash এর মতোই নিশ্চিতভাবে site বন্ধ করে। মেয়াদের তারিখ নজরে রাখো, কয়েক সপ্তাহ আগে alert দাও।

যখন ভাঙে

প্রতিটা case চালিয়ে দেখো

একটা failure বাছো

certificate has expired (notAfter: 2026-11-05)
ভাঙে: Renewal ব্যর্থ হয়েছে, বা হাতে করা হতো আর ভুলে গেছে। Renewal স্বয়ংক্রিয় করো, আর মেয়াদ শেষের 14-30 দিন আগে alert দাও।

পড়ার আগে ভাবো

একজন attacker যদি আজ তোমার সব encrypt করা HTTPS traffic record করে রাখে, আর পাঁচ বছর পর server এর private key চুরি করে, তাহলে কি record করা গুলো decrypt করতে পারবে?

উত্তর দেখো

আধুনিক TLS এ (ECDHE key exchange, যেটা TLS 1.3 এ required) না। Server এর private key শুধু handshake এ sign করতে ব্যবহার হয়, পরিচয় প্রমাণ করতে; session key এসেছিল অস্থায়ী secret থেকে, যেগুলো connection শেষ হওয়ার সাথে সাথে দুই পক্ষ ফেলে দিয়েছে। এটাই forward secrecy। পুরনো যে setup গুলো session key সরাসরি server এর RSA key দিয়ে encrypt করতো, তাদের এই সুবিধা ছিল না, আর ওই key ফাঁস হলে record করা traffic decrypt করা যেতো।

নিজেকে check করো

1. TLS কোন তিনটা সুরক্ষা দেয়?

উত্তর

গোপনীয়তা (encryption), অখণ্ডতা (কারসাজি ধরা পড়ে), আর পরিচয় check (certificate প্রমাণ করে কোন server এর সাথে কথা বলছো)।

2. যা পাঠায় সবই যখন দেখা যায়, তখন দুই পক্ষ একটা গোপন key তে একমত হয় কীভাবে?

উত্তর

Diffie-Hellman এর মতো একটা key exchange দিয়ে: প্রত্যেকে একটা ব্যক্তিগত secret রাখে আর শুধু তা থেকে বানানো একটা public value পাঠায়; নিজের secret অন্যজনের public value এর সাথে মেলালে দুজনই একই ফল পায়, যেটা public value গুলো থেকে আড়ি পাতা লোক হিসাব করতে পারে না।

3. শুধু encryption কেন যথেষ্ট না?

উত্তর

পরিচয় check ছাড়া হয়তো তুমি একজন ছদ্মবেশীর জন্য encrypt করছো। বিশ্বস্ত CA এর sign করা আর hostname এর সাথে মেলা certificate প্রমাণ করে অন্য মাথায় আসলেই তুমি যে server চেয়েছিলে সে।

4. Browser একটা certificate এর কী কী check করে?

উত্তর

এটা একটা বিশ্বস্ত root CA পর্যন্ত শিকলে বাঁধা কিনা, মেয়াদের তারিখের মধ্যে কিনা, ঠিক যে hostname চেয়েছো তার জন্য দেওয়া কিনা, আর server মিলে যাওয়া private key এর মালিকানা প্রমাণ করতে পারে কিনা।

তোমার challenge: কারসাজি ধরো

খেলনা encryption এ integrity যোগ করো:

  • Encrypt করার আগে একটা tag হিসাব করো: message এর bytes এর যোগফল আর shared key, 256 দিয়ে ভাগশেষ। পাঠাও ciphertext + tag।
  • Receiver decrypt করে, আবার tag হিসাব করে, আর না মিললে message বাতিল করে।
  • পথে একজন attacker ciphertext এর একটা byte উল্টে দিচ্ছে, simulate করো।

চালানোর আগে আন্দাজ করো receiver আসল message আর কারসাজি করা টার জন্য কী print করবে।

সফল হয়েছো যখন অক্ষত message decrypt হয়ে "GET /" হয় আর নেওয়া হয়, কারসাজি করাটা বাতিল হয়, আর তুমি বুঝিয়ে বলতে পারো আসল একটা tag (AES-GCM এর মতো) কেন key এর ওপর নির্ভর করতে হয়, যাতে attacker সেটা সোজা আবার হিসাব করে নিতে না পারে।

Mental model

TLS খোলা একটা network কে সিল করা, লেবেল লাগানো একটা নলে পরিণত করে। দুই মাথা একটা key exchange দিয়ে খোলাখুলি একটা নতুন secret এ একমত হয় (তার দিয়ে শুধু public value যায়), বিশ্বস্ত কর্তৃপক্ষের sign করা একটা certificate check করে যাতে জানে অন্য মাথায় কে, তারপর প্রতিটা byte encrypt করে আর tag লাগায় যাতে পড়া বা বদলানো না যায়। TCP এর ওপর একটা round trip খরচ হয়, তাই connection আবার ব্যবহার করো, আর check কখনো বন্ধ করো না।

Station stamp

Chapter শেষ করো

পড়া শেষ হলে Complete চাপো, progress save হবে। XP শুধু Pro তে — Pro থাকলে এই chapter এ +10 XP পেতে।

Pro নিয়ে XP পাও →