NTLM认证协议详解

0x01 NTLM简介

NTLM(NT LAN Manager)是Windows操作系统提供的身份认证协议，主要功能包括：

• 身份认证：采用challenge-response机制
• 会话安全：支持消息签名和加密

认证流程：

1. 服务器发送8字节随机数challenge
2. 客户端根据密钥、challenge等信息计算response
3. 服务器验证response是否匹配

0x02 NTLM消息结构

NTLM协议包含三种消息类型：

2.1.1 NEGOTIATE_MESSAGE

客户端发起协商，包含：

• Signature：固定"NTLMSSP\0"
• MessageType：0x00000001
• NegotiateFlags：协商标志位
• DomainName：客户端域名(可选)
• Workstation：客户端工作组名(可选)

2.1.2 CHALLENGE_MESSAGE

服务器响应挑战，包含：

• Signature：固定"NTLMSSP\0"
• MessageType：0x00000002
• ServerChallenge：8字节随机数
• TargetName：服务器端名称(可选)
• TargetInfo：服务器信息(可选)

2.1.3 AUTHENTICATE_MESSAGE

客户端认证响应，包含：

• Signature：固定"NTLMSSP\0"
• MessageType：0x00000003
• LmChallengeResponse：LM响应
• NtChallengeResponse：NTLM响应
• DomainName：域名
• UserName：用户名
• Workstation：工作站名
• EncryptedRandomSessionKey：加密的会话密钥(可选)
• MIC：消息完整性校验(16字节)

0x03 NTLM认证类型

3.1 哈希类型

• LM Hash：通过LMOWFv1计算
• NTLM Hash：通过NTOWFv1计算
• Net-NTLM Hash：客户端响应服务器挑战的数据

3.2 NTLM版本配置

通过注册表HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Lsa的LmCompatibilityLevel配置：

3.3 NTLM v1认证

3.3.1 LM Hash计算

def lm_hash(password:str):
    data = "KGS!@#$%".encode('utf-8')
    password = password.upper().encode("utf-8")
    if len(password) < 14:
        password += b'\x00'*(14-len(password))
    des1 = DES.new(des_7key28key(password[0:7]),DES.MODE_ECB)
    des2 = DES.new(des_7key28key(password[7:14]),DES.MODE_ECB)
    hash = des1.encrypt(data)+des2.encrypt(data)
    return hash

3.3.2 NTLM Hash计算

def ntlm_hash(password):
    hash = hashlib.new("md4",password.encode("utf-16le")).digest()
    return hash

3.3.3 Response计算

不启用NTLMv2会话安全：

def ntlmv1_response(hash,server_challenge):
    return desl(hash,server_challenge)

启用NTLMv2会话安全：

def ntlmv1_session(passwd:str,server_challenge:str,client_challenge:str):
    ntlmhash = ntlm_hash(passwd)
    challenge = server_challenge+client_challenge
    challenge_md5 = hashlib.md5(challenge).digest()
    lm_response = client_challenge+16*b'\x00'
    ntlm_reponse = ntlmv1_response(ntlmhash,challenge_md5[0:8])
    return lm_response,ntlm_reponse

3.4 NTLM v2认证

3.4.1 NTLMv2 Hash计算

def ntlmv2_hash(password,username,domain):
    ntlmhash = ntlm_hash(password)
    username = username.upper().encode('utf-16le')
    domain = domain.encode('utf-16le')
    ntlmv2hash = hmac.new(ntlmhash,username+domain,hashlib.md5).digest()
    return ntlmv2hash

3.4.2 Response计算

def ntlmv2(passwd,username,domain,server_challenge,client_challenge,timestamp,avpairs):
    ntlmv2hash = ntlmv2_hash(passwd,username,domain)
    temp = RespType_HiRespType_Reserved+timestamp+client_challenge+b'\x00'*4
    for avpair in avpairs:
        temp = temp + avpair
    temp = temp + b'\x00'*4
    NTProofStr = hmac.new(ntlmv2hash,server_challenge+temp,hashlib.md5).digest()
    ntlmv2_response = NTProofStr+temp
    lmv2_response = hmac.new(ntlmv2hash,server_challenge+client_challenge,hashlib.md5).digest()+client_challenge
    return lmv2_response,ntlmv2_response

0x04 会话安全

4.1 ExportedSessionKey生成

if (NTLMSSP_NEGOTIATE_KEY_EXCH bit is set):
    Set ExportedSessionKey to NONCE(16) # 16字节随机数
    Set EncryptedRandomSessionKey to RC4(KeyExchangeKey, ExportedSessionKey)
Else:
    Set ExportedSessionKey to KeyExchangeKey

4.2 KXKEY计算

NTLMv1不启用v2会话安全：

def kxkey_ntlmv1_LMKEY(lm_hash,lm_response):
    des1 = DES.new(des_7key28key(lm_hash[0:7]),DES.MODE_ECB)
    des2 = DES.new(des_7key28key(lm_hash[7:8]+b'\xbd'*6),DES.MODE_ECB)
    return des1.encrypt(lm_response[0:8])+des2.encrypt(lm_response[0:8])

NTLMv1启用v2会话安全：

def kxkey_ntlmv1_WITH_NT_SESSION(sessionbasekey,lm_response,server_challenge):
    return hmac.new(sessionbasekey,server_challenge+lm_response[0:8],hashlib.md5).digest()

4.3 SIGNKEY计算

用于消息完整性校验：

if (NTLMSSP_NEGOTIATE_EXTENDED_SESSIONSECURITY):
    if (Mode == "Client"):
        SignKey = MD5(ExportedSessionKey + "client-to-server signing key magic constant")
    else:
        SignKey = MD5(ExportedSessionKey + "server-to-client signing key magic constant")

4.4 SEALKEY计算

用于消息加密：

if (NTLMSSP_NEGOTIATE_EXTENDED_SESSIONSECURITY):
    if (NTLMSSP_NEGOTIATE_128):
        SealKey = ExportedSessionKey
    elif (NTLMSSP_NEGOTIATE_56):
        SealKey = ExportedSessionKey[0..6]
    else:
        SealKey = ExportedSessionKey[0..4]

0x05 安全特性

5.1 MIC(消息完整性校验)

使用ExportedSessionKey作为HMAC_MD5密钥，计算三个消息的哈希值，防止消息被篡改。

5.2 ChannelBinding

将服务器证书哈希存入AV_PAIR(MsvAvChannelBindings)，防止中间人攻击。

0x06 攻击方法

6.1 Pass The Hash

利用已知的NTLM Hash计算NTLM Response，绕过密码验证。

6.2 NTLM Relay

中间人攻击，转发客户端的认证响应到服务器。

0x07 防御建议

1. 禁用LM认证，使用NTLMv2
2. 启用SMB签名
3. 限制NTLM使用范围
4. 启用EPA(Extended Protection for Authentication)
5. 使用Kerberos替代NTLM

附录：完整Python实现

[见原文0x06节完整代码]