Bài giảng về an toàn bảo mật hệ thống thông tin Quản lý khóa

Khóa phiên và khóa trao đổi• Alice muốn gửi một bản tin m cho Bob – Assume public key encryption it to encipher m • To be used for this message only • Called a session key • k B encipher

Quản lý khóa

• Khóa phiên và khóa trao đổi

• Trao đổi khóa

• Hạ tầng khóa mã hóa

• Lưu trữ và thu hồi khóa

• Chữ ký số

Ký pháp

• X  Y : { Z || W } kX,Y

– X gửi cho Y bản tin được tạo bằng cách ghép Z và W

• A  T : { Z } kA || { W } kA,T

– A gửi cho T một bản tin bao gồm Z được mã hóa bằng

k A,T , khóa chia sẻ giữa A và T

• r1, r2 nonces (các số ngẫu nhiên không lặp lại)

Khóa phiên và khóa trao đổi

• Alice muốn gửi một bản tin m cho Bob

– Assume public key encryption

it to encipher m

• To be used for this message only

• Called a session key

• k B enciphers all session keys Alice uses to communicate with Bob

• Called an interchange key

Lợi ích của khóa phiên

• Hạn chế lượng dữ liệu được mã hóa bằng 1 khóa

– Standard practice, to decrease the amount of traffic an attacker can obtain

• Ngăn chặn một số tấn công

– Example: Alice will send Bob message that is either

“BUY” or “SELL” Eve computes possible ciphertexts

{ “BUY” } k B and { “SELL” } k B Eve intercepts

enciphered message, compares, and gets plaintext at once

Các giải thuật trao đổi khóa

• Mục tiêu: Alice, Bob có được khóa chung

– Key cannot be sent in clear

• Attacker can listen in

• Key can be sent enciphered, or derived from exchanged data plus data not known to an eavesdropper

– Alice, Bob may trust third party

– All cryptosystems, protocols publicly known

• Only secret data is the keys, ancillary information known only

to Alice and Bob needed to derive keys

• Anything transmitted is assumed known to attacker

Phương pháp truyền thống

• Vấn đề khởi đầu: how do Alice, Bob begin?

– Alice can’t send it to Bob in the clear!

• Giả sử có bên thứ 3 tin cậy, Cathy

– Alice and Cathy share secret key kA

– Bob and Cathy share secret key kB

• Sử dụng các khóa này để trao đổi khóa

chung ks

Simple Protocol

– Session key reuse: Eve replays message from Alice

to Bob, so Bob re-uses session key

• Phải cung cấp chức năng xác thực để chống lại tấn công gửi lặp

Alice { Alice || Bob || r1 || k s || { Alice || k s } k B } k A Cathy

Phân tích: Alice talking to Bob

• Bản tin thứ 2

– Enciphered using key only she, Cathy knows

• So Cathy enciphered it

– Response to first message

• As r1 in it matches r1 in first message

• Bản tin thứ 3

– Alice knows only Bob can read it

• As only Bob can derive session key from message

– Any messages enciphered with that key are from Bob

Phân tích: Bob talking to Alice

• Bản tin thứ 3

– Enciphered using key only he, Cathy know

• So Cathy enciphered it

– Names Alice, session key

• Cathy provided session key, says Alice is other party

• Bản tin thứ 4

– Uses session key to determine if it is replay from Eve

• If not, Alice will respond correctly in fifth message

• If so, Eve can’t decipher r2 and so can’t respond, or responds

Cải tiến của Denning-Sacco

• Giả thiết: Tất cả khóa đều bí mật

• Tình huống: Giả sử Eve có thể lấy khóa phiên

Ảnh hưởng tới giao thức trao đổi khóa?

{ r2 – 1 } k s

Giải pháp

• Trong giao thức trên, Eve giả mạo Alice

• Vấn đề: Gửi lặp trong bản tin thứ 3

– First in previous slide

• Giải pháp: Sử dụng trường thời gian T để phát hiện

Needham-Schroeder with Denning-Sacco Modification

Alice { Alice || Bob || r1 || k s || { Alice || T || k s } k B } k A Cathy

Giao thức Otway-Rees

• Khắc phục vấn đề

– That is, Eve replaying the third message in the protocol

• Không dùng trường thời gian

– Not vulnerable to the problems that

Denning-Sacco modification has

• Sử dụng số nguyên n để kết hợp tất cả các

bản tin trong một trao đổi cụ thể

The Protocol

Alice n || Alice || Bob || { r1 || n || Alice || Bob } k A Bob

Cathy n || Alice || Bob || { r1 || n || Alice || Bob } k A || Bob

{ r2 || n || Alice || Bob } k B

Phân tích: Alice talking to Bob

• Bản tin thứ 4

– If n matches first message, Alice knows it is

part of this protocol exchange

– Cathy generated ks because only she, Alice

know kA

– Enciphered part belongs to exchange as r1

matches r1 in encrypted part of first message

Phân tích: Bob talking to Alice

• Bản tin thứ 3

– If n matches second message, Bob knows it is

part of this protocol exchange

– Cathy generated ks because only she, Bob know

kB

– Enciphered part belongs to exchange as r2

matches r2 in encrypted part of second message

Tấn công gửi lặp

• Eve có khóa cũ ks, và bản tin trong bước 3

– n || { r1 || k s } k A || { r2 || k s } k B

• Eve gửi cho Alice

– Alice has no ongoing key exchange with Bob: n

matches nothing, so is rejected

– Alice has ongoing key exchange with Bob: n does not

match, so is again rejected

• If replay is for the current key exchange, and Eve sent the relevant part before Bob did, Eve could simply listen to traffic;

no replay involved

Ý tưởng

• User u xác thực tại Kerberos server

– Obtains ticket T u,TGS for ticket granting service (TGS)

• User u muốn sử dụng dịch vụ s:

– User sends authenticator A u , ticket T u,TGS to TGS asking for ticket for service

– TGS sends ticket T u,s to user

– User sends A u , T u,s to server as request to use s

• Details follow

– k u,s is session key for user and service

– Valid time is interval for which ticket valid

– u’s address may be IP address or something else

• Note: more fields, but not relevant here

Thẻ xác thực

• Giấy xác nhận chứa nhận diện của người gửi thẻ

– Used to confirm sender is entity to which ticket was

– k t is alternate session key

– Generation time is when authenticator generated

• Note: more fields, not relevant here

user user || { k u,s } k u,TGS || T u,s TGS

Phân tích

• Hai bước đầu lấy thẻ người dùng để sử dụng

TGS

– User u can obtain session key only if u knows key

shared with Cathy

• Bốn bước tiếp theo chi ra cách u lấy và sử dụng thẻ cho dịch vụ s

– Service s validates request by checking sender

(using Au,s) is same as entity ticket issued to

– Step 6 optional; used when u requests confirmation

Vấn đề

• Dựa vào đồng hồ được đồng bộ

– If not synchronized and old tickets,

authenticators not cached, replay is possible

• Thẻ có một số trường cố định

– Dictionary attacks possible

– Kerberos 4 session keys weak (had much less than 56 bits of randomness); researchers at

Purdue found them from tickets in minutes

Public Key Key Exchange

• Khóa trao đổi được công khai

– e A , e B Alice and Bob’s public keys known to all

– d A , d B Alice and Bob’s private keys known only to

owner

• Simple protocol

– k s is desired session key

Vấn đề và giải pháp

• Dễ bị tấn công giả mạo hoặc gửi lặp

Alice sent message

• Simple fix uses Alice’s private key

– k s is desired session key

• Có thể kèm theo bản tin mã hóa bằng khóa ks

• Giả sử Bob có khóa công khai của Alice và ngược lại

– If not, each must get it from public server

– If keys not bound to identity of owner, attacker Eve can

launch a man-in-the-middle attack (next slide; Cathy is

public server providing public keys)

• Solution to this (binding identity to keys) discussed later as public key infrastructure (PKI)

Man-in-the-Middle Attack

Eve intercepts message

Cryptographic Key Infrastructure

• Mục tiêu: Gắn các thực thể với khóa

• Truyền thống: Không khả thi vì các khóa được chia sẻ

– Use protocols to agree on a shared key (see earlier)

• Public key: Gắn thực thể với khóa công khai

– Crucial as people will use key to communicate with principal whose identity is bound to key

– Erroneous binding means no secrecy between

principals

– Assume principal identified by an acceptable name

Certificates: Chứng chỉ

• Tạo một thẻ (bản tin) có chứa:

– Identity of principal (here, Alice)

– Corresponding public key

– Timestamp (when issued)

– Other information (perhaps identity of signer)

signed by trusted authority (here, Cathy)

CA = { eA || Alice || T } dC

• Bob nhận chứng chỉ của Alice

– If he knows Cathy’s public key, he can decipher the

certificate

• When was certificate issued?

• Is the principal Alice?

– Now Bob has Alice’s public key

• Vấn đề: Bob cần khóa công khai của Cathy để xác minh chứng chỉ (certificate)

– Problem pushed “up” a level

– Two approaches: Merkle’s tree, signature chains

Certificate Signature Chains

• Tạo chứng chỉ

– Generate hash of certificate

– Encipher hash with issuer’s private key

• Xác minh

– Obtain issuer’s public key

– Decipher enciphered hash

– Recompute hash from certificate and compare

• Vấn đề: Lấy được khóa công khai của người

cấp

X.509 Chains

• Some certificate components in X.509v3:

– Version

– Serial number

– Signature algorithm identifier: hash algorithm

– Issuer’s name; uniquely identifies issuer

– Interval of validity

– Subject’s name; uniquely identifies subject

– Subject’s public key

– Signature: enciphered hash

Xác minh chứng chỉ X.509

• Lấy khóa công khai của người cấp

– The one for the particular signature algorithm

• Giải mã chữ ký

– Gives hash of certificate

• Tính lại mã băm từ chứng chỉ và so sánh

– If they differ, there’s a problem

• Kiểm tra thời gian

– This confirms that certificate is current

Issuers: Người cấp

• Certification Authority (CA): Đơn vị phát

hành chứng chỉ

– Multiple issuers pose validation problem

– Alice’s CA is Cathy; Bob’s CA is Don; how

can Alice validate Bob’s certificate?

– Have Cathy and Don cross-certify

• Each issues certificate for the other

• Alice validates Bob’s certificate

– Alice obtains Cathy<<Dan>>

– Alice uses (known) public key of Cathy to validate

Cathy<<Dan>>

– Alice uses Cathy<<Dan>> to validate Dan<<Bob>>

PGP Chains

• Chứng chỉ OpenPGP có cấu trúc dạng các gói tin

– One public key packet

– Zero or more signature packets

• Gói tin khóa công khai:

– Version (3 or 4; 3 compatible with all versions of PGP,

4 not compatible with older versions of PGP)

– Creation time

– Validity period (not present in version 3)

– Public key algorithm, associated parameters

– Public key

Gói tin chữ ký OpenPGP

• Version 3 signature packet

– Version (3)

– Signature type (level of trust)

– Creation time (when next fields hashed)

– Signer’s key identifier (identifies key to encipher hash)– Public key algorithm (used to encipher hash)

– Hash algorithm

– Part of signed hash (used for quick check)

– Signature (enciphered hash)

• Version 4 packet more complex

• Một chứng chỉ có thể có nhiều chữ ký

• Thuộc tính “độ tin cậy” được đưa vào mỗi chữ ký

– Range from “untrusted” to “ultimate trust”

– Signer defines meaning of trust level (no standards!)

• Version 4: Khóa được ký bởi chính chủ thể

– Called “self-signing”

Xác minh chứng chỉ

• Alice needs to validate

Bob’s OpenPGP cert

– Does not know Fred,

Giselle, or Ellen

• Alice gets Giselle’s cert

– Knows Henry slightly, but

his signature is at “casual”

level of trust

• Alice gets Ellen’s cert

– Knows Jack, so uses his

cert to validate Ellen’s, then

hers to validate Bob’s Bob

FredGiselle

EllenIrene

Henry

JackArrows show signaturesSelf signatures not shown

Lưu trữ khóa

• Trong các hệ thống đa người dùng hoặc môi

trường mạng: Kẻ tấn công có thể vượt qua hệ

thống điều khiển truy cập

– Encipher file containing key

• Attacker can monitor keystrokes to decipher files

• Key will be resident in memory that attacker may be able to read

– Use physical devices like “smart card”

• Key never enters system

• Card can be stolen, so have 2 devices combine bits to make

Thu hồi khóa

• Chứng chỉ không còn hợp lệ trước khi hết hạn

– Usually due to compromised key

– May be due to change in circumstance (e.g., someone

leaving company)

• Vấn đề:

– Entity revoking certificate authorized to do so

– Revocation information circulates to everyone fast

enough

• Network delays, infrastructure problems may delay information

• PGP: Người ký được thu hồi chữ kỹ, người sở hữu

có thể thu hồi cả chứng chỉ, hoặc cho phép người khác thu hồi

– Revocation message placed in PGP packet and signed

– Flag marks it as revocation message

Chữ ký số

• Một cấu trúc dùng để xác thực nguồn gốc và nội dung của bản tin và có thể chứng minh sự xác thực

đó với 1 bên thứ 3 khách quan.

• Người gửi không thể từ chối đã gửi bản tin (dịch

vụ “không thể chối cãi”)

– Limited to technical proofs

• Inability to deny one’s cryptographic key was used to sign

– One could claim the cryptographic key was stolen or compromised

• Legal proofs, etc., probably required; not dealt with here

Sai lầm thường gặp

• Thông thường: Alice, Bob share key k

– Alice sends m || { m } k to Bob

Chữ ký số truyền thống

• Cần có bên thứ 3 tin cậy

– Alice, Bob each share keys with trusted party Cathy

• Để giải quyết tranh chấp, người giải quyêt lấy { m } k Alice, {

m } k Bob, và yêu cầu Cathy giải mã; nếu 2 bản tin khớp, thì tương đương hợp đồng 2 bên đã ký

{ m }k Alice { m }k Alice { m }k Bob

Chữ ký số khóa công khai

• Khóa của Alice: dAlice, eAlice

• Alice gửi cho Bob

m || { m } dAlice

• Khi có tranh chấp, người giải quyết tính:

{ { m } dAlice } eAlice

• Nếu kết quả là m, Alice đã ký bản tin

– She’s the only one who knows dAlice!

Chữ ký số RSA

• Dùng khóa riêng để mã hóa bản tin

– Protocol for use is critical

• Các điểm chính:

– Never sign random documents, and when

signing, always sign hash and never document

• Mathematical properties can be turned against signer

– Sign message first, then encipher

• Changing public keys causes forgery

– Alice computes 0517 mod 77 = 08; corresponding

signature is 0319 mod 77 = 57; claims Bob signed 08

• Signature validated; Bob is toast

Attack #2: Bob’s Revenge

• Bob, Alice đồng ý ký HĐ 06

• Alice mã hóa, sau đó ký:

• Bob thay đổi khóa công khai

• Bob tuyên bố HĐ là13 Tính:

– Verified; now Alice is toast

Key Points

• Key management critical to effective use of

cryptosystems

– Different levels of keys (session vs interchange)

• Keys need infrastructure to identify holders, allow revoking

– Key escrowing complicates infrastructure

• Digital signatures provide integrity of origin and content

Much easier with public key cryptosystems than with

classical cryptosystems