Sicherheit in Netzen Modul 7: TLS Transport Layer Security

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1 Sicherheit in Netzen Modul 7: TLS Transport Layer Security 1. TLS-Einordnung (Geschichte, OSI-Referenzmodell) 2. TLS-Datenübertragung 3. TLS Schlüssel und Algorithmen 4. TLS-Handshake 5. TLS-Implementierung (PDUs, TLS-Sockets)

2 Historie: Entwicklung von SSL zu TLS PCT (1995) (Private Communication Technology) Microsoft First Release WTLS (1998) WAP Forum DTLS 1.0 (April 2006) IEFT (RFC 4347) SSLv1 (1994) Netscape nicht veröffentlicht SSLv2 (1994) Netscape First Release SSLv3 (1995) Netscape TLS 1.0 (1999) IEFT (RFC 2246) TLS 1.1 (April 2006) IEFT (RFC 4346) TLS 1.2 (Aug. 2008) IEFT (RFC 5246) Sicherheitsmängel nur noch geringe Modifikationen Designentscheidungen und Ziele: Einfachheit Ende-zu-Ende-Sicherheit Integration von SSL/TLS in die Anwendung und nicht in das Betriebssystem (Kernel) SSL/TLS setzt auf TCP auf ( DTLS) Integrität und Vertraulichkeit (von Datenströmen) (Starke, gegenseitige) Authentifizierung möglich Schutz vor Replayattacken Mehrere Verbindungen in einer Sitzung :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 2

3 TLS: Sicherheitsdienst / Grenzen und Probleme Sicherheitsdienst: Instanzen-Authentisierung Zertifizierung Vertraulichkeit ausgetauschter Nutzdaten Verschlüsselung (RC4, DES, Triple-DES, ) Nachrichtenauthentisierung und Datenintegrität Hashing + Verschlüsselung Grenzen und Probleme: keine Verbindlichkeit von Transaktionen (da keine Signatur) keine Anonymität keine (etablierte) Unterstützung UDP-basierter Dienste kein automatischer Rückruf von Zertifikaten, manuelles Trust-Management :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 3

4 Einordnung von TLS in die TCP/IP-Architektur und das OSI-Modell application Kern- Appl. Kern- Appl. presentation (TLS)-SAP (TLS)-SAP session TLS (TLS)-PDUs TLS (TLS)-SAP (TCP)-SAP (TCP)-SAP transport (TCP)-PDUs TCP TCP UDP system A system B :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 4

5 Sicherheit in Netzen Modul 6: TLS Transport Layer Security 1. TLS-Einordnung (Geschichte, OSI-Referenzmodell) 2. TLS-Datenübertragung 3. TLS Schlüssel und Algorithmen 4. TLS-Handshake 5. TLS-Implementierung (PDUs, SSL-Sockets)

6 TLS-Sitzung und TLS-Verbindung Handshake Secure Session abgekürzter Handshake connection state connection state connection state session state Secure Connection Secure Connection Secure Connection session state session identifier: Identifikator der Session peer certificate: X509.v3[X509] Zertifikat des Partners (optional). compression method: Kompressionsalgorithmus cipher spec: definiert Sicherheitsalgorithmen für Schlüsselaustausch, Verschlüsselung, Hashwertbildung master secret: 48-Byte Geheimzahl is resumable: ein Flag, das anzeigt, ob aus der Session heraus neue Verbindungen aufgebaut werden können. connection state server and client random: Zufallszahlen, die von Client und Server zu Beginn der Verbindung gewählt werden. server / client write MAC secret: die Geheimzahl, die bei MAC bzw. HMAC Operationen auf Daten vom Server angewandt wird. server / client write key: Schlüssel für die symmetrische Datenverschlüsselung initialization vector: Initialisierungsvektor im CBC-Mode sequence numbers: zählen der TLS-Records durch (64-Bit lang) :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 6

7 TLS-Architektur: Feinstruktur TLS Anwendung Handshake protocol Alert protocol Change cipher spec protocol App. data protocol handshake layer Record Layer TCP Layer Sockets IP Layer :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 7

8 TLS-Architektur: Feinstruktur TLS Anwendung Handshake protocol Alert protocol Change cipher spec protocol Steht zu Beginn jeder neuen Verbindung Leitet im Fehlerfall eine Meldung Vereinbarung von kryptographischen über den darunterliegenden besteht nur aus einer Nachricht, die Schlüsseln und Algorithmen Record-Layer anzeigt, zwischen an das andere dass die Ende sendende Fragmentierung der Server und Client der Verbindung Applikation weiter. zu dem Übermittelt im Handshake die Nutzdaten höherer vereinbarten Anwendungsdaten kryptographischen Schichten an den Record Layer. Die zertifikatsbasierte Authentifizierung Algorithmus Komprimierung und Schlüssel (optional) Daten werden wechselt. gemäß der bestehenden Session-Parameter fragmentiert, des Servers sowie optional desclients Absicherung gemäß Vereinbarungen im komprimiert Handshake- und verschlüsselt. Protokoll Weiterreichung an die Transportschicht App. data protocol handshake layer Record Layer TCP Layer Sockets IP Layer :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 8

9 TLS-Architektur: Record-Protokoll Anwendungsstrom a b c d e f g h i j fragment Fragment bcd efg hij compress komprimierter Block seq.nr. keyed-hash kompr. Block + MAC encrypt verschlüsselter Block add header Record transmit TCP-Strom :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 9

10 Sicherheit in Netzen Modul 6: TLS Transport Layer Security 1. TLS-Einordnung (Geschichte, OSI-Referenzmodell) 2. TLS-Datenübertragung 3. TLS Schlüssel und Algorithmen 4. TLS-Handshake 5. TLS-Implementierung (PDUs, SSL-Sockets)

11 TLS orientiert sich am Standardablauf hybrider Verfahren Schritt 1: Erzeuge private und öffentliche Schlüssel Schritt 2: Besorge öffentlichen Schlüssel des Kommunikationspartners Schritt 3: Bilde ein shared Secret Schritt 4: Bilde aus dem Shared Secret einen symmetrischen Sitzungsschlüssel Schritt 5: mit symmetrischen Verfahren gesicherte Kommunikation PKI z.b. Diffie-Hellmann Hash DES / AES RSA / ellipt. sk1 PKI pk1 pk2 sk2 Dif.-Hell. man-inthe-middle Dif.-Hell. shared secret = shared secret :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 11

12 Definition von TLS-Cipher-Suites Eine Cipher-Suite definiert Sicherheitsalgorithmen für Schlüsselaustausch Verschlüsselung beim Datenaustausch Hashwertbildung Beispiel: TLS_ECDH_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA bedeutet: Schlüsselaustausch mit ECDH_ECDSA (= Fixed ECDH (= elliptic Curve Diffee-Hellman) with ECDSA-signed certificates) AES mit 128 Bit Blocklänge im Cipher Block Chaining Mode Der Secure Hash Algorithm SHA-1 wird zur Berechnung des MAC (message authentication code) benutzt. Der Zahlencode für TLS_ECDH_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA ist 0xC0, 0x04, siehe RFC 4492 Elliptic Curve Cryptography (ECC) Cipher Suites for Transport Layer Security (TLS) :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 12

13 Definition von TLS-Cipher-Suites Was bedeutet die Cipher-Suite TLS_NULL_WITH_NULL_NULL? Was bedeutet die Cipher-Suite TLS_NULL_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA? Was bedeutet in dieser Cipher-Suite 3DES_EDE? Bemerkungen: Bislang sind über 60 Cipher-Suites definiert. TLS_NULL_WITH_NULL_NULL ist die Default-Cipher-Suite, wenn nichts anderes vereinbart ist. Angriffe im Zusammenhang mit Cipher-Suites: Rollback-Angriffe (bzw. Downgrad-Angriff) :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 13

14 Schlüsselhierarchie und Schlüsselgenerierung client-random server-random Pre-Master-Secret hängt von Key-Exchange- Algorithmus ab pseudo-random function (PRF) Master-Secret Immer 48 Byte lang pseudo-random function (PRF) key_block wird für jede Verbindung in der Session neu erzeugt Client- MAC- Key Server MAC- Key Client- Write- Key Server Write Key Client- IV Server IV :28:46 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 14

15 Sicherheit in Netzen Modul 6: TLS Transport Layer Security 1. TLS-Einordnung (Geschichte, OSI-Referenzmodell) 2. TLS-Datenübertragung 3. TLS Schlüssel und Algorithmen 4. TLS-Handshake 5. TLS-Implementierung (PDUs, SSL-Sockets)

16 Handshake mit RSA encrypted premaster secret - Prinzip Client Erzeugung des Pre_Master_Secret Public Key Server Private Key Verschlüsselung des Pre_Master_Secret mit dem Public Key des Servers Pre_Master_Secret :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 16

17 Handshake mit RSA encrypted premaster secret - Protokoll Client Server (1) Unterstützte Cipher-Suites, Zufallszahl 2) gewählte Cipher-Suite, Zufallszahl, Zertifikat 3) Pre_Master_Secret Berechnung der Schlüssel Berechnung der Schlüssel (4) MAC von Handshake-Nachrichten (5) MAC von Handshake-Nachrichten :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 17

18 Ablauf des Handshake-Protokolls (Detail) Client Server ClientHello ServerHello Certificate* ServerKeyExchange* CertificateRequest* ServerHelloDone Certificate* ClientKeyExchange CertificateVerify ChangeCipherSpec Finished ChangeCipherSpec Finished * = optional ClientKeyExchange: Client stößt Erzeugung des Pre_Master_Secrets an, es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Methoden (1) RSA encrypted premaster secret message und (2) Client Diffie-Hellman public value ChangeCipherSpec: Ein Byte, das anzeigt, dass alle weiteren Nachrichten verschlüsselt übertragen werden ( = verschlüsselt) Finished: signierte MAC über alle vorangegangenen Handshakenachrichten. Datenaustausch erst dann, wenn Finished, des Kommunikationspartners überprüft. Reihenfolge Authentisierung-Verschlüsselung ist wesentlich für Sicherheit. [1] Application Data :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 18 [1] Hugo Krawczyk: The Order of Encryption and Authentication for Protecting Communications (or: How Secure Is SSL?), Lecture Notes In Computer Science; Vol archive, Proceedings of the 21st Annual International Cryptology Conference on Advances in Cryptology, 2001, Pages:

19 Ablauf des Handshake-Protokolls mit Client-Authentifizierung Client Server ClientHello ServerHello Certificate CertificateRequest ServerHelloDone Certificate ClientKeyExchange CertificateVerify ChangeCipherSpec Finished Clientauthentifizierung wird vom Server explizit angefordert CertificateVerify: signierter Hash über alle bisher gesendeten PDUs. Server kann nachprüfen, dass Client auch geheimen Schlüssel zum Zertifikat besitzt. Warum wird Clientzertifizierung so selten eingesetzt? ChangeCipherSpec Finished Application Data :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 20

20 Wiederaufnahme einer TLS-Session Client Server ClientHello ServerHello ChangeCipherSpec Finished ChangeCipherSpec Finished Application Data Clientseitige Wiederaufnahme der Verbindung durch Bezugnahme auf bestehende Sitzungs-ID Server-Annahme durch ServerHello mit Sitzungs-ID Verwendet bereits bestehendes Master_Secret Bemerkung: Bei Bedarf kann Client oder Server Erneuerung der Schlüssel anstoßen :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 21

21 Sicherheit in Netzen Modul 6: TLS Transport Layer Security 1. TLS-Einordnung (Geschichte, OSI-Referenzmodell) 2. TLS-Datenübertragung 3. TLS Schlüssel und Algorithmen 4. TLS-Handshake 5. TLS-Implementierung (PDUs, SSL-Sockets)

22 Ablauf des Handshake-Protokolls: ClientHello-PDU ClientHello version 3.1 random [32]= 38 f3 cb de 80 4c b4 79 0a 07 9f b3 51 ba b e3 8f bf ce c7 ff 25 3c 3b b2 5e f7 sessionid = 0 ciphersuites TLS_DHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA TLS_DHE_DSS_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA TLS_RSA_WITH_IDEA_CBC_SHA TLS_RSA_WITH_RC4_128_MD5 compressionmethod NULL :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 23

23 Ablauf des Handshake-Protokolls: ServerHello-PDU ServerHello version 3.1 random [32]= 38 f3 cb de b4 79 8c 07 9f b3 51 ba b b 8f bf 5a c7 ff 25 3c 3b e f7 sessionid = 76 f3 cb de a1 63 b4 79 a3 07 9f b3 51 f5 b b 8f bf 5a c7 ff 25 3c 3b ef 5e f7 ciphersuites TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA compressionmethod NULL :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 24

24 Ablauf des Handshake-Protokolls: Certificate (Server) Certificate subject C=AU ST=Queensland O=Cryptsoft Pty Ltd CN=Server test cert (512 bit) issuer C=Au ST=Queensland O=Cryptsoft Pty Ltd CN=Test CA (1024 bit) serial 04 certificate[493]= 38 f3 cb de :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 25

25 Ablauf des Handshake-Protokolls: ClientKeyExchange-PDU ClientKeyExchange EncryptedPreMasterSecret[64]= 38 f3 cb de b4 79 8c 07 9f b3 51 ba b b 8f bf 5a c7 ff 25 3c 3b e f :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 26

26 Ablauf des Handshake-Protokolls: Finished-PDU Finished( verify_data[12]= 38 f3 cb de b4 79 8c 07 9f b3 ) Bedeutung: verify_data = PRF(master_secret, finished-label, MD5 (handshake_messages)+ sha-1(handshake_mesages)) [o..11]; :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 27

27 Implementierungen: Von TLS benutzte TCP-Ports Identifier Ports Zweck https 443/ tcp TLS-HTTP-Protokoll smtps 465/ tcp TLS-SMTP-Protokoll nntps 563/ tcp TLS-Usenet news ldaps 636/ tcp TLS-LDAP-Protokoll corba-iiop-ssl 684/ tcp CORBA IIOP TLS ftps 930/ tcp TLS-FTP-Protokoll impas 993/ tcp TLS-IMAP4 pop3s 995/ tcp TLS-POP3 Aber: RFC 2616 (Upgrading to TLS Within HTTP/1.1) beschreibt, wie TLS über den well-known TCP Ports 80 abgewickelt werden kann :28:48 M. Leischner Sicherheit in Netzen Folie 28

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