Conditional Access für Pay-TV

Transkript

1 Systemsicherheit Teil 4: Prof. Dr. Conditional Access für Inhalt Funktionsweise Conditional Access (CA) Angriffe auf das analoge Scrambling Videocrypt (Folien Markus Kuhn) Nagravision (Premiere Analog) Angriffe auf das Schlüsselmanagement Videocrypt Irdeto/BetaResearch Digitales Fernsehen und der Common Scrambling Algorithmus MPEG-2 Transportformat und DVB Der CSA Ausblick: Stand der Technik in der Kryptoanalyse: Deep Crack Forschung Broadcast Encryption Traitor Tracing 2

2 Ziele Conditional Access Autorisierter Benutzer Autorisierter Benutzer Nichtautorisierter Benutzer 3 Funktionsweise Conditional Access Verschlüsseltes Audio/Video + Zugriffsbedingungen (in ECM) Überprüfe, ob die Zugriffsrechte mit den Zugriffsbedingungen übereinstimmen. Wenn ja, entschlüssele! CNN 2 Zugriffs- Rechte 4

3 Funktionsweise Conditional Access Scrambling / Verschlüsselung Analog: Das Videosignal wird in einen FIFO-Puffer geladen und unter Kontrolle eines kryptogr. Schlüssels CW modifiziert. Digital: Der MPEG-2-TS wird durch den DVB Common Scrambling-Algorithmus mit Hilfe des Kontrollworts CW verschlüsselt. Schlüsselmanagement/Conditional Access CW wird (verschlüsselt mit einem Service-Schlüssel SK) in einer ECM übertragen, zusammen mit Zugriffsbedingungen. SK wird (verschlüsselt mit einem persönlichen Schlüssel PK oder einem Gruppenschlüssel GK) in einer EMM übertragen, zusammen mit Zugriffsrechten. Stimmen Bedingungen und Rechte überein, so gibt die Chipkarte CW frei. 5 Scrambling / Conditional Access -Anbieter Kunde Video CSA CSA CW (Video) CSA Video CW E ECM = E SK (CW) CW D Scrambling CA SK E EMM = E PK (SK) D SK PK PK 6

4 Verschlüsselung im CE-Bereich Neue, sehr spezifische Bedrohungen Der einzelne Kunde hat kein Interesse daran, seine kryptographischen Schlüssel (SK, GK, PK) geheimzuhalten. Marketingstrategien und Sicherheitsanforderungen sind oft unvereinbar. Geräte und Chipkarten werden preisgünstig und unkontrollierbar abgegeben. Großes Potential an versierten Hackern mit einfachen, aber effektiven Angriffen. Früheste bekannte Seitenkanalangriffe 7 Videocrypt 8

5 Nagravision/Syster 9 Nagravision/Syster 10

6 Nagravision/Syster Angriffe auf das analoge Scrambling Der PSND1-Dekoder für die SECAM-Version des Nagravision-Systems rekonstruiert(e) gescrambeltes Audio/Video in Echtzeit. Quelle: 11 Nagravision/Syster Angriffe auf das analoge Scrambling (2): PC-Basierte Angriffe Pentium 166 Mhz Videokarte mit Framegrabber Funktioniert für Nagravision/Syster und Videocrypt Illegal bei Entschlüsselung deutscher Sender Quellen:

7 Schlüsselmanagement/CA -Anbieter Kunde Video CSA CSA CW (Video) CSA Video CW E ECM = E SK (CW) CW D Scrambling CA SK E EMM = E PK (SK) D SK PK PK 13 Schlüsselmanagement/Videocrypt Deaktivierung einer Chipkarte durch negative Adressierung Alle Karten besitzen das gleiche Geheimnis Deaktivierung einer Karte nur in Kooperation mit dieser möglich Folge: Infinite Life - Attacke Descr. ohne SC EMM=ECM Hash CW MAC Okay? Adr 1 Adr 2 Adr 3 Adr 4 14

8 CA im Entertainment-Bereich Angriffe auf das Schlüsselmanagement Blocker filtern Befehle zum Deaktivieren der Chipkarte aus. 15 Schlüsselmanagement/Eurocrypt Aktivierung einer Chipkarte durch positive Adressierung ECM wird mit SK verschlüsselt übertragen SK wird mit den verschiedenen GK i verschlüsselt in EMM übertragen GK i wird mit den verschiedenen SK i verschlüsselt in EMM übertragen CW SK GK 1 GK 2 ECM EMM PK 1 PK 2 PK 3 PK 4 16

9 Schlüsselmanagement/CA Deaktivierung einer Chipkarte durch positive Adressierung CW Zum Deaktivieren von ECM Karte 4 müssen GK 2 und SK ausgetauscht werden. SK EMM EMM 1 enthält neuen GK 2 verschlüsselt mit PK 3. EMM 2 enthält neuen SK verschlüsselt mit GK 1 GK 1 GK 2 EMM 3 enthält neuen SK verschlüsselt mit GK 2 PK 1 PK 2 PK 3 PK 4 17 Schlüsselmanagement/CA Optimierung der positiven Adressierung CW n Kunden, m-ärer Baum ECM der Tiefe t SK EMM n m t-1 m(t-1)-1 = m log m n -1 Funktion (n fest) x log x n = (x/ln x) ln n hat Minimum bei x=e Daher t = 2 oder t = 3 optimal. GK 1 GK 2 PK 1 PK 2 PK 3 PK 4 18

10 Schlüsselmanagement/CA Positive Adressierung in der Praxis ECM enthält ID des Kanals Rechte, die für diesen Kanal benötigt werden (in der Reihenfolge Pay-per-Channel, Prebooked PPV, Impulsive PPV) Gesichert mit MAC SK (ID, Rechte) EMM-U enthält Nummer der Gruppe, der die Karte zugeordnet wird Schlüssel der Gruppe, der die Karte zugeordnet wird Verschlüsselt mit PKi Gesichert mit MAC PKi (Daten) 19 Schlüsselmanagement/CA Positive Adressierung in der Praxis EMM-G enthält Adresse der Gruppe, für die die EMM bestimmt ist Bitmap der Gruppe Berechtigung, die die in der Bitmap markierten Mitglieder der Gruppe erhalten sollen Verschlüsselt mit GKi Gesichert mit MAC GKi (Daten) Gruppe SPORT MAC GKi 20

11 Angriffe Schlüsselmanagement Piratenkarten emulieren das ECM/CW I/O-Verhalten der Originalkarten SK muss der Piratenkarte bekannt sein Datenformate ECM müssen bekannt sein Bei Wechsel des SK: Update des neuen SK über die 10er- Tastatur Quelle: 21 Angriffe Schlüsselmanagement Programmierbarer Chipkartenemulator icard Komplette Software der icard kann erneuert werden Bei häufigem Wechsel von SK kann auch ein GKi mit abgespeichert werden (halbanonym) Heute: Programmierbare leere Chipkarten (alles in SW) Quelle: 22

12 Angriffe Schlüsselmanagement PC/Dekoder-Schnittstelle mit seriellem Kabel (SEASON- Interface) ermöglichen die Simulation der Chipkarte durch einen PC (für VIACCESS, MediaGuard, Irdeto,...) Das SEASON-Programm benötigt aktuelle kryptographische Schlüssel Key-Datenbanken im Internet 23 Angriffe Schlüsselmanagement Standard-Chipkarten als Piratenkarten: Reaktivierung von Originalkarten Fall 1: Schwäche des MAC-Algorithmus (Programmierfehler) Fall 2: GKi bekannt oder kann auf Karte geladen werden Fall 3: PKi bekannt oder kann auf die Karte geladen werden Bild: Chipkartenleser zur Reprogrammierung von Originalkarten 24

13 Angriffe Schlüsselmanagement Reaktivierung von Originalkarten (MOSC): Wie kann das funktionieren? Auslesen oder Schreiben von Schlüsseln durch Buffer Overflow SK kann auf Karte geschrieben werden: Ausschalten durch Produktwechsel GKi oder PKi kann auf Karte geschrieben werden: Autoupdate - Karten CardWizard: z.b. unter 25 Schlüsselmanagement/CA Varianten der Schlüsselhierarchie für mehrere Produkte Gruppen sind fest, mehrere SK SK2 CW GK 1 GK 2 CW SK1 ECM EMM PK 1 PK 2 PK 3 PK 4 26

14 Schlüsselmanagement/CA Varianten der Schlüsselhierarchie CW für mehrere ECM Produkte Gruppen sind bzgl. SK optimiert SK EMM Mehrere unabhängige Anbieter pro Karte möglich (Analogon root/user unter Unix) GK 1 GK 2 PK 1 PK 2 PK 3 PK 4 27 Angriffe Schlüsselmanagement Reaktivierung von Originalkarten (MOSC) Struktur der EMMs (s.u.) und Verschlüsselungsalgorithmus sind den Hackern bekannt. Digitale Signatur (MAC) der EMM kann gefälscht werden (Fehler im OS der Karte, Timing-Attacke) Produktschlüssel und einige Gruppenschlüssel sind im Internet publiziert xx 0A xx xx Xx F 02 A4 FE 00 s1 xx 01 Class 1 Start Länge Adressierungsart Adresse (Gruppe) Länge Nano Channel ID Timest. Dauer Min. Sign. Prüfs 28

15 CA im Business-Bereich Klassisches ( militärisches ) Bedrohungsszenario Mitarbeiter eines Unternehmens sind verpflichtet, kryptographische Schlüssel (SK, GK, PK) geheimzuhalten. Sicherheitsvorgaben durch das Unternehmen. Geräte und Chipkarten werden kontrolliert, Verluste können protokolliert werden. Bei Industriespionage können auch komplexe Angriffsmethoden (DPA, DFA, Microprobing) zum Einsatz kommen. 29 Anforderungen an Business-CA Ausreichender technischer Abstand zum Entertainment-Bereich Kein lohnendes Ziel für Hacker, da Inhalte nur für Mitarbeiter interessant. Hacks aus dem Entertainment-Bereich können nicht direkt auf Business-TV angewendet werden. Technische Anforderungen an Business-TV und sind verschieden (z.b. maximale Kundenzahl). Problem: Wie mißt man den technischen Abstand? Kryptographische Separation vom Eingesetzte Schlüsselhierarchie muß disjunkt zur - Hierarchie sein. Worst Case: Business-TV und teilen gemeinsames Hardware-Geheimnis. 30

16 Digitales Fernsehen: MPEG-2 Daten werden in Transportpaketen (188 Bytes) transportiert Zeitmultiplex verschiedener Audio/Video/Datenströme Einzelne Pakete des gleichen Stroms haben gleiche PID 31 Digitales Fernsehen: MPEG-2 Übertragung der Transportpakete im Zeitmultiplex Zusammenfassung von PID-Strömen zu Services mittels Tabellen ( Service Information, SI) Tabellen bilden eine Art Dateisystem für das MPEG-2-System root -Verzeichnis hat feste, allgemein bekannte PID PID = 1 PID = 1 PID = 2 PID = 1 PID = 1 PID = 3 PID = (Video) (Video) (Audio) (Video) (Video) (Daten) (Audio)... Service 1: PID = 1 (Video) PID = 2 (Audio) PID = 3 (Daten) Service 2: PID = 1 (Video) PID = 17 (Audio) 32

17 Digitales Fernsehen: nach DVB ECM-Datenstrom jeweils an einen Service gebunden Wenn ein bestimmter Service (Audio/Video/Daten) über SI ausgewählt wurde ( EPG ), filtert die Set-Top-Box die zugehörigen ECMs und sendet sie an die Karte. EMM-Datenstrom ist unabhängig von den Services Karte muss der Set-Top-Box ihre Adressen (individuell, Gruppen) mitteilen, damit diese die EMMs filtern kann. PID = 1 PID = 1 PID = 2 PID = 1 PID = 1 PID = 3 PID= (Video) (Video) (Audio) (Video) (Video) (ECM) (EMM)... 1: PID = 1 (Video) PID = 2 (Audio) PID = 3 (ECM) EMM: PID= 213 (EMM) 33 Digitales Fernsehen: DVB- Verschlüsselung Minimale (Synchronisations-) Information zur Verschlüsselung im MPEG-TS-Header Weitere Informationen in den ECMs ECM-Varianten: enthält nur nächstes CW (even/odd) enthält aktuelles und nächstes CW TS_scrambling_control-Belegung Bedeutung 00 TS-Nutzlast ist nicht verschlüsselt 01 Reserviert für zukünftigen DVB-Gebrauch 10 Nutzlast ist mit einem geraden CW verschlüsselt 11 Nutzlast ist mit einem ungeraden CW verschlüsselt 34

18 Digitales Fernsehen: DVB- Verschlüsselung CSA 35 Digitales Fernsehen: DVB- Verschlüsselung CSA 36

19 Digitales Fernsehen: DVB- Verschlüsselung CSA 37 Digitales Fernsehen: DVB- Verschlüsselung CSA 38

20 CA und IP Neue Anwendungen - neue Sicherheitsanforderungen Business-TV auf dem PC. Ggf. bei Umsetzung auf MPEG-1 neue Verschlüsselung notwendig. Data Broadcast. Neue Scheduling-Mechanismen für die Steuerung der Verschlüsselung. Fast Internet. Etablierung virtueller Kanäle mit CA. 39 CA und IP Conditional Access und IPSec IPSec: Format zur Verschlüsselung von IP-Paketen, verschiedene Schlüsselmanagement-Methoden. Orig. IP-Header TCP Daten Vor der Anwendung von ESP Nach der Anwendung von ESP Orig. IP-Header ESP-Hdr. TCP Daten ESP-Tr. ESP-Auth. Vertraulich Authentisch 40

21 CA und IP Conditional Access und IPSec (2) IKE: Schlüsselmanagement für Punkt-zu-Punkt- Verbindungen. IP-Multicast: Neues Forschungsgebiet, vgl. Conditional Access als Schlüsselmanagement-System für IP Multicast: Äußerst effiziente Lösung des Problems, benötigt aber Chipkarte als Sicherheitsmodul. 41 Broadcast Encryption Gesucht: Schlüsselmanagement für Nutzermenge U, mit dem es möglich ist eine Nachricht genau an alle Nutzer T U über ein Rundfunkmedium zu senden, so dass es auch gegen jede Koalition von k Angreifern S U mit S T= sicher ist ( k-resilient ), und die Anzahl der Schlüssel (insgesamt/pro Nutzer) soll minimiert werden. Vorüberlegung: Um Teilmenge T U eindeutig zu bezeichnen, sind U Bits erforderlich. Nur in Spezialfällen ist hier eine Verbesserung möglich. 42

22 Broadcast Encryption k-resilientes Basisschema für jede Teilmenge B mit höchstens k Nutzern: wähle einen Schlüssel K B K B wird jedem Nutzer gegeben, der nicht zu B gehört der Schlüssel für T ist das XOR aller Schlüssel K B, B U-T. Sicherheit Den Mitgliedern jeder Teilmenge S U-T mit höchstens k Nutzern fehlt der Schlüssel K S zur XOR-Berechnung Anzahl der Schlüssel Anzahl der i-teilmengen der Menge U, U =n, ist n Anzahl aller Schlüssel: k i n i= 0 i 43 Broadcast Encryption 1-resilientes Basisschema Nutzer muss n-1 Schlüssel speichern Verbesserung durch kryptographische Annahmen Annahme 1: Es gibt Einwegfunktionen Dann gibt es pseudozufällige Funktion f : {0,1} a {0,1} 2a s s l = linke Hälfte von f(s) s r = rechte Hälfte von f(s) s ll = linke Hälfte von f(s l ) s lr s rl s rr = rechte Hälfte von f(s r ) 44

23 Broadcast Encryption Annahme 1: Es gibt Einwegfunktionen Schlüsselzuweisung für Nutzer x wie folgt: Entferne den Pfad von x zur Wurzel aus dem Baum Weise x die Werte zu, mit denen die verbleibenden Teilbäume beschriftet sind Damit kann x die Beschriftung aller Blätter bis auf sein eigenes rekonstruieren. log 2 n Schlüssel s r s ll x 45 Broadcast Encryption Annahme 2: Die Berechnung von p-ten Wurzeln modulo N=PQ ist praktisch unmöglich geheim, nur dem Schlüsselmanagementzentrum bekannt: Primzahlen P, Q, Zahl g, wobei <q> in Z N möglichst groß sein soll. öffentlich bekannt: Modulus N Liste ( (1, p 1 ), (2, p 2 ),..., (n, p n ) ) mit der Bedeutung, dass die Primzahl p i dem Nutzer i zugeordnet und paarweise teilerfremd zu allen anderen Primzahlen p j ist. nur Nutzer i bekannt: g i = g pi mod N Schlüssel für Gruppe T U: g pt mod N mit p T = Π i T p i 46

24 Broadcast Encryption Annahme 2: Die Berechnung von p-ten Wurzeln modulo N=PQ ist praktisch unmöglich Berechnung des Schlüssels durch Nutzer i T: g i p j T { i} j mod N Sicherheit: Wenn ein Nutzer j T den Schlüssel berechnen könnte, dann könnte er auch g berechnen. Beweis: ggt in den Exponenten, an der Tafel. 47 Broadcast Encryption Konstruktion von k-resilienten Systemen aus den 1- resilienten Grundbausteinen: Parameter L, m S U f i injektiv auf S f 1... f L 1,..., m 48

25 Broadcast Encryption Konstruktion von k-resilienten Systemen aus den 1- resilienten Grundbausteinen: Parameter L, m Funktionen f 1,...,f L : U {1,...,m} (zufällig gewählt oder konstruiert) Es muss gelten: Für jedes S U mit S =k gibt es eine Funktion f i so dass für alle x,y S gilt: f i (x) f i (y). Stichwort: Perfect Hash Functions (Die Parameter L und m sind noch geeignet zu wählen.) S U f i injektiv auf S f ,..., m f L 49 Broadcast Encryption Konstruktion von k-resilienten Systemen aus den 1- resilienten Grundbausteinen: Schlüsselverteilung Für i {1,...,L} und j {1,...,m} konstruiere jeweils ein unabhängiges 1-resilientes BE-System R(i,j). Jeder Nutzer x U erhält die Schlüssel für das System R(i,f i (x)) für i {1,...,L}. S U f i injektiv auf S 1,..., m f 1... f L 50

26 Broadcast Encryption Konstruktion von k-resilienten Systemen aus den 1- resilienten Grundbausteinen: Verschlüsselung Um eine geheime Nachricht M an eine Menge T zu senden, zerlege diese in L Teilnachrichten M 1... M L =M. M i wird an die Menge { x T f i (x)=j } gesendet, geschützt durch R(i,j). Jeder Nutzer x T erhält so alle Teilnachrichten M i und kann die Nachricht M berechnen. S U f i injektiv auf S f ,..., m f L 51 Broadcast Encryption Konstruktion von k-resilienten Systemen aus den 1- resilienten Grundbausteinen: Sicherheit Gegeben sei eine Angreifermenge S. Dann gibt es eine Funktion f i, die für S injektiv ist. S Für jedes 1-resiliente System R(i,j), U mit dem M i verschlüsselt wird, ist höchstens 1 Angreifer aus S vorhanden. Da die einzelnen Schemata 1-resilient sind, können die Angreifer so M i nicht berechnen. M bleibt somit geheim. f i injektiv auf S f 1... f L 1,..., m 52

27 Broadcast Encryption Konstruktion von k-resilienten Systemen aus den 1- resilienten Grundbausteinen: Wahl von L und m Für m = 2k 2 und L = k log n ist die Wahrsch., dass eine zufällig gewählte Funktion f i auf einer Menge S S injektiv ist, mindestens k 1 k( k 1) 1 = 1 > 2 2 m 4k Die Wahrsch., dass es kein solches f i... gibt, ist 1/4 L = 1/n 2k. f L Die Wahrsch., dass es für jede k-menge S ein solches f i gibt, ist n k k k n n 3 4 U f i injektiv auf S f 1 1,..., m 53 Traitor Tracing Definition: A k-resilient Traitor Tracing Scheme is defined as follows 1. The content is encrypted using a session key S. 2. The session key is split into r partial keys s 1,...,s r using a (m,r)- Threshold scheme [Sha79]. 3. The set of decryption keys PK contains r elements k 1,...,k r The partial key s i is encrypted under the decryption key k i. All these cryptograms together will form the enabling block for the content. 4. Each authorized user u gets a personal set PK(u) PK of decryption keys. This set contains m decryption keys from PK and will thus allow him to decrypt m shares. He then can reconstruct S using the (m,r)-threshold scheme and decrypt the content. 5. There exists a Traitor Tracing Algorithm which on input an arbitrary personal key set PK(u) found in a pirate device outputs the identity of at least one traitor out of a coalition of at most k traitors. 54

28 Traitor Tracing Beispiel: Ein 1-resilientes Traitor Tracing Schema Nutzer sind Punkte in affiner Ebene Schlüssel Geraden in Parallelenklassen (hier 2) Jeder Nutzer erhält die Schlüssel, deren Geraden durch seinen Punkt gehen. 55 Traitor Tracing Was nicht passieren darf k Angreifer U 1,...,U k kombinieren die Schlüssel aus ihren Mengen PK(U 1 ),...,PK(U k ) so zu einer neuen Menge PK(*), dass der Tracing-Algorithmus einen unschuldigen Nutzer U als Ergebnis liefert. ( Framing ) Allgemeinstes Resultat: P. Erdös, P. Frankl and Z. Furedi: Families of Finite Sets in Which No Set is Covered by the Union of r Others. Israel J. Math. 51, 1985, pp Was optimiert werden soll PK PK(U) Länge des Enabling Block 56

29 Traitor Tracing Beispiel: Ein d-resilientes Traitor Tracing Schema Nutzer sind Punkte in projektivem Raum PG(d,q) Duale rationale Normkurven in PG(d,q) : 2 d R = {[1: t : t :...: t ] t GF( q)} {[0 : 0 : 0 :...:1]} Lemma: Höchstens d Hyperebenen aus R schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt 57 Traitor Tracing Beispiel: Ein d-resilientes Traitor Tracing Schema PG(3,q) 58

30 Traitor Tracing Beispiel: Ein d-resilientes Traitor Tracing Schema PG(4,q) 59