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1 Kapitel 12 Kryptographische Protokolle Ziel: Anwendung der kryptographischen Bausteine Protokoll: Vereinbarung zwischen Kommunikationspartnern über Art, Inhalt und Formatierung der ausgetauschten Nachrichten sowie das Wechselspiel bei der Abwicklung eines Dialogs Kryptographische Protokolle Nachrichten werden ver- entschlüsselt, signiert, validiert, gehasht, Schutzziele: Authentizität der Partner, Integrität, Vertraulichkeit Verbindlichkeit, Privacy, Typische Angriffe auf kryptographische Protokolle? Vorlesung Kryptographie, SS09 1

2 Design-Gesichtspunkte bei kryptographischen Protokollen: u.a. Wer sieht welche Nachrichten? Wer darf sie, wann sehen? Enthält die Nachricht alle erforderlichen Angaben? Absender, Zeitstempel, Hashwert, Zertifikate,. Wer kann die Nachrichten ändern? Wer vertraut wem? Protokolle: Generisch: Authentifizierung: Beispiele? Schlüsselaustausch und Schlüsselmanagement: Beispiele? Kommunikationssicherheit: Beispiele? Anwendungs-spezifisch: sichere , sichere Online-Transaktionen, sichere Web-Services, Vorlesung Kryptographie, SS09 2

3 12.1 Authentifizierung Symmetrisches Challenge-Response-Verfahren (CR) Pre-Shared-Secret K ID zwischen Partnern vereinbart: Szenario: Subjekt A authentifiziert sich gegenüber Instanz B Subjekt A Instanz B Schlüssel K ID, Identifikation ID Schlüssel K ID zu ID Z.B. Login: (1) ID Erzeugen von RAND das ist die Challenge (2) RAND E(RAND, K ID ) = C (3) C E(RAND, K ID ) = C C (= Response) Test: C = C? Einsatz des Verfahrens in realen Szenarien? Angriffe? Schwächen? Vorlesung Kryptographie, SS09 3

4 Einmal Passwort-Verfahren: OTP (One Time Password) Hardware-basierte Lösung: ID-Token (Passwort-Generator) Analyse? Phishing Abwehr?. Vorlesung Kryptographie, SS09 4

5 S/Key-Verfahren (Lamport-Hash) u.a. für Linux, OpenBSD, FreeBSD, Setting: Benutzer und sein lokaler Arbeitsplatz (PC, Laptop,.) Server, bei dem sich der Nutzer anmelden will Benutzer: besitzt Benutzer-Passwort s, s ist Pre-Shared Secret zwischen Benutzer und PC, Server kennt s nicht Vorgehen: vorbereitende Schritte durch PC kryptographische Hashfunktion f, wähle: Zahl N, Seed-Wert k Einmal Passworte: p 1 = f(s k), p 2 = f(p 1 ),..., p N = f N (s k) Initialisierung: Übertragen von p N, N, k und Nutzer-Kennung Ablauf: siehe nächste Folie Vorlesung Kryptographie, SS09 5

6 Protokollablauf S/Key-Verfahren Technische Universität München Benutzer Alice Password s PC von Alice Alice Server hat gespeichert: p, i+1, Seed k i+1 i, k Challenge Kontrolle: p i = f i (s k) Response f(p i ) = p i+1? Falls ja: Speichere: p i, i Login ok Anderenfalls Login failed Sicherheitsanalyse? Mögliche Angriffe? Vorlesung Kryptographie, SS09 6

7 12.2 Authentifikations- und Schlüsselaustauschprotokolle Anforderungen Wechselseitige Authentifikation Häufig gewünscht: Single-Sign on, Bedeutung? Schlüsselaustausch bzw. Schlüsselvereinbarung für vertrauliche und integere Datenübertragung Needham-Schroeder Protokoll 1978 Basis u.a. für Kerberos Protokoll (u.a. Windows, Unix/Linux) Vertrauenswürdiger Server AS (Trusted Third Party (TTP)) Pre-Shared Secrets: jeder Client A hat geheimen Master-Key K A mit AS vereinbart Aufgabe des AS: Authentifikation und Schlüsselaustausch Vorlesung Kryptographie, SS09 7

8 Szenario: Alice möchte mit Bob kommunizieren: Notation: M K X : M wurde mit K X verschlüsselt: E(M, K X ) Protokollschritte des Needham-Schroeder Protokolls Von An Nachricht (1) Alice AS Alice, Bob, Nonce1 (2) AS Alice K AB, Bob, Nonce1, K AB, Alice K Bob K Alice (3) Alice Bob K AB, Alice K Bob (4) Bob Alice Nonce2 K AB (5) Alice Bob Nonce2-1 K AB Nonce: (number used once) idr eine Zufallszahl Sicherheitsanalyse: Protokoll enthält Schwachstelle, welche? Verbesserung? Vorlesung Kryptographie, SS09 8

9 12.3 Kommunikationssicherheit Anforderungen für offene Umgebungen (Intenret) Aufbau eines Sicheren Datenkanals : Vertraulicher, integerer, authentifizierter Datenaustausch Fragestellungen: u.a. Welcher Verfahren? Aushandeln? Fest? Welche Ziele, Stärke? Policy-Abgleich? Fest? Schlüsselmanagement? ad-hoc, pre-shared? Granularität? Erneuerung? Vorlesung Kryptographie, SS09 9

10 Beispiel: SSL/TLS Secure Socket Layer Sehr weit verbreitet, in allen Browsern integriert Authentifikation: wechselseitig, einseitig, anonym: Server bestimmt Mechanismen: X509-Zertifikate, MACs (MD5, SHA-1) Integrität von Nachrichten mit MAC-Verfahren: SHA-1, MD5 Vertrauliche Datenübertragung wählbare Cipher-Suite, im Browser vorkonfiguriert symmetrische Verfahren zur vertraulichen Datenübertragung Schlüsselaustausch: Hybrid-Verfahren Public-Key Verfahren: RSA, Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch Vorlesung Kryptographie, SS09 10

11 Beispiele für vorkonfigurierte Cipher-Suites Technische Universität München im Client-Browser auswählbare Cipher- Suites, beim SSL-Verbindungsaufbau wird die zu verwendete Suite zw. Client und Server im SSL-Handshake ausgehandelt Vorlesung Kryptographie, SS09 11

12 SSL/TLS Handshake Protokoll: Überblick Client Client Hello Hello R C C Server Server Hello Hello R S S Certificate* Client ClientKeyExchange CertificateVerify* ChangeCipherSpec Finished Application Data Data *optional *optional verschlüsselt Certificate* ServerKeyExchange* CertificateRequest* ServerHelloDone Server ChangeCipherSpec Finished Application Data Data Vorlesung Kryptographie, SS09 12

13 Verwendete Krypto-Bausteine Technische Universität München Nonces, um Replay zu verhindern C, Version c, suite c,n c Server public key im Zertifikat, signiert von CA Version s, suite s, N s sig ca (S,K s ), ServerHelloDone C {Version c,secret c } Ks S switch to negotiated cipher Hash of sequence of messages Hash of sequence of messages Gehashte Nachrichten, um konsistente Sichten zu bestätigen Vorlesung Kryptographie, SS09 13

14 SSL/TLS etwas detaillierter Technische Universität München ClientHello C S C, Ver C, Suite C, N C ServerHello S C Ver S, Suite S, N S, sign CA {S, K S } ClientVerify C S sign CA { C, V C } { Ver C, Secret C } sign C { Hash( Master(N C, N, Secret S C ) Pad 2 Hash(Msgs C Master(N C, N, Secret S C ) Pad 1 )) } Change to negotiated cipher ServerFinished S C { Hash( Master(N C, N, Secret S C ) Pad 2 Hash( Msgs S Master(N C, N, Secret S C ) Pad 1 )) } Master(N C, N S, Secret C ) ClientFinished C S { Hash( Master(N C, N, Secret S C ) Pad 2 Hash( Msgs C Master(N C, N, Secret S C ) Pad 1 )) } Master(N C, N S, Secret C ) K S Vorlesung Kryptographie, SS09 14

15 12.4 Anwendungssicherheit Ziel: Integration von kryptographischen Verfahren in die Anwendungen One-step Processing, d.h. Nachricht/Dokument enthält selber alle benötigten Informationen zur Absicherung individuelle Verschlüsselung pro Anwendungsobjekt: dedizierte Wahl der Verfahren, individuelle Schlüssel, Schlüssel müssen mit Obbjekt/Content übertragen werden Entkopplung des Empfangs von Nachricht/Content und der Überprüfung, Entschlüsselung etc. d.h. Schutz der Daten kann ggf. länger aufrechterhalten werden, z.b. verschlüsselte s archivieren Vorlesung Kryptographie, SS09 15

16 Beispiel: Sichere mit PGP (Pretty Good Privacy) Architektur: Mailsystem LAN MTA LAN MUA Sender Internet MUA Recipient MTA Vorlesung Kryptographie, SS09 16

17 (Sicherheits-)Dienste von PGP Verschlüsselung symmetrischer Schlüssel: RSA, oder ElGamal (Mail-)Verschlüsselung: symmetrische Blockchiffre : AES, 3DES, DES, CAST, Twofish Datenintegrität und Authentizität: Hashverfahren: SHA-1 und MD5, auch andere Signaturverfahren: RSA, DSA (je Bit) Weitere Dienste: Kompression (ZIP-Kompression) Radix-64 Konvertierung: Konvertierung von Binärstrings in ASCII Vorlesung Kryptographie, SS09 17

18 PGP-Nachrichtenformat PGP-Nachricht besteht aus maximal drei Teilen: Nachrichtenkomponente: zu übermittelnde/zu speichernde Daten Signaturkomponente: enthält Zeitstempel mit dem Zeitpunkt der Signaturerstellung, den signierten Hashwert und Schlüssel-ID des Signierers Verschlüsselungskomponente: verschlüsselter Verbindungsschlüssel (von Sender erzeugt) Schlüssel-ID de(s)r verwendeten Empfänger-Schlüssel(s) Vorlesung Kryptographie, SS09 18

19 PGP-Nachrichtenformat: Verschlüsselungskomponente Schlüssel ID des öffentlichen Schlüssel des Empfängers B Verbindungsschlüssel K AB K E B B E(K AB, K E ) Operationen Zeitstempel Signaturkomponente Schlüssel ID des öffentlichen Schlüssel des Senders A K A E Erste zwei Octets des Hashwerts Signierter Hashwert h ZIP Radix 64- Konvertierung Nachrichtenkomponente Dateiname Zeitstempel Daten E(M, K AB ) Vorlesung Kryptographie, SS09 19

20 Schutz des privaten Schlüssels eines asymmetrischen Paares: Benutzer-definierte Passphrase (erweitertes Passwort): Mantra 160-Bit SHA-1 Hashwert H des Mantras Hashwert liefert Schlüsselmaterial für symmetrisches Verschlüsselungsverfahren Zur Rekonstruktion des Private Key muss korrekte Passphrase eingegeben werden (Passwortbasierter Schutz!) private key passphrase hash hash enc enc encrypted private key Vorlesung Kryptographie, SS09 20

21 Public Key Ring öffentliche Schlüssel der Kommunikationspartner Informationen pro Eintrag: Zeitpunkt der Schlüsselaufnahme in die Datei Schlüssel-ID und zugehöriger öffentlicher Schlüssel ID des Schlüsselbesitzers Key Legimitation Field (KLF): Web of Trust Grad des Vertrauens, das der Benutzer in diesen öffentlichen Schlüssel eines anderen Benutzers besitzt. Symmetrische Verschlüsselungsschlüssel K AB : mit Pseudozufallszahlengenerator PRNG generiert, Vorlesung Kryptographie, SS09 21

22 Verschlüsseln u. Signieren einer Nachricht Passphrase Public-Key Ring ID A Private-Key Ring Verschl. A K D Hashen Entschlüsseln A K D ID B PRNG K AB Verschlüsseln mit K AB K AB Verschlüsseln von K AB B KE ID Nachricht M Hashen Signieren Signatur+ Nachricht Konkatenieren Konkatenieren Ausgabe Vorlesung Kryptographie, SS09 22

23 Entschlüsseln u. Verifikation einer Nachricht Technische Universität München Private-Key Ring Passphrase Public-Key Ring Hashen Auswahl B Verschl. K D Entschlüsseln Auswahl K D B A K E Schlüssel ID von K B D verschlüsselter K AB Entschlüsseln K AB Schlüssel ID von K A E signierter Hashwert Verifizieren vergleichen verschlüsselte + signierte Nachricht Entschlüsseln Nachricht Hashen Vorlesung Kryptographie, SS09 23

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