Vorlesung Sicherheit

Transkript

1 Vorlesung Sicherheit Dennis Hofheinz ITI, KIT / 26

2 Logistisches Überschneidungsfreiheit Vorlesung: nachfragen Übungsblatt nicht vergessen Frage: Wie viele würden korrigiertes Übungsblatt nutzen? Skript: Projekt Ü-Ei ( Florian.Boehl@kit.edu) Demnächst: Kummerkasten 2 / 26

3 Erinnerung Sicherheit durch sichere Bausteine Erstes Thema: (symmetrische) Verschlüsselung (Enc, Dec) Beispiele: Cäsar, Vigenère, One-Time-Pad OTP: C = M K (unhandlich, veränderbar) Stromchiffren: Simulation von OTP (veränderbar) 3 / 26

4 Überblick 1 Blockchiffren Grundsätzliches Betriebsmodi von Blockchiffren Beispiel: DES Varianten von DES Beispiel: AES 4 / 26

5 Überblick 1 Blockchiffren Grundsätzliches Betriebsmodi von Blockchiffren Beispiel: DES Varianten von DES Beispiel: AES 5 / 26

6 Struktur von Blockchiffren Zentraler Baustein: Funktion E : {0, 1} k {0, 1} l {0, 1} l E bildet Schlüssel und Klartextblock auf Chiffratblock ab Für Entschlüsselung D : {0, 1} k {0, 1} l {0, 1} l : K, M : D(K, E(K, M))! = M Verschiedene Wege, E zu benutzen (Betriebsmodi) 6 / 26

7 Überblick 1 Blockchiffren Grundsätzliches Betriebsmodi von Blockchiffren Beispiel: DES Varianten von DES Beispiel: AES 7 / 26

8 Electronic Codebook (ECB) Mode Erinnerung: E, D : {0, 1} k {0, 1} l {0, 1} l Einfachster Weg, zu verschlüsseln: Teile M in l-bit-blöcke M 1,... {0, 1} l auf Setze C := (C 1,... ) mit C i := E(K, M i ) {0, 1} l Entschlüsselung funktioniert genauso, nur mit D Frage: Vorteile/Nachteile? 8 / 26

9 Eigenschaften des ECB Erinnerung: C := (C 1,... ) mit C i := E(K, M i ) Vorteile: Einfach zu implementieren Kein Zustands-Update, keine Synchronisation nötig Nachteile: Gleiche Nachricht gleiches Chiffrat Einfügen/Umsortieren von Chiffratblöcken möglich Fun fact: Bundestrojaner nutzt AES (gängiges E) im ECB-Modus (mit hartkodiertem Schlüssel) 9 / 26

10 Eigenschaften des ECB (Beispiel) ECB-Verschlüsselung (links Nachricht, rechts Chiffrat) (Wikipedia) Frage: Wie können Nachteile behoben werden? 10 / 26

11 Cipher Block Chaining (CBC) Mode Erinnerung: E, D : {0, 1} k {0, 1} l {0, 1} l Problem des ECB: Chiffratblöcke unabhängig Idee des CBC: Chiffratblöcke verketten: Teile M in l-bit-blöcke M 1,... {0, 1} l auf Setze C 0 := IV (Initialisierungsvektor) Setze C i := E(K, M i C i 1 ) Entschlüsselung: M i := D(K, C i ) C i 1 IV muss mit übertragen werden (oder konstant sein) Frage: Vorteile/Nachteile? 11 / 26

12 Eigenschaften des CBC Erinnerung: C i := E(K, M i C i 1 ) CBC behebt Nachteile des ECB: Gleiche Nachricht unterschiedliche Chiffrate (bei unterschiedlichen vorherigen Chiffraten) Umsortierung von Chiffratblöcken führt zu fehlerhaften Blöcken Frage: Welche Blöcke werden genau zerstört? Vorteile erkauft mit neuen Nachteilen: Verschlüsselung nicht parallelisierbar (C i 1 muss bekannt sein) Aber: Entschlüsselung parallelisierbar, (fast) wahlfreier Zugriff (Frage: wie?) Chiffrate veränderbar (annähernd XOR-homomorph) 12 / 26

13 Einsatz des CBC Hauptproblem des CBC: annähernde XOR-Homomorphie Ändern von C i ändert entschlüsseltes M i+1 Kann gewisse Informationen über M i+1 liefern (etwa: M i+1 X noch gültig ) Beispiele für konkrete Probleme, die hierdurch entstehen: Angriffe auf TLS (wird noch besprochen) Angriffe auf Linux-Festplattenverschlüsselung practical-malleability-attack-against-cbc-encrypted-luks-partitions/ 13 / 26

14 Weitere Betriebsmodi Counter (CTR) Mode (ähnelt Stromchiffre) C i := E(K, IV + i) M i Ähnliche Eigenschaften wie CBC (aber besser parallelisierbar) Allerdings: wie CBC auch homomorph veränderbar Deshalb: Galois Counter Mode (GCM) Authentifizierter CTR Mode (mit Prüfsumme ) Schützt gegen Manipulation der Chiffrate 14 / 26

15 Zusammenfassung Betriebsmodi Blockchiffre benutzt blockweise Funktion E in Betriebsmodus ECB: rohe Funktion E, nicht benutzen! CBC,CTR: besser, schützt aber nur gegen Lauschangriffe GCM: Betriebsmodus der Wahl, noch nicht überall unterstützt Später: Formalisierung der Sicherheit von CBC/CTR Klärt auch die Wahl von IV Mehr in Vorlesung Symmetrische Verschlüsselungsverfahren 15 / 26

16 Überblick 1 Blockchiffren Grundsätzliches Betriebsmodi von Blockchiffren Beispiel: DES Varianten von DES Beispiel: AES 16 / 26

17 Data Encryption Standard (DES) Erinnerung: E : {0, 1} k {0, 1} l {0, 1} l zentral DES: Beispiel für E mit k = 56 und l = 64 Mittlerweile veraltet (zu kurzer Schlüssel) Aber: historisch und technisch interessant Verwendete Feistel-Netzwerke interessante Struktur Rundenfunktion F ohne Falltür Falltürfunktion E Strukturell ungebrochen 1 1 lineare Kryptoanalyse besser als vollständige Suche, aber nicht praktikabel 17 / 26

18 DES-Rundenfunktion F DES-Rundenfunktion F : {0, 1} 48 {0, 1} 32 {0, 1} 32 (Wikipedia) 18 / 26

19 DES-Feistelstruktur DES-Feistelstruktur (links Anfang, rechts Ende) (Wikipedia) 19 / 26

20 DES-Feistelstruktur Eingangs- und Ausgangspermutation historisch bedingt Entscheidend: Entschlüsselung muss F nicht invertieren! Entschlüsselung hat Feistel-Struktur wie Verschlüsselung (nur mit F-Teilschlüsseln in umgekehrter Reihenfolge) 20 / 26

21 Überblick 1 Blockchiffren Grundsätzliches Betriebsmodi von Blockchiffren Beispiel: DES Varianten von DES Beispiel: AES 21 / 26

22 2DES DES-Schlüssel zu kurz (56 Bits) Naive Verbesserung: 2DES K := (K 1, K 2 ) ({0, 1} 56 ) 2 E 2DES (K, M) := E DES (K 2, E DES (K 1, M)) Erst mit K 1, dann mit K 2 DES-verschlüsseln Problem: 2DES nicht wesentlich sicherer als DES 22 / 26

23 Meet-in-the-Middle-Angriff auf 2DES Erinnerung: E 2DES (K, M) := E DES (K 2, E DES (K 1, M)) Gegeben: M, C = E 2DES (K, M), gesucht: K = (K 1, K 2 ) 1 Berechne Liste aller C K 1 := E DES (K 1, M) (d.h. für alle K 1 ) 2 Sortiere Liste lexikographisch (damit binäre Suche möglich) 3 Berechne nacheinander C K 2 := D DES (K 2, C) 4 Wenn C K 2 = C K 1, gib (K 1, K 2 ) aus Bei mehreren Kandidaten (K 1, K 2 ) erneute Suche Zeitaufwand O( ), Platzbedarf ε Bits 23 / 26

24 3DES DES zu unsicher, 2DES nicht so sicher wie erhofft Triple-DES (3DES) K := (K 1, K 2, K 3 ) ({0, 1} 56 ) 3 E 3DES (K, M) := E DES (K 3, D DES (K 2, E DES (K 1, M))) Mit K 1 ver-, mit K 2 ent-, dann mit K 3 verschlüsseln Meet-in-the-Middle anwendbar, Aufwand O(2 112 ) Bessere (aber unpraktikable) Angriffe existieren Hauptgrund für Verwendung: benutzt DES als black box 24 / 26

25 Überblick 1 Blockchiffren Grundsätzliches Betriebsmodi von Blockchiffren Beispiel: DES Varianten von DES Beispiel: AES 25 / 26

26 Advanced Encryption Standard (AES) Erinnerung: E : {0, 1} k {0, 1} l {0, 1} l zentral AES: Beispiel für E mit k {128, 192, 256} und l = 128 Entwickelt von Daemen und Rijmen, standardisiert 2000 Keine Feistel-Struktur Nach heutigem Kenntnisstand sicher 2 2 Strukturelle, aber impraktikable Angriffe existieren 26 / 26