Resumo Segurança em Redes de Computadores

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Segurança em Redes de

Computadores

Capítulo 2

Criptografia Simétrica e

Confidencialidade de Mensagem

Slides por H. Johnson & S. Malladi; Modificados por S. J. Fritz, 2006; Modificados e traduzidos por P.S. Nicolletti, 2007

Modificados / Revisados, 2015

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Resumo

• Criptografia simétrica - princípios

• Criptografia simétrica – algoritmos

• Cifragem em ‘stream’ e RC4

• Modos de operação de cifragem em blocos

• Localização de dispositivos de criptografia

• Distribuição de chaves

Criptografia simétrica – princípios

• Um esquema de criptografia envolve 5 elementos

– Texto original (Plain text - P)

– Algoritmo de criptografia (Encryption - E)

– Chave secreta (Key - K)

– Texto criptografado (Cipher text - C)

– Algoritmo de decriptografia (Decryption - D)

• Requisitos

– Algoritmos tem de ser robustos - um oponente não deve conseguir decriptografar a informação criptografada nem descobrir a chave secreta mesmo tendo acesso ao algoritmo, à informação original e à informação criptografada

– O remetente e o destinatário devem obter cópias da chave secreta de modo seguro e mantê-las em segurança; se o oponente conseguir obter a chave secreta, toda a comunicação baseada nela fica comprometida

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Criptografia

• Classificada de acordo com 3 dimensões diferentes:

– O tipo de operação usada para transformar texto original em texto criptografado

• Transformação – altera o valor da informação original (E.g. troca todo ‘a’ por ‘e’, todo ‘e’ por ‘i’, etc.)

• Transposição – altera a posição da informação original (E.g. altera toda sequência original ‘12345678’ de 8 bytes por ‘21436587’)

• Misto – combinação das duas anteriores

– O número de chaves usadas

• 1 chave (chave única, chave secreta, chave privada) – criptografia simétrica

• 2 chaves (chave dupla, chave pública-privada) – criptografia assimétrica

– A forma como o texto original é processado

• Stream – processado em sequência direta, byte a byte (ou bit a bit) • Block – processado em blocos de N bytes (ou bits)

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Cripto-análise

• Processo para tentar descobrir o texto original ou a chave

• Um esquema de criptografia é computacionalmente seguro se o texto criptografado atende a pelo menos um dos critérios:

– O custo de decifrar o texto criptografado excede o valor da informação a ser obtida

– O tempo necessário para decifrar o texto criptografado excede o tempo de vida útil da informação a ser obtida

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Tempo médio necessário para tentar

descobrir chave com busca exaustiva

2.15 milisegundos

2

_{= 4.3 x 10}

32

5.9 x 10

_anos

2

_{= 3.7 x 10}

168

5.4 x 10

_anos

2

_{= 3.4 x 10}

128

10 horas

2

_{= 7.2 x 10}

56

Tempo necessário a 10

tentativas

/µs

Nro. de chaves

possíveis

Tam. chave

(bits)

Estrutura de Cifragem de Feistel

• Virtualmente todos os algoritmos de criptografia simétrica por blocos, incluindo o Data Encription Standard (DES), tem uma estrutura que foi primeiramente descrita por Horst Feistel da IBM em 1973 – Rede Feistel

• A implementação de uma boa Rede Feistel depende da escolha dos seguintes elementos:

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Estrutura de Cifragem de Feistel

• Tam. do bloco: blocos maiores implicam em maior segurança

• Tam. da chave: chaves maiores implicam em maior segurança

• Nro. de iterações: quanto mais iteração, maior a segurança (mas mais lento é o processo)

• Algoritmo de geração de subchave: maior complexidade implica em maior dificuldade para cripto-análise

• Função de iteração: maior complexidade, implica maior segurança

• Velocidade de criptografia/decriptografia: quanto maior a segurança definida pelos elementos acima, mais lento o processo – tem de haver análise de custo/ benefício – e pode ser necessária implementação em hardware

• Facilidade de análise do algoritmo: embora deva ser difícil fazer cripto-análise do algoritmo, o mesmo deve ser de fácil compreenção para que seja fácil verificar suas vulnerabilidades à cripto-análise

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Criptografia simétrica - Algoritmos

• Data Encryption Standard (DES)

– Adotado pelo National Institute of Standards and Technology (NIST) em 1977 como Federal Information Processing Standards 46 (FIPS PUB 46) para uso pelo governo (EUA)

– O esquema mais popularmente usado durante muitos anos

– O algoritmo original é chamado Data Encryption Algorithm (DEA)

– O DES é um cifrador de blocos

– O texto original é processado em blocos de 64 bits (8 bytes)

– A chave tem 56 bits

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Criptografia simétrica - Algoritmos

• O processamento em cada iteração:

– Li = Ri-1

– Ri = Li-1 xor F(Ri-1, Ki)

• Preocupações:

– O algoritmo e o tamanho da chave (56 bits)

– Foi quebrado em julho/1998 pela Eletronic Frontier Foundation (EFF) em menos de 3 dias de processamento

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Tempo para decifrar

(10

6

_{tentativas/µs)}

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Triplo DES

• Triple Data Encryption Standard (3DES), ANSI X.9.17, 1985

• Usa 3 chaves e 3 execuções do DES (criptografa-decriptografa-criptografa) C = E(K, P) = E(K3, D(K2, E(K1, P)))

P = D(K, C) = D(K1, E(K2, D(K3, C))) • P = texto original (plaintext) • C = texto cifrado (ciphertext)

• E(K, X) = criptografia de X usando a chave K • D(K, Y) = decriptografia de Y usando a chave K

• Tamanho efetivo da chave K: 168 bits (K1, K2 e K3, derivadas de K têm 56 bits cada)

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Triplo DES

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Triplo DES

• 3DES é FIPS 46-3

– DES só deveria ser usado em sistemas legados (antigos) por pouco tempo

– Orgãos do governo (EUA) que usavam DES deveriam mudar o mais rapidamente possível para 3DES

– 3DES e AES (Advanced Encryption Standard) são FIPS aprovados para conduzir uma migração gradual de DES para [somente] AES

Advanced Encryption Standard (AES)

• 3DES, embora robusto e fácil de entender

– tem concepção originária da década de 1970 sendo lento para processamento em software

– Usa bloco de 64 bits - para aumentar segurança e eficiência blocos maiores são desejáveis

• AES aparece como FIPS PUB 197 em novembro de 2001, como algoritmo de Rijndael, proposto por Joan Daemen e Vincent Rijmen (pesquisadores belgas)

– Bloco de 128 bits

– Chave de 128, 192 ou 256 bits

– Usa transformação e permutação

– Muito robusto: se um máquina conseguisse quebrar o DES em 1 segundo (256tentativas em 1 segundo), levaria aprox. 149 trilhões de anos para quebrar o AES com chave de 128 bits

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Outros Cifradores de Bloco

• International Data Encryption Algorithm (IDEA)

– Xuejia Lai e James Massey, Swiss Federal Institute, 1991

– Chave de 128 bit, bloco de 64 bits, 16 rounds

– Usado no Pretty Good Privacy (PGP) – muito usado em E-mail

• Blowfish

– Bruce Schneir, 1993

– Chave de 32 a 448 bits (padrão 128 bits), bloco de 64 bits, 8 rounds

– Fácil de implementar

– Grande velocidade de execução

– Pouca ocupação de memória (menos de 5KB)

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Cifradores STREAM e RC4

• Um cifrador STREAM

– processa sua entrada continuamente, elemento por elemento (byte, bit)

– tem implementação fácil que ocupa pouca memória

– tem execução muito rápida

– é bastante apropriado para aplicações que requeiram criptografia / decriptografia rápida de stream de dados, tais como aplicações Web

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Cifradores STREAM e RC4

• Cifrador stream RC4

– Desenvolvido por Ron Rivest para a RSA Security em 1987

– Usa chave de tamanho variável

– Orientado a byte

– Usa permutação randômica

– Estudos mostram que o período de repetição de cifragem é superior a 10100 – Usa de 8 a 16 instruções de máquina por byte cifrado (muito eficiente)

– É usado em SSL/TLS (Secure Socket Layer / Transport Layer Security), WEP (Wired Equivalent Privacy), WPA (WiFi Protected Access)

– Foi mantido secreto pela RSA até 1994, quando foi divulgado anonimamente na Internet na lista pública CypherPunks

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Cifradores STREAM e RC4

• Algoritmo RC4

– K – chave de 1 a 256 bytes (8 a 2048 bits)

– S - vetor de estado de 256 bytes - a cada iteração S é permutado com base em T

– T – vetor temporário, gerado a partir de K

– Para criptografar/decritografar, um byte k é gerado a partir de S e se processa:

• byteCifrado = byteOrigem XOR k ou • byteOrigem = byteCifrado XOR k

Cifradores STREAM e RC4

•

Performance do RC4

Cifrador

Tam. da Chave

(bits)

Velocidade

(Mbps)

DES

56

9

3DES

168

3

RC4

8 a 2048

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Outros Cifradores de Stream

• RC5 (sucessor do RC4)

– Ron Rivest, 1994 (RFC 2040)

– Implementável em hardware ou software

– Rápido e simples

– Adaptável a processadores de diferentes tamanho de palavra

– Número varíavel de iterações

– Chave de tamanho variável

– Executa em pouca memória

– Alta segurança

– Rotação (transposição) dependente dos dados (torna o texto criptografado mais difícel de sofrer cripto-análise)

• Cast-128

– Carlisle Adams e Sttaford Tavares, Entrust Technologies, 1997

– Chave entre 40 e 128 bits

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Resumo de Cifradores

Algoritmo Tam. Chave Nro de Iterações

Operações Aplicações DES 56 16 Xor, shift fixo SET, Kerberos 3DES 112 ou 168 48 Xor, shift fixo Aplic.

comercial, PGP, S/MIME IDEA 128 8 Xor, (+), (*) PGP BlowFish Até 448 16 Xor, shift variável, (+) Aplic.

comercial RC5 Até 2048 Até 255 Xor, (+), (-), rotação Aplic.

comercial CAST-128 40 a 128 16 Xor, (+), (-), shift fixo,

rotação

PGP

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Modos de operação na cifragem de bloco

• Um cifrador simétrico de bloco processa um bloco de dados por vez - Pi

• Para cada bloco de dados tem de haver um bloco de cifragem Ki, derivado da chave K

• Sendo o bloco de cifragem constante (a chave não muda), para grandes quantidades de dados de entrada, aumenta a probabilidade de ocorrer dois blocos cifrados iguais a partir de dois blocos de dados iguais

– Ci = E( K, Pi) == Cj = E(K, Pj), se Pi == Pj

• Esse modo de operação é chamado de Eletronic Codebook - ECB

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Modos de operação na cifragem de bloco

• Uma alternativa usada é minimizar a probabilidade de ocorrência de dois blocos de dados iguais sendo fornecidos para a cifragem (embora eles possam ocorrer livremente nos dados de entrada)

– A entrada para o algoritmo de criptografia é o XOR do bloco atual de dados com o bloco anterior de texto cifrado

• Ci= E(K, Pixor Ci-1]

– Assim, blocos idênticos de texto original não se repetem como texto criptografado

• Esse modo de operação é chamado de Cipher Block Chaining Mode (CBC)

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Modos de operação na cifragem de bloco

• É possível converter qualquer cifrador de blocos em um cifrador stream (tipicamente com unidade de 8 bits)

– Não precisa ajustar a entrada para tamanho múltiplo de bloco

– Saída cifrada tem o mesmo tamanho da entrada

– Apropriado para processamento em tempo real (navegação WEB protegida)

• Esse modo de operação é chamado Cipher Feedback Mode (CFB)

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Modos de operação na cifragem de bloco

Localização de Dispositivos de Criptografia

• Criptografia de enlace

– Muitos dispositivos de criptografia

– Alto nível de segurança

– Decriptografia de cada pacote a cada nó da rede

• Criptografia fim-a-fim

– A origem criptografa e o destino decriptografa

– A carga útil é criptografada

– O cabeçalho não é criptografado

• Alta segurança: Ambos os esquemas devem ser usados

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Distribuição de Chaves

• Para criptografia simétrica funcionar, as duas entidades que desejam trocar dados confidencialmente precisam compartilhar a mesma chave (que deve ser protegida também)

– A mudança frequente da chave é desejável para limitar a quantidade de dados violados quando a chave é descoberta

– A robustez de um sistema de criptografia repousa, em grande parte, na técnica de distribuição de chaves usada (como compartilhar a chave com quem de direito de modo seguro)

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Distribuição de Chaves

• A distribução de chaves pode ocorrer de várias formas. Para duas entidades A e B, poderíamos ter:

– 1) Uma chave poderia ser selecionada por A e entregue diretamente (fisicamente) para B

– 2) Um terceiro poderia selecionar a chave e fisicamente entregar para A e B

• Opções 1) e 2) são tipicamente manuais, sendo aceitáveis para enlace ponto-a-ponto; para fim-a-fim são inaceitáveis

– 3) Se A e B usaram previamente uma chave, um poderia definir e transmitir para o outro uma nova chave, criptografada com a chave corrente

• Mas se uma chave for comprometida, todas as outras o estarão – 4) Se A e B têm uma conexão criptografada com um terceiro (C), C poderia

entregar uma chave pelos enlaces criptografados para A e B • É a opção preferível para fim-a-fim

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Distribuição de Chaves

• Em um bom modelo de distribuição de chave fim-a-fim, temos:

– Chave de sessão

• Usada para a criptografia de dados durante uma sessão de troca de dados entre duas entidades; ao fim da sessão a chave é destruída

– Chave permanente

• Usada entre as entidades na distribuição de chaves de sessão

– Centro de Distribuição de de chaves

• Define que entidades podem se comunicar entre si e fornece chave de sessão para elas

– Módulo de segurança de serviço

• Esse módulo (que pode ser funcionalidade em camada de protocolo), faz criptografia fim-a-fim e obtém chave de sessão automaticamente

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Leituras

• Obrigatória

– Stallings, W., Network Security Essentials, 3rd Ed., Cap. 2

• Recomendada

– Stallings, W., Cryptography and Network Security: Principles and Practice

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Questões de Revisão

• Quais são as duas funções básicas usadas em algoritmos de criptografia?

• Quantas chaves são necessárias para duas pessoas se comunicarem via um cifrador simétrico?

• Qual a diferença entre um cifrador de bloco e um cifrador ”stream”?

• Quais são os dois enfoques gerais para atacar um cifrador?

• Por que alguns modos de operação de alguns cifradores de blocos usam somente criptografia enquanto de outros usam criptografia e decriptografia?

• O que é criptografia tripla?

• Porque a porção do meio do 3DES é decriptografia ao invés de criptografia?

• Qual é a diferença entre criptografia de enlace e fim-a-fim?

• Liste formas como uma chave secreta pode ser distribuída para duas entidades se comunicando

• Qual é a diferença entre uma chave de sessão e uma chave mestra?