Sumário: Paradigmas de Segurança

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SEG

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Paradigmas da Computação e

Comunicação Segura

Sumário: Paradigmas de Segurança

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TCB

Trusted Computing Base

TCB - Trusted Computing Base

• Em português Base de Computação Segura

• Subconjunto do sistema que é

inerentemente

seguro

(imune a intrusões)

• Uma TCB geralmente é usada para executar

mecanismos críticos de segurança

– Ex. controlo de acesso

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TCB - Trusted Computing Base

Propriedades desejáveis para uma TCB:

• Interposição

: a TCB deve estar localizada de forma a

que não seja possível aceder aos recursos

protegidos sem passar por ela

Não se pode dar a volta à TCB

• Blindagem

: a TCB é construída de maneira a que

esteja protegida contra acessos não autorizados

Não se pode causar uma intrusão na TCB

• Validação

: a funcionalidade da TCB deve ser

verificável

A TCB deve ser simples e pequena

TCB

Exemplo de Uso da TCB: Monitor de Referência

• O Monitor de Referência

– Está entreposto entre os utilizadores e os recursos,

– Executa as rotinas críticas que garantem acesso aos recursos

apenas a utilizadores autorizados

• Obviamente, o Monitor de Referência precisa ser

imune a intrusões

– Caso contrário, os mecanismos de segurança vão falhar

Utilizador Monitor de Recurso

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Exemplo de Uso da TCB: Firewall

• A Firewall

– Localiza-se entre duas redes

– Intercepta os pacotes que vão de uma rede a outra e executa as rotinas

criticas que determinam quais pacotes passam (regras de filtragem)

• Obviamente, o firewall precisa ser a imune a intrusões

– Caso contrario, ele será o primeiro componente do sistema a ser

comprometido (death-of-sentry symptom)

Server External Network (e.g. Internet) De-militarized Zone (DMZ) Server Server Inner Firewall Proxies Internal Network Packet Filter System (PFS) Outer Firewall Router TCB TCB

Exemplo de Uso de TCB:

“Trusted Components” ou “Trusted Third Parties”

OS cm Host 2 Host 1 OS s1 OS Host n OS s2 sn OS c1 CLIENTS SERVERS TTCB Local TTCB Payload Network Local TTCB Local TTCB

• O Trusted Component ou Trusted Third Party

– Pode executar funções de modo confiável (trustworthy)

• Obviamente, o TC/TTP precisa ser a imune a intrusões

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Concretização de uma TCB

• Soluções usualmente consideradas:

– Núcleo Seguro:

construir o núcleo do sistema operativo de

raiz tendo como objectivo a segurança

– Adições de Segurança (Núcleo Securizado)

: partir de um

sistema operativo comum e em seguida adicionar segurança

através da reconstrução de alguns componentes, ou através

de uma reconfiguração do sistema

• Os aspectos mais importantes em que as

duas soluções diferem são:

– Cobertura: “A TCB é mesmo inviolável?”

– Preço: “O custo vale o benefício?”

Concretização de uma TCB

• Núcleo Seguro:

– Formalmente especificado e provado

– Conjunto de funções que concretizam política de controlo de acesso

bem definidas

• Núcleo Securizado:

– Definição de uma política de controlo de acesso – Definição de interfaces de acesso ao sistema

– Selecção de um subconjunto de funções de um núcleo existente – Nunca se consegue separar totalmente funções críticas das outras

• Núcleos securizados são muito mais susceptíveis a

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SEG

Introdução à Criptografia

Terminologia

• Cifração/Decifração

– Ea(M): cifrar M com a chave pública de a

– Da(M) : decifrar M com a chave privada de a

– Quando a cifra é simétrica, existe apenas uma chave secreta Ka

• Assinatura

– Sa(M) : assinar M com a chave privada de a

– Va(M) : verificar M com a chave pública de a

• Síntese (

digest)

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SEG

Técnicas de Criptografia

• Existem diversas técnicas de criptografia

• Convencional

:

– baseadas em operações no texto - funcionam por transposição e/ou

substituição de caracteres de acordo com alguma regra secreta

– FUNDAMENTO: complexidade intrínseca dos procedimentos

• Computacional

:

– baseadas em procedimentos computacionais parametrizados por

uma chave – os algoritmos computam funções não inversíveis sobre código binário, e os resultados dependem de uma chave secreta

– FUNDAMENTO: complexidade intrínseca da determinação da chave

e/ou do inverso das funções

Criptografia Convencional:

Transposição e Substituição

• Transposição simples

– transforma uma letra na que ocupa a posição correspondente numa

cifra de 26 letras produzida por permutações do alfabeto

» E: Mi→ Ki

– PROBLEMAS: é só pensar um bocado sobre o texto cifrado…

• Substituição ou Cifra de César

– Cifra de substituição que transforma uma letra na kª letra que a

segue no alfabeto, MOD 26

» Exemplo: k = 2

» Texto em claro: seguranca » Texto cifrado: ugixtcpec

• PROBLEMAS:

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SEG

Rotor Machines

• Máquinas usadas para cifrar e

decifrar mensagens

• Antes dos computadores

modernos, eram muito usados

– Na Segunda Guerra Mundial: » Enigma (Alemanha),

» Hagelin (Aliados), » Purple (Japão)

• Formas de concretização variam

(ex. uso de vários cilindros), mas

em geral baseavam-se no uso de

várias cifras de substituição

extremamente complexas

Criptografia Computacional

• MECANISMO:

– Dado um par de chaves de cifração/decifração K1/K2e funções de

cifrar (E) e de decifrar (D):

– Se E(K1,m)=c , então D(K2,c)=m e consequentemente D(K2,E(K1,m))=m

– Se K1e K2são diferentes, temos uma cifra assimétrica

– Se K1= K2= K temos uma cifra simétrica

• ATRIBUTOS:

1. dado E(K1,m), é inexequível recuperar m não sabendo K2; 2. dado E(K1,m), é inexequível recuperar K1;

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SEG

Princípios de Funcionamento

(Claude Shannon - 1949)

• Dois princípios relacionados com o factor de trabalho

necessário para cifração/decifração:

Confusão

– “O adversário não deve ser capaz de prever o que vai acontecer com

o texto cifrado se mudarmos um símbolo do texto em claro”

– Um algoritmo que aplica bem esta propriedade tem uma relação

complexa entre o texto em claro/chave e o texto cifrado

R: C,K -> E é uma relação complexa

Difusão

– “A informação do texto em claro deve estar espalhada em todo o

texto cifrado de tal forma que mudar um símbolo no texto em claro muda completamente o texto cifrado”

– Boa difusão faz com que um adversário precise aceder a mais texto

cifrado para perceber o algoritmo

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SEG

Criptografia Simétrica

• Também denominada de chave partilhada ou de chave secreta

– chave de cifrar e decifrar iguais – bastante rápida

• Propriedade fundamental:

D(K, E(K, m)) = m

• Exemplos:

Data Encryption Standard (DES) (1977); Triple-DES;

IDEA;

Advanced Encryption Standard (AES) (2000)

• Tipos:

– Cifra de bloco (block cipher) – Cifra de fita (stream cipher)

Cifra de Bloco – DES

(

Data Encryption Standard)

• Criado em 1977 pelo governo americano com o objectivo de ser

um algoritmo padrão para cifrar/decifrar dados sensíveis, mas

não classificados.

• Desde sua criação, ele sempre foi criticado…

– Chaves pequenas (56 bits)

– Alguns passos do algoritmo não se sabe o porquê de existirem – Muitos algoritmos para “quebrá-lo” já foram desenvolvidos

– Em 1998 foi apresentado um sistema que quebrava o DES em quatro dias – Ficou claro que ele já não era uma solução de segurança viável

• É um dos algoritmos de cifra mais importantes de sempre… do

seu estudo resultaram muitos avanços na área

• Variantes mais seguras (e menos eficientes):

Triple-DES

– O algoritmo é aplicado três vezes

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Cifra de Bloco – IDEA

• Proposto em 1991 por investigadores da ETH Zurich

• Bem mais robusto que o DES

• usa chaves de 128 bits:

– ataque força bruta requer 1038cifrações

– com chip de 109 cifr/seg, requer 1013anos

• Tão rápido quanto o DES:

– Concretização em software: 386@33MHz faz 880Kbps

– 1ª concretização em hardware (chip da ETH Zurich) fazia 177Mbps

@25MHz

– (agora escalem isso proporcionalmente aos processadores de hoje)

• usado no PGP (

Pretty Good Privacy)

Cifra de Bloco – AES

(Advanced Encryption Standard )

• Histórico:

– Novo padrão do NIST para substituir o DES

– Processo de selecção público (iniciado em 1997) onde se escolheu um algoritmo dentre vários candidatos

– O escolhido foi o Rijndael (Belga!)

• Princípios:

– Recebe como entrada blocos de 128 bits de texto em claro

– As chaves podem ter 128, 192, 256 bits (quanto maior, mais seguro) – Produz blocos de 128 bits de texto cifrado

– Funciona iterativamente

» Cada bloco é dividido em 4 grupos de 4 bytes

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SEG

Cifra de Bloco – AES

(Advanced Encryption Standard )

Estrutura de Feistel

Rede SP

Substituição

Permutação

Sub-chave

DES

AES

Cifra de Fita –

One Time Pads

Shared Secret Key KAB Mi ciphertext Keystream Generator cleartext cleartext A _B

+

Keystream Generator Keystream Keystream Mi Ki Ki • PRINCÍPIO:

– cifra de fita processa um bit/byte de cada vez

– sequência infinita de aleatórios combinada (XOR) com a fita de texto em claro

– a fita-chave ou sequência (keystream ou pad) é usada uma única vez e portanto, não há criptanálise possível

• CIFRAR:

– A fita-chave é “XOR’ado” ao correr da fita de texto em claro, bit a bit (ou byte a byte)

• DECIFRAR:

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O Poder do XOR (OU Exclusivo)

• XOR

– Operação binária com duas entradas onde a saída é 1 se e somente

se uma e apenas uma das entradas é igual a 1

• Inverso

– (B XOR A) XOR A) = B

• Se A é um bit da fita-chave (

“one time pad”), então

temos uma cifra muito eficiente e segura

Uso de Cifra de Fita

• Requisitos de robustez

:

– Secretismo, aleatoriedade e uso único da fita-chave

– A fita-chave precisa ser distribuída nas duas pontas do

canal

• Uso em sistemas reais

:

– Em comunicação, a

fita-chave é uma sequência

pseudo-aleatória produzida em tempo-real à velocidade da fita

de texto, por uma caixa-preta;

– A fita-chave é gerada nos dois extremos em simultâneo

(as duas caixas pretas são sincronizadas)

– A fita-chave é parametrizada por uma chave mestra

– É susceptível a erros de bits, que podem dessincronizar

a fita

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SEG

Estado Actual das Normas para

Criptografia Simétrica

• Em 1998 foi publicado o primeiro projecto de um sistema

computacional e do software associado capaz de quebrar

qualquer texto cifrado pelo DES em poucos dias

• Muitos desafios foram lançados para quebrar mensagens

específicas cifradas com o DES

– A maioria foi resolvida rapidamente usando computadores paralelos distribuídos (que são muito caros!)

• Por outro lado, o IDEA tem resistido a passagem do tempo…

• O NIST seleccionou o algoritmo Rijndael como seu

Advanced

Encryption Standard (AES

),

o sucessor do DES

– Projectado para resistir a ataques bem sucedidos ao DES

Problemas Gerais da Criptografia Simétrica

• A chave é partilhada e secreta, se perdida ou revelada em

qualquer ponta, o canal é comprometido

• A distribuição de chaves é um ponto crítico

– O problema do ovo e da galinha: “como distribuir a chave para ter canais seguros sem ter canais seguros?”