Salaustekniikat. Tuomas Aura T Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2013

Transkriptio

1 Salaustekniikat Tuomas Aura T Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2013

2 Luennon sisältö 1. Tietoturvan tavoitteet lyhyesti 2. Kryptografia: salaus ja todennus 3. Salattu web-yhteys 2

3 Tietoturvan tavoitteet Tietoturvatavoitteita: Tiedon luottamuksellisuus Tiedon aitous ja eheys Tiedon ja palvelujen saatavuus (CIA = Confidentiality, Integrity, Availability) Uhkia ja hyökkäyksiä: Tietomurrot ja -vuodot, salakuuntelu Väärentäminen, tiedon luvaton muokkaus Palvelunesto: palvelun kaataminen, ylikuormitus Tavoitteita ja uhkia on muitakin Kryptografia suojaa luottamuksellisuutta ja eheyttä tiedonsiirron aikana 3

4 KRYPTOGRAFIA: SALAUS JA TODENNUS 4

5 Symmetrinen salakirjoitus Selväkielinen sanoma M Avain K Salaus E Salakielinen sanoma E K (M) Avain K Avaus D Selväkielinen sanoma M Lähettäjä Tietoverkko Vastaanottaja Salauksen ja avaukseen tarvitaan avainta Lähettäjällä ja vastaanottajalla jaettu avain, tyypillisesti. 128-bittinen satunnaisluku, esim a744a5f6d2a hex Salaus ja purku on nopeaa nykyaikaisilla prosessoreilla Esim. AES, 3DES, IDEA 5

6 Salauksesta Salaus suojaa sanoman luottamuksellisuutta, ei eheyttä Avain salainen, algoritmi julkinen (Kerckhoffin periaate) Salattu data näyttää täysin satunnaiselta, jollei avain tiedossa (Viestin pituus kuitenkin paljastuu!) Lohkosalauksissa data jaetaan 64- tai 128-bittisiin lohkoihin ja salataan lohko kerrallaan Toteutus perustuu tehokkaisiin bittioperaatioihin 128-bittinen tai pitempi avain mahdoton arvata tai löytää kokeilemalla Nykyaikainen vahva salakirjoitus (AES, 3DES) on käytännössä murtamaton Ei ole mitään syytä käyttää heikkoja algoritmeja (esim. vanha DES tai itse keksitty epästandardi algoritmi) 6

7 Salaus Purku Esimerkki Yksi IDEA:n kierros IDEA-lohkosalaus 64-bittiset datalohkot Perustuu 16-bittisten lukujen xor-operaatioon, yhteenlaskuun modulo 2 16 ja kertolaskuun modulo kierrosta (ks. oikealla), jotka vähitellen sotkevat selväkielen ja avaimen osia toisiinsa Pitemmät sanomat salataan esim CBCmoodissa lohkoja ketjuttamalla Julkaistu 1991, hitaampi kuin AES ja muut uudemmat algoritmit 64 bitin datalohko 64 bitin datalohko Avaimen bittejä 7

8 Epäsymmetrinen salaus Bobin julkinen avain PK Bobin yksityinen avain PK -1 Sanoma M Salaus (asymm.) E B (M) Avaus (asymm.) Sanoma M Lähettäjä Alice Tietoverkko Vastaanottaja Bob Avainpari: Salaus julkisella avaimella, avaus yksityisellä avaimella Julkisen avaimen voi kertoa kaikille, yksityinen avain pidettävä salassa (ei kerrota kenellekään) Avaimet pitkiä, salaus ja avaus melko hidasta Perustuu suurten kokonaislukujen (esim bittiä) aritmetiikkaan Esim. RSA, ElGamal 8

9 Esimerkki RSA-salaus, julkaistu 1978 Perustuu lukuteoriaan ja Eulerin teoreemaan m ϕ(n) mod n = 1, missä ϕ on Eulerin totienttifunktio Avaimen generointi: Generoidaan suuret salaiset alkuluvut p,q ( bittiä) Julkinen moduuli n = pq ϕ(n) = (p-1)(q-1) Valitaan julkinen eksponentti e, tyypillisesti 17 tai Ratkaistaan salainen eksponentti d kongruenssiyhtälöstä de 1 (mod ϕ(n)) Julkinen avain on (e,n), yksityinen avain (d,n) Viestin M salaus: C = M e mod n Salakielen C avaus: M = C d mod n Turvalliseen toteutukseen vaaditaan muita yksityiskohtia; katso esim. PKCS#1-standardi 9

10 Example: RSA public key 2048-bittinen moduuli a c7 3a f3 2e a c 6b a e7 e0 ab 47 2e 9f 38 a dc cf 62 bc de 47 a a6 47 9e d d 9f 72 aa c4 4a b7 88 cc 7b c5 a6 18 4f d5 86 a4 9e fb 42 5f e0 ff 10 2e cd ed 4a 4c a8 45 d cd 2f 5f 7d b6 9b f f7 a9 9b 7a 95 d4 a e 3f 0b ff 83 d5 a9 3b d7 8c aa be d0 9d 5d 96 4f fb e7 59 ca ca a bd b1 7c b a 5e e3 29 1a d 5a 47 d4 05 b3 22 3f fd ad 1c 9e 4e ad 39 f4 d1 ae 90 7d f9 e d2 b7 ba cd 68 2e 62 b3 d7 ad 00 4c c 6e bd 9d 3d 1d 4c 4c cc b0 b c c5 7c 1e 2e f6 e3 f d9 fb 23 9d e7 c7 d5 ce d ef ef df 7b 7b 79 2e f a c1 ef a5 c1 2a 01 e a 98 bb d hex Julkinen eksponentti (avain on ASN.1-koodattu) ( ) 10

11 Hybridisalaus Uusi satunnainen symmetrinen istuntoavain SK Bobin julkinen avain PK Salaus (asymm.) Bobin yksityinen avain PK -1 Avaus (asymm.) E B (SK) E B (SK) SK Sanoma M Salaus (symm.) E SK (M), E B (SK) split Avaus (symm.) Sanoma M Lähettäjä Alice Tietoverkko Vastaanottaja Bob Julkisen avaimen salausta käytetään yleensä vain lyhyen satunnaisen symmetrisen avaimen siirtoon salatun sanoman tai yhteyden alussa 11

12 Allekirjoitus Alicen yksityinen avain PK -1 Alicen julkinen avain PK Allekirjoitus h(m) S A (M) S A (M) Tarkistus h(m) Ok? Sormenjälki Sormenjälki Sanoma M M, S A (M) jako M Sanoma M Lähettä Alice Tietoverkko Vastaanottaja Bob Allekirjoitus yksityisellä avaimella, allekirjoituksen tarkistus julkisella avaimella Allekirjoitus suojaa viestin eheyttä, ei luottamuksellisuutta Viestistä lasketaan lyhyt sormenjälki (hash) tiivistefunktiolla ja allekirjoitetaan vain sormenjälki Esim. RSA, DSA 12

13 Todennuskoodi Avain K Avain K Sanoma M MAC MAC MAC K (M) M M, MAC K (M) jako M MAC K (M) Vertaa Ok? Sanoma M Lähettäjä Tietoverkko Vastaanottaja Symmetrinen allekirjoitus, message authentication code MAC Lähettäjällä ja vastaanottajalla jaettu salainen avain, esim. 128-bittinen satunnaisluku Toteutus perustuu tiivistefunktioon tai symmetriseen salausalgoritmiin Nopea laskea suurelle määrälle dataa Esim. HMAC-SHA1, CBC-MAC-AES 13

14 Julkisen avaimen algoritmeista Julkisia avaimia on yksi per osapuoli O(N), symmetrisiä (eli jaettuja) avaimia tarvitaan yksi per yhteys O(N 2 ) Julkisen avaimen voi kertoa kaikille, symmetrinen täytyy pitää salassa Julkisen avaimen algoritmit ovat satoja kertoja hitaampia kuin symmetriset Yleensä epäsymmetrisiä algoritmeja käytetään yhteyden alussa symmetrisen avaimen luomiseen Julkisten avainten käyttö helpottaa avaintenjakelua, mutta silti pitää tietää, mikä julkinen avain kuuluu kenellekin! 14

15 Varmenne Varmenne eli sertifikaatti Varmentajan eli sertifiointiauktoriteetin (CA) allekirjoittama viesti, joka sitoo julkisen avaimen käyttäjän tai koneen nimeen Voi kertoa muutakin tietoa avaimen omistajasta Palvelimen julkinen avain Palvelimen nimi Voimassaoloaika CA:n allekirjoitus Yleensä X.509-varmennestandardin mukainen Varmenteita käytetään esim. web-palvelimissa, langattomissa lähiverkoissa, luottokorteissa ja sähköisessä henkilökortissa Kaupallisia varmentajia esim. Verisign ja TeliaSonera Varmentajat voivat muodostaa hierarkian, jossa ylempi varmentaja valtuuttaa alemman Varmentajia ja varmenteita kutsutaan julkisen avaimen infrastruktuuriksi (PKI) 15

16 SALATTU WEB-YHTEYS 16

17 Turvallinen web-sivu (https) HTTPS-yhteys on salattu, joten siirrettävää tietoa ei voi salakuunnella verkosta. 17

18 SSL-kerros SSL toteuttaa salauksen ja todennuksen TCPyhteyksille SSL tarjoaa sovelluksille socket-rajapinnan tapaisen palvelun suojattuun tavuvirran siirtoon SSL käyttää TCP:tä suojatun datan siirtoon TLS on SSL:n uudempi, standardoitu versio Sovelluskerros:HTTP SSL API Socket API Kuljetuskerros: TCP Verkkokerros: IP Linkkikerros 18

19 SSL-protokolla!!! Kaksi osaa: Kättely eli todennettu avaintenvaihto luo selaimelle ja palvelimelle symmetrisen salaisen istuntoavaimen Istuntoprotokolla suojaa istunnon käyttäen symmetristä salausta, todennuskoodeja (MAC) ja kättelyssä luotua istuntoavainta Kättely perustuu varmenteeseen ja asymmetriseen salaukseen 1. Palvelin lähettää selaimelle varmenteen, josta selviää palvelimen nimi ja julkinen RSA avain 2. Selain generoi satunnaisen istuntoavaimen ja lähettää sen palvelimelle salattuna palvelimen julkisella avaimella 19

20 Luottamusketju!!! 1. Selaimessa on lista luotettujen varmentajien (CA) julkisista avaimista (juurivarmenteet) 2. Selain vastaanottaa kättelyssä palvelimen varmenteen, jonka pitää olla jonkun luotetun varmentajan allekirjoittama 3. Palvelimen varmenne sitoo palvelimen DNS-nimen ja julkisen avaimen toisiinsa 4. Selain tarkistaa, että palvelimen osoitepalkissa näkyvä DNSnimi on sama kuin nimi varmenteessa 5. Palvelimen julkista avainta käytetään palvelimen todentamiseen avaintenvaihdossa (selain lähettää istuntoavaimen palvelimelle salattuna varmenteesta otetulla julkisella avaimella) 6. Avaintenvaihdossa luotua symmetristä istuntoavainta käytetään HTTP-pyyntöjen ja vastausten salaamiseen ja todentamiseen Myös asiakkaalla voi olla varmenne; yleensä ei ole ja käyttäjä todennetaan tarvittaessa salasanalla 20

21 Varmentaja on Sonera Class2 CA Luottamusketjun ansiosta selain voi tarkistaa, että tämä palvelin todella on webmail3.tkk.fi Palvelimen webmail3.tkk.fi varmenne Tyypillinen ongelma: mistä käyttäjä tietää, että webmailpalvelimen nimi on webmail3.tkk.fi? 21

22 Varmenneketju Tarkkaan ottaen web-palvelimella on yleensä varmenneketju Juurivarmenne sisältää ylimmän CA:n julkisen avaimen Ylempi CA varmentaa hierarkiassa alemman Alin CA varmentaa palvelimen 22

23 Varmenneketju luottamusketjun osana Selain saa kättelyssä palvelimelta varmenneketjun Selain tarkistaa, että ketju alkaa juurivarmenteella, jonka kopio on ennestään selaimen luotetussa CA-listassa Selain käy varmenneketjun läpi: Tarkistaa kunkin varmenteen allekirjoituksen edellisestä varmenteesta saadulla julkisella avaimella Tarkistaa, että alivarmentajat saavat ylemmältä CA:lta oikeuden toimia CA:na Tarkistaa, että kaikkien varmenteiden voimassaoloajan ja joitain muita yksityiskohtia Jos ketjun tarkistus onnistuu, alin varmenne sitoo palvelimen DNS-nimen ja julkisen avaimen toisiinsa luotettavalla tavalla 23

24 Muut tietoturvaprotokollat Sovelluskerros Middleware: HTTP, SSL, XML... SSH DNSsec SSL/TLS Siirtokerros: TCP, UDP,... HIP IPsec Verkkokerros: IPv4, VPN IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPSL, AKA Shibboleth Kerberos WPA WLAN, GPRS... PGP Palomuuri Sovellusten turvallisuus, esim. sisäverkon palvelut ja Internet-kaupankäynti Tiedonsiirron luottamuksellisuus ja eheys Verkkoinfrastrustuurin luotettavuus 24

25 Lisää tietoturvasta Suositellut: T Information Security Technology (syksy, periodi I) (uuden kandiohjelman Information security alkaa syksyllä 2014) T Cryptosystems tai T Cryptography and Data Security (syksy) Niiden jälkeen: T Network Security (syksy, periodi II) T Special Course in Information Security: malware analysis (kevät) T Laboratory Works in Networking and Security (syksy) T Special Assignment in Networking and Security T Seminar on Network Security T Cryptology 25

26 Kurssin luennot 1. Aloitus: Miten Internet toimii, Tuomas Aura 2. Web 2.0 ja uudet sovellustekniikat, Otto Seppälä 3. Sovelluskerros: WWW, , socket API, Miika Komu 4. Salaustekniikat, SSL, Tuomas Aura 5. Kuljetuskerros, TCP, Matti Siekkinen 6. Verkkokerros, IP, Matti Siekkinen 7. Linkkikerros: Ethernet ja WLAN, Matti Siekkinen 8. Tietoverkkojen turvallisuus, Tuomas Aura 9. Tiedonsiirron perusteet ja optiset verkot, Jouko Kurki 10. Matkapuhelinverkot, Jukka K. Nurminen 11. Tiedonsiirto matkapuhelinverkoissa, Jukka K. Nurminen 12. Tele- ja tietoverkon laskutus, Sakari Luukkainen 13. Liiketoiminta verkkoympäristössä, Sakari Luukkainen 14. TBA 15. Kertaus, Tuomas Aura 26