Salaustekniikat Tuomas Aura T-110.2100 Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2013
Luennon sisältö 1. Tietoturvan tavoitteet lyhyesti 2. Kryptografia: salaus ja todennus 3. Salattu web-yhteys 2
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
KRYPTOGRAFIA: SALAUS JA TODENNUS 4
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. 3149574a744a5f6d2a40584732 hex Salaus ja purku on nopeaa nykyaikaisilla prosessoreilla Esim. AES, 3DES, IDEA 5
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
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 2 16 +1 8 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
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. 1024 bittiä) aritmetiikkaan Esim. RSA, ElGamal 8
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 (512 1024 bittiä) Julkinen moduuli n = pq ϕ(n) = (p-1)(q-1) Valitaan julkinen eksponentti e, tyypillisesti 17 tai 2 16 +1 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
Example: RSA public key 2048-bittinen moduuli 30 82 01 0a 02 82 01 01 00 c7 3a 73 01 f3 2e a8 72 25 3c 6b a4 14 54 24 e7 e0 ab 47 2e 9f 38 a7 12 77 dc cf 62 bc de 47 a2 55 34 a6 47 9e d6 13 90 3d 9f 72 aa 42 32 45 c4 4a b7 88 cc 7b c5 a6 18 4f d5 86 a4 9e fb 42 5f 37 47 53 e0 ff 10 2e cd ed 4a 4c a8 45 d9 88 09 cd 2f 5f 7d b6 9b 40 41 4f f7 a9 9b 7a 95 d4 a4 03 60 3e 3f 0b ff 83 d5 a9 3b 67 11 59 d7 8c aa be 61 91 d0 9d 5d 96 4f 75 39 fb e7 59 ca ca a0 63 47 bd b1 7c 32 27 1b 04 35 5a 5e e3 29 1a 06 98 2d 5a 47 d4 05 b3 22 3f fd 43 38 51 20 01 ad 1c 9e 4e ad 39 f4 d1 ae 90 7d f9 e0 81 89 d2 b7 ba cd 68 2e 62 b3 d7 ad 00 4c 52 24 29 97 37 8c 6e 36 31 bd 9d 3d 1d 4c 4c cc b0 b0 94 86 06 9c 13 02 27 c5 7c 1e 2e f6 e3 f6 13 37 d9 fb 23 9d e7 c7 d5 ce 94 54 7d ef ef df 7b 7b 79 2e f9 75 37 8a c1 ef a5 c1 2a 01 e0 05 36 26 6a 98 bb d3 02 03 01 00 01 hex Julkinen eksponentti (avain on ASN.1-koodattu) (2 16 +1) 10
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
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
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
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
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
SALATTU WEB-YHTEYS 16
Turvallinen web-sivu (https) HTTPS-yhteys on salattu, joten siirrettävää tietoa ei voi salakuunnella verkosta. 17
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
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
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
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
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
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
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
Lisää tietoturvasta Suositellut: T-110.4206 Information Security Technology (syksy, periodi I) (uuden kandiohjelman Information security alkaa syksyllä 2014) T-110.5210 Cryptosystems tai T-79.4502 Cryptography and Data Security (syksy) Niiden jälkeen: T-110. 5241 Network Security (syksy, periodi II) T-110.6220 Special Course in Information Security: malware analysis (kevät) T-110.5102 Laboratory Works in Networking and Security (syksy) T-110.6201 Special Assignment in Networking and Security T-110.5291 Seminar on Network Security T-79.5501 Cryptology 25
Kurssin luennot 1. Aloitus: Miten Internet toimii, Tuomas Aura 2. Web 2.0 ja uudet sovellustekniikat, Otto Seppälä 3. Sovelluskerros: WWW, email, 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