Автор: Сапегин Л.Н.

Типичные дефекты в криптографических протоколах

По материалам зарубежной печати известно более 30 криптографических протоколов, которые предположительно считались безопасными. Опыт показал, что подавляющее большинство из них обладает дефектами разной степени тяжести. В настоящей статье предлагается лишь несколько наиболее ярких примеров криптографических протоколов с дефектами и атаками, использующими эти дефекты. Знание отрицательных прецедентов может помочь разработчикам криптографических (и не только криптографических) протоколов избежать характерных ошибок.

1. Классификация криптографических протоколов

1.1. Протоколы шифрования / расшифрования.

В основе протокола этого класса содержится некоторый симметричный или асимметричный алгоритм шифрования/расшифрования. Алгоритм шифрования выполняется на передаче отправителем сообщения, в результате чего сообщение преобразуется из открытой формы в шифрованную. Алгоритм расшифрования выполняется на приеме получателем, в результате чего сообщение преобразуется из шифрованной формы в открытую. Так обеспечивается свойство конфиденциальности.

Для обеспечения свойства целостности передаваемых сообщений симметричные алгоритмы шифрования / расшифрования, обычно, совмещаются с алгоритмами вычисления имитозащитной вставки (ИЗВ) на передаче и проверки ИЗВ на приеме, для чего используется ключ шифрования. При использовании асимметричных алгоритмов шифрования / расшифрования свойство целостности обеспечивается отдельно путем вычисления электронной цифровой подписи (ЭЦП) на передаче и проверки ЭЦП на приеме, чем обеспечиваются также свойства безотказности и аутентичности принятого сообщения.

1.2. Протоколы электронной цифровой подписи (ЭЦП).

В основе протокола этого класса содержится некоторый алгоритм вычисления ЭЦП на передаче с помощью секретного ключа отправителя и проверки ЭЦП на приеме с помощью соответствующего открытого ключа, извлекаемого из открытого справочника, но защищенного от модификаций. В случае положительного результата проверки протокол, обычно, завершается операцией архивирования принятого сообщения, его ЭЦП и соответствующего открытого ключа. Операция архивирования может не выполняться, если ЭЦП используется только для обеспечения свойств целостности и аутентичности принятого сообщения, но не безотказности. В этом случае, после проверки, ЭЦП может быть уничтожена сразу или по прошествии ограниченного промежутка времени ожидания.

1.3. Протоколы идентификации / аутентификации.

В основе протокола идентификации содержится некоторый алгоритм проверки того факта, что идентифицируемый объект (пользователь, устройство, процесс, ... ), предъявивший некоторое имя (идентификатор), знает секретную информацию, известную только заявленному объекту, причем метод проверки является, конечно, косвенным, т.е. без предъявления этой секретной информации.

Обычно с каждым именем (идентификатором) объекта связывается перечень его прав и полномочий в системе, записанный в защищенной базе данных. В этом случае протокол идентификации может быть расширен до протокола аутентификации, в котором идентифицированный объект проверяется на правомочность заказываемой услуги.

Если в протоколе идентификации используется ЭЦП, то роль секретной информации играет секретный ключ ЭЦП, а проверка ЭЦП осуществляется с помощью открытого ключа ЭЦП, знание которого не позволяет определить соответствующий секретный ключ, но позволяет убедиться в том, что он известен автору ЭЦП.

1.4. Протоколы аутентифицированного распределения ключей.

Протоколы этого класса совмещают аутентификацию пользователей с протоколом генерации и распределения ключей по каналу связи. Протокол имеет двух или трех участников; третьим участником является центр генерации и распределения ключей (ЦГРК), называемый для краткости сервером S.

Протокол состоит из трех этапов, имеющих названия: генерация, регистрация и коммуникация.

На этапе генерации сервер S генерирует числовые значения параметров системы, в том числе, свой секретный и открытый ключ.

На этапе регистрации сервер S идентифицирует пользователей по документам (при личной явке или через уполномоченных лиц), для каждого объекта генерирует ключевую и/или идентификационную информацию и формирует маркер безопасности, содержащий необходимые системные константы и открытый ключ сервера S (при необходимости).

На этапе коммуникации реализуется собственно протокол аутентифицированного ключевого обмена, который завершается формированием общего сеансового ключа.

2. Дефекты в криптографических протоколах

Из зарубежной периодической печати к настоящему времени известно более 30 криптографических протоколов для коммерческих систем связи. Часть из них носит имена своих авторов, другая часть рекомендована международными стандартами МККТТ и ISO, третья - входит в национальные стандарты различных стран. Однако стандарты быстро устаревают, а в протоколах обнаруживаются дефекты разной степени тяжести, начиная от недостатков типа необоснованной сложности протокола и до катастрофических недостатков, делающих протокол крайне опасным.

В настоящей статье предлагается лишь несколько наиболее ярких примеров криптографических протоколов с дефектами и атаками, использующими эти дефекты. Каждый протокол сначала кратко описывается словами с помощью рисунка для наглядности идеи протокола, затем представляется формальный текст протокола, уточняющий спецификацию протокола. Формальный текст протокола пишется на некотором языке высокого уровня, получившем довольно широкое распространение в литературе по безопасности протоколов. Наконец, на этом же языке указываются одна - две атаки противника (нарушителя), использующие некоторые дефекты протокола. Следует заметить, что эти атаки часто оказываются возможными только благодаря недостаточно полной спецификации протокола; точнее, благодаря тому, что из множества возможных спецификаций протокола реализуется наиболее естественная, но неудачная. Это означает, что при более внимательном выборе спецификации протокола, с учетом знания отрицательных прецедентов, указанные атаки, возможно, окажутся нереализуемыми или неэффективными.

В настоящее время “нет надежной, систематической методологии для построения безопасных коммуникационных протоколов, а опыт показал, что очень большое число коммерческих протоколов, которые считались предположительно безопасными, в действительности оказались уязвимыми со стороны широкого спектра эффективных атак. От прикладных программистов нельзя требовать построения (возможно, что даже не следует допускать к построению) безопасных протоколов” [ 1 ]. Это дело профессиональных криптографов. Однако, полная спецификация протокола, видимо, должна разрабатываться совместно криптографом и программистом; еще лучше, если это будет один и тот же человек.

В последующих разделах рассматриваются протоколы с типичными дефектами. Примеры протоколов разбиты на группы по типу используемой криптосистемы:

• протоколы с криптосистемой DH (Диффи, Хэллман);
• протоколы с криптосистемой RSA (Райвест, Шамир, Адлеман);
• протоколы с коммутативным шифрованием (Шамир);
• протоколы аутентифицированного распределения ключей;
• протоколы, основанные на тождествах.

3. Протоколы с криптосистемой DH

Исторически криптосистема DH является первой криптосистемой с открытыми ключами (КСОК), основанной на экспоненциальной однонаправленной функции. Сначала эта криптосистема использовалась как схема распределения ключей для классической симметричной криптосистемы с секретными общими ключами [ 2 ]. Предварительно все пользователи сети связи получают от сервера S по достоверному каналу системные константы (Р, ), где простое число Р и основание степени выбираются надлежащим образом.

3.1. Протокол ключевого обмена DH

Для краткости вместо словесного описания обычно применяется формальная запись, в которой двоеточие означает перечисление совершаемых пользователем действий, стрелка означает генерацию, извлечение или запись информации по внутренним цепям (каналам) пользователя, двойная стрелка означает передачу по внешнему открытому каналу, тройная стрелка - передачу по внешнему защищенному каналу связи, например, передачу по шифрованному каналу секретных данных для пользователя от сервера S. В данном случае формальная запись протокола выглядит следующим образом:

Заключение

Знание отрицательных прецедентов может помочь разработчикам криптографических (и не только криптографических) протоколов избегать типичных ошибок как при анализе, так и при построении протоколов.

Литература

• “Security in the Open Blueprint”. Open Blueprint Technical Reference Library, SBOF-8702 (hard copy), SK2T-2478-00 (CD ROM), 1995
• Диффи, Хэллман. ”Новые направления в криптографии”. ТИИЭР, т.67, №3, 1979
• Domingo, Hugnet. “Full secure exchange and authentication with no previously shared secrets”. Eurocrypt-89.
• Мэсси. “Введение в современную криптографию”. ТИИЭР, т.76, №5, 1988
• Mao, Boyd. “Development of authentication protocols: some misconceptions and a new approach”. Comp. Sec. Found. Workshop VII, 1994
• Carlsen. “Cryptographic protocol flaws”. Comp. Sec. Found. Workshop VII, 1994
• Syverson. “A taxonomy of replay attacks”. Comp. Sec. Found. Workshop VII, 1994