Krüptograafilised protokollid: definitsioon, omadused ja näited

Sügav ülevaade krüptograafilistest protokollidest — definitsioon, võtmekokkulepe, autentimine ja praktilised näited turvalise andmeedastuse tagamiseks.

Krüptograafiline protokoll (tuntud ka kui krüpteerimisprotokoll või turvaprotokoll) on abstraktne või olemasolev protokoll, mis täidab turvalisusega seotud funktsiooni ja rakendab krüptograafilisi meetodeid. Protokoll määratleb osapooled, vahetatavad sõnumid, teabe- ja võtmeesitluse formaadid ning reeglid, kuidas ja millal krüptograafilisi algoritme kasutatakse.

Hea protokolli kirjeldus peab sisaldama üksikasju kõigi andmestruktuuride ja esitusviiside kohta ning selgitusi selle kohta, kuidas programmid protokolli kasutavad, milliseid krüptovõtmeid salvestatakse, millised parameetrid on vajalikud ja kuidas toimub veaolukordade käsitlemine.

Põhikomponendid ja -kontseptsioonid

• Osapooled: kliendid, serverid, vahelvahe-üksused (proxies) — iga osapoolel on oma roll ja vastutus.
• Sõnumivool: järjestus, milles sõnumeid vahetatakse; protokoll määrab, millal oodatakse vastust ja millised väljad on kohustuslikud.
• Krüptograafilised primitiivid: krüptograafia hõlmab sümmeetrilist krüpteerimist (nt AES), avaliku võtme algoritme (nt RSA, ECC), räsifunktsioone, Message Authentication Code (MAC) ja digitaalseid allkirju.
• Võtmehaldus: kuidas genereeritakse, edastatakse, salvestatakse ja hävitatakse võtmeid; siia kuulub ka võtmete vahetus ja uuendamine.
• Seansi seisund: paljud protokollid hoiavad seansi kohta olekut (nt genereeritud võtmed, nonces), mis on vajalik sõnumite valideerimiseks ja krüptooperatsioonide kordamiseks.

Peamised omadused

Krüptograafilisel protokollil on tavaliselt vähemalt mõned järgmistest omadustest:

• Võtmepõlvkond. Võtmete genereerimine ja haldamine elutsükli jooksul.
• Üksuse autentimine. Võimalus kontrollida, et suhtluspartner on see, kes ta väidab end olevat.
• Võtmekokkulepe. Meetod, mille abil osapooled leppivad kokku ühises salajases võtmes ilma seda otse edastamata.
• Edastatud sõnumite sümmeetriline krüpteerimine, kasutades kokkulepitud genereeritud võtit.

Lisaks nendele tavapärastele omadustele võib protokoll pakkuda ka:

• Täielik edaspidine saladus (Perfect Forward Secrecy) — kompromiteeritud pikaajalised võtmed ei võimalda dekrüpteerida varasemaid seansse.
• Andmete terviklikkus ja autentsus (nt HMAC või digitaalallkirjad) — kaitse sõnumite muutmise vastu.
• Taotluse korduse (replay) kaitse — nonces või ajatempleid kasutatakse korduvkasutuse vältimiseks.
• Võtme kinnitamine ja kinnituse tagasiside — osapooled saavad kindlaks teha, et mõlemad kasutasid sama seansivõtit.
• Tõestusvastupidavus (Non-repudiation) — allkirjad, mis takistavad osapoole hilisemat keeldumist.

Tüübid ja näited

Terminit krüptoprotokoll kasutatakse erinevalt. Näiteks kasutavad krüptograafilised rakendusprotokollid sageli ühte või mitut aluseks olevat võtmevahetusprotokolli, mida mõnikord nimetatakse ka ise "krüptograafilisteks protokollideks", nagu näiteks Secure Sockets Layer (SSL), mis kasutab nn Diffie-Hellmani võtmevahetust, Diffie-Hellmani võib vaadelda kui täielikku krüptograafilist protokolli iseenesest teiste rakenduste puhul.

Tuntud praktilised näited ja raamistikud: SSL/TLS (veebiliiklus), SSH (kaugjuurdepääs), IPsec (võrgutasand), Kerberos (võrgupõhine autentimine), Signal-protokoll ja OTR (sõnumside), Noise framework (protokolli konstruktsiooniraamistik). Igal neist on erinevad eesmärgid, kuid kõik kasutavad põhimõtteliselt samu krüptograafilisi primitiive seansi konfidentsiaalsuse ja autentsuse tagamiseks.

Rünnakud ja ohud

Krüptograafilised protokollid on altid konkreetsetele rünnakutele, kui neid ei disainita või rakendata korrektset. Levinumad ohud:

• Man-in-the-Middle (MitM) — ründaja suudab vahelt segada võtmevahetust ja esineda ühe või mõlema osapoole rollis.
• Replay- ja tähelepanematerünnakud — vanade sõnumite korduv kasutamine ilma nõuetekohase kaitseta.
• Valik-tsükli ja dešifreerimisründed (kaasaarvatud valik-kriptogrammide rünnakud) — nõrganõrga konstruktsiooniga šifritel.
• Alamversiooni/downgrade rünnakud — ründaja sunnib osapooled nõrgema krüptograafiaga seansi looma.
• Pooli või võtme kompromiteerimine — halva võtmehaldumise või juhusliku arvu generaatori nõrkuse tõttu.
• Pool-lõpused (side-channel) rünnakud — ajastus, võimsuste või muu kõrvalinfo analüüs, mis paljastab krüptograafilisi võtmeid.

Disaini põhimõtted ja hea tava

• Minimeeri usaldust: usalda nii vähe kõrvalisi üksusi kui võimalik; ära tee oletusi, et võtmepüsimaterjal on turvaline ilma täiendava kaitseta.
• Selged eraldused: kasutage erinevaid võtmeid erinevate eesmärkide jaoks (nt sõnumi krüpteerimine vs allkirjastamine).
• Ajutised võtmed ja sagedane uuendamine: piiravad kompromiteerimise mõju.
• Randomuse kvaliteet: turvaline juhuslike arvude generaator on kriitiline võtme- ja nonce-generaatorite jaoks.
• Fail-safe käitumine: ebaõnnestumisel eelistada ühenduse sulgemist, mitte vaikivat jätkamist ebaturvalise konfiguratsiooniga.
• Täielik valideerimine: sertifikaadid, räsid ja allkirjad tuleb alati korrektselt kontrollida; ära ignoreeri hoiatusi ega vigu valideerimisel.

Protokolli näide (lihtsustatud voog)

Lihtsustatud kujutis võtmevahetusest, millele järgneb autentimine ja seansivõtme kasutamine:

1. Osapool A ja B vahetavad avalikud parameetrid ja avalikud võtmed (nt Diffie-Hellman avalikud väärtused).
2. Mõlemad pooled arvutavad ühise seansivõtme (seansivõti), kasutades oma salajast võtit ja teise osapoole avalikku väärtust.
3. Osapooled autentivad teineteist kas digitaalse allkirja, sertifikaadi või ühise eelneva võtme abil, et vältida MitM-rünnakut.
4. Pärast kinnitust kasutatakse seansivõtit sõnumite sümmeetriliseks krüpteerimiseks ja HMAC-i või sarnase mehhanismi abil andmete terviklikkuse tagamiseks.

Tõestamine ja analüüs

Krüptograafiliste protokollide turvalisust ei tohi jätta vaid intuitiivsele hindamisele. Kasutatakse formaalseid meetodeid nagu mudelite kontrollimine, formaalne tõestus (protokolli omaduste tuletamine matemaatiliselt) ja automaatne kontroll kastipõhiste tööriistade abil (nt ProVerif, Tamarin). Need meetodid aitavad leida loogilisi vigu ja rünnakuid, mida inimintuitsioon võib märkamata jätta.

Rakendusevigade ja levinud probleemide näited

• Juhuslike arvude generaatori nõrkused, mis viivad korduvate võtmete tekkeni.
• Vale sertifikaatide valideerimine või sertifikaadi hierarhia eiramine.
• Krüptograafiliste moodulite valesti kasutamine (nt sama võtit jagatakse mitme protsessi vahel ilma kaitseta).
• Versioonide ja parameetrite kontrolli puudumine, mis võimaldab downgrade-rünnakuid.

Kokkuvõttes on krüptograafilised protokollid keerulised süsteemid, mis kombineerivad matemaatilisi primitiive, korrektset disaini, hoolikat võtmehaldust ja täpset rakendust. Neid tuleb käsitleda terviklikult — disainist kuni tööstusliku juurutamiseni — ning kasutada formaalseid analüüsimeetodeid ja tuntud head tava, et tagada tegelik turvalisus reaalses kasutuses.

Küsimused ja vastused

K: Mis on krüptograafiline protokoll?

K: Millised on mõned krüptograafilise protokolli omadused?

K: Kuidas kasutatakse krüptograafilisi protokolle?

K: Kas on olemas näide tervikliku krüptograafilise protokolli kohta?

K: Kas protokolli kirjeldus sisaldab üksikasju andmestruktuuride ja esitusviiside kohta?

K: Kas see sisaldab ka üksikasju selle kohta, kuidas protokolli programmidega kasutada?

Otsing