CRIPTOGRAFIA ASSINATURAS DIGITAIS CERTIFICADOS DIGITAIS. Professor Edgard Jamhour

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1 CRIPTOGRAFIA ASSINATURAS DIGITAIS CERTIFICADOS DIGITAIS Professor Edgard Jamhour

2 CRIPTOGRAFIA E DESCRIPTOGRAFIA CRIPTOGRAFIA Texto Aberto (PlainText) Texto Fechado (Ciphertext) DECRIPTOGRAFIA

3 SISTEMA DE CRIPTOGRAFIA SIMPLES Caesar Cipher: Shift Cipher Substituição de letras pelas letras deslocadas de N. A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C Nada de novo no front. N = 3 Qdgd gh qryr qr iurqw. N = 4 Rehe hi rszs rs jvstx.

4 ESPAÇO DAS CHAVES (KEYSPACE) Uma chave é um valor específico do espaço de chaves (keyspace). No exemplo anterior: Keyspace = 25 N = 3, é a chave específica. Algoritmos modernos: Chaves binárias: 128, 256, 1024, 2048 bits Tipos de Criptografia: Simétrico: Keyspace 2tamanho da chave Assimétrico: Keyspace 2tamanho da chave

5 QUEBRA DE CRIPTOGRAFIA A quebra da criptografia utilizando força bruta é inviável para espaço de chaves acima de 2128 Exemplo: Keyspace = 2 64 Computador: Deep Crack 90 bilhões de chaves por segundo Tempo para encontrar uma chave: 4 dias e meio Keyspace = Computador = 1 trilhão de chaves por segundo Tempo para testar todas as chaves: 10 milhões de trilhões de anos.

6 CRIPTOGRAFIA SIMÉTRICA E ASSIMÉTRICA Dois sistemas de criptografia são usados atualmente: sistemas de chave secreta (secret-key) Também denominados simétricos Trabalha com uma única chave, denominada SECRETA. sistemas de chave pública (public-key) Também denominado assimétrico Trabalho com um par de chaves CHAVE PÚBLICA CHAVE PRIVADA

7 CHAVE SECRETA (CRIPTOGRAFIA SIMÉTRICA) Algoritmo de Criptografia Algoritmo de Decriptografia Texto Simples (plaintext) Texto Codificado (ciphertext) Texto Simples (plaintext) Chave Secreta = Chave Secreta

8 DES DATA ENCRYPTION STANDARD Um dos algoritmo de chave secreta mais difundido é o DES. Originalmente desenvolvido pela IBM. Algoritmo padronizado pela ANSI e adotado pelo governo americano. DES criptografia blocos de 64 bits com chaves de 56 bits. DES utiliza técnicas baseadas em permutação sucessiva de bits. O algoritmo é considerado obsoleto: 1998: 2008: DES-cracker da Electronic Frontier Foundation (EFF) Custo de US$ , quebrou o algoritmo em 2 dias. COPACOBANA RIVYERA (128 Spartan 's), Custo de US$10.000, quebrou o algoritmo em menos de um dia.

9 DES - ESTRUTURA Uma permutação inicial (IP) 16 rounds de processamento (função de Feistel F) Uma permutação final (FP)

10 FUNÇÃO DE FEISTEL Opera em meio bloco (32 bits) de cada vez. É composto de 4 operações: Expansion : transforma o bloco de 32 bits em 48 duplicando alguns bits. Key mixing : combina o resultado com uma sub-chave de 48 bits. Substitution : divide o bloco em partes de 6-bits e aplica o (S-Boxes) substitution boxes. Cada um dos 8 S-boxes substitui uma parte de 6 bits por outra de 4 bits através de uma operação tabelada. Permutation : efetua uma permutação nos 32 bits para espalhar os bits de cada S-box em pelo menos 4 S-boxes differences para o próximo round.

11 MODOS DE OPERAÇÃO Block Cipher Mode of Operation: Muitos algoritmos de criptografia conseguem criptografar apenas um tamanho fixo de bits denominado bloco. O modo de operação define como aplicar um algoritmo de bloco em múltiplos blocos O DES usa blocos de 64 bits, e possui vários modos de operação. Alguns exemplos são: ECB: Electronic Codebook Mode CBC: Cipher Block Chaining

12 MODO ECB O Modo ECB divide a mensagem em blocos de 64 bits, e criptografa cada bloco de maneira independente. DADOS BLOCO 64 bits BLOCO 64 bits BLOCO 64 bits CRIPTOGRAFIA CRIPTOGRAFIA CRIPTOGRAFIA BLOCO 64 bits (cipher text) BLOCO 64 bits (cipher text) BLOCO 64 bits (cipher text)

13 MODO CBC O Metodo CBC torna a criptografia de um bloco dependente do bloco anterior. DADOS BLOCO 64 bits BLOCO 64 bits BLOCO 64 bits CRIPTOGRAFIA XOR XOR BLOCO 64 bits (cipher text) CRIPTOGRAFIA CRIPTOGRAFIA BLOCO 64 bits (cipher text) BLOCO 64 bits (cipher text)

14 CHAVE PÚBLICA = CRIPTOGRAFIA ASSIMÉTRICA Sistema de Criptografia Assimétrico Utiliza um par de chaves. A chave publica (não é secreta) criptografa a mensagem. A chave privada (é secreta) descriptografa a mensagem. A chave pública deve ser distribuída para os transmissores para garantir comunicação segura com o receptor.

15 CHAVE PÚBLICA (CRIPTOGRAFIA ASSIMÉTRICA) Algoritmo de Criptografia Algoritmo de Descriptografia Texto Simples (plaintext) Texto Codificado (ciphertext) Texto Simples (plaintext) Chave Pública Chave Privada

16 RSA (RIVEST, SHAMIR, ADLEMAN) Sejam p, q números primos (> 512 bits). n = p*q escolher e co-primo com n tal que: 1 < e < (p-1)(q-1) encontrar d tal que: e*d % (p-1)(q-1) = 1 As chaves são definidas da seguinte maneira: Chave pública: (n,e) Chave privada: (n,d) Para criptografar uma mensagem m efetua-se a operação: s = m e mod n Para descriptografar, efetua-se a operação: m = s d mod n

17 RSA ALGORITHM EXAMPLE 1. Escolher: p = 3 e q = Calcular: n = p * q = 3 * 11 = Calcular: φ = (p - 1) * (q - 1) = 2 * 10 = Escolher: e tal que 1 < e < φ e e e n são co-primos. solução possível: e = 7 5. Calcular: d tal que (d * e) % φ(n) = 1. solução possível: d = 3 pois (3 * 7) % 20 = 1 6. Escolher: chave pública = (e, n) (7, 33) 7. Escolher: chave privada = (d, n) (3, 33) 8. Criptografar: c = m e mod n: se m = 2 c = 2 7 % 33 = Descriptografar: m = s d mod n: se c = 29 m = 29 3 % 33 = 2

18 RSA Ron Rivest, Adi Shamir, and Leonard Adleman publicaram o algoritmo pela primera vez em O mesmo algoritmo era conhecido pelo governo britânico desde 1973 (Clifford Cocks), mas só foi tornado público em O algoritmo RSA é muito mais lento que o DES, pois os cálculos efetuados são complexos. Por utilizar números primos, o RSA precisa de chaves muito grandes para reproduzir o mesmo grau de segurança do DES. As chaves em RSA são em geral da ordem de 1024 bits. Por isso o RSA não é usado para criptografar dados. Adi Shamir

19 ALGORITMOS DE HASH Uma função hash é um algoritmo que mapeia dados de tamanho variável em códigos de tamanho fixo: digest ou hashes As principais aplicações das funções hash são: tabelas hash: indexar e localizar rapidamente estruturas de dados detectar registros duplicados em tabelas (chaves primárias) verificar a integridade de dados recebidos pela rede ou potencialmente modificados por virus colisão: quando duas entradas diferentes geram o mesmo digest. Algoritmos usados em tabelas hash e em verificação de integridade não são os mesmos, pois em tabelas hash um certo nível de colisões é desejável. Em verificação de integridade o algoritmo precisa ser collision-resistant.

20 CRYPTOGRAPHIC HASH Uma função de hash precisa atender a certas propriedades para ser aplicável em criptografia: 1. determinística 2. rápida 3. inversão inviável 4. efeito avalanche 5. achar colisões inviável (SHA1 efeito avalanche)

21 APLICAÇÃO DE FUNÇÕES HASH Verificação de integridade de distribuições de software e mensagens transmitidas.

22 EXEMPLO: MD5 (MESSAGE DIGEST V5) Projetado por Ronald Rivest, 1991 (RFC 1321) Gera digests de 128 bits. A mensagem original é fragmentada em blocos de 512 bits (16x32) Para mensagens não múltiplo de 512 é feito padding no bloco final: tamanho original (64 bits) - O digest corresponde a um estado e 128 bits dividido em 4 palavras de 32 bits - O estado inicial é fixo, e os blocos de 512 bits são usados para modificar o estado - Cada bloco é processado em 4 rounds, usando funções F diferentes a cada vez: - Cada round consiste de 16 operação, cada uma com uma parte de 32 bits M i da mensagem original - K i é uma constante diferente para cada operação - A quantidade de bits deslocados s varia a cada operação

23 ASSINATURA DIGITAL COM CHAVE PÚBLICA Mensagem isto é segredo Algoritmo de assinatura digital Chave privada Assinatura digital Permite ao receptor verificar a integridade da mensagem: O conteúdo não foi alterado durante a transmissão. O transmissor é quem ele diz ser.

24 IMPLEMENTAÇÃO DA ASSINATURA DIGITAL ABFC01 FE012A0 2C897C D012DF 41 Algoritmo de Hashing DIGEST F18901B Algoritmo de Cripografia ASSINATURA DIGITAL ABFC01 FE012A0 2C897C D012DF 41 Mensagem com Assinatura Digital MENSAGEM aberta ASSINATURA criptografada

25 GERAÇÃO E VALIDAÇÃO DAS ASSINATURAS xxxx yyyy zzzz TRANSMISSOR xxxx yyyy zzzz RECEPTOR DIGEST Algoritmo de Hashing Rede Algoritmo de Hashing COMPARAÇÃO DIGEST Assinatura Digital Assinatura Digital DIGEST 1B2A37... Criptografia com chave privada Descriptografia com chave pública

26 VERIFICAÇÃO DA INTEGRIDADE DA MENSAGEM Transmissor (A) Receptor (B) MENSAGEM ASSINATURA DIGITAL CHAVE PRIVADA DE A CHAVE PÚBLICA DE A O receptor precisa ter a chave pública do transmissor para verificar a assinatura.

27 AUTORIDADE CERTIFICADORA Autoridade Certificadora (Verisign, Certisign, Etc.) C.A. (Certification Authority) Certificado X509 I.D. do Proprietário I.D. da CA Assinatura Digital CHAVE PRIVADA Chave pública (e.g., Banco do Brasil) Verisign, Inc. Banco do Brasil S.A. Brasilia, DF, Brasil

28 NOMENCLATURA X509 Um certificado X509 é emitido para um distinguished name. DN Field Abbrev. Description Example Common Name CN Name being certified CN=Joe Average Organization or Company O Name is associated with this organization O=Snake Oil, Ltd. Organizational Unit OU Name is associated with this organization unit, such as a department OU=Research Institute City/Locality L Name is located in this City L=Snake City State/Province ST Name is located in this State/Province ST=Desert Country C Name is located in this Country (ISO code) C=XZ

29 ESTRATÉGIAS DE CERTIFICAÇÃO VERISIGN: I.D. do Proprietário I.D. da Autoridade Certificadora Assinatura Eletrônica Off-line On-line Base de chaves O software que recebe o certificado (por exemplo, o browser) deve possuir a chave pública da autoridade certificadora.

30 PKI (PUBLIC KEY INFRASTRUCTURE) O termo PKI (Infraestrutura de chave pública) é utilizado para descrever o conjunto de elementos necessários para implementar um mecanismo de certificação por chave pública. certificados CA (Autoridade Certificadora) certificados EMPRESA A EMPRESA B

31 COMO A CRIPTOGRAFIA PODE SER IMPLEMENTADA? Aplicações Protolco de Aplicação FTP, SMTP, HTTP, Telnet, SNM, etc. Seqüência de empacotamento aplicação TCP, UDP transporte IP rede Tecnologia heterogênea Data Link Ethernet, Token Ring, FDDI, etc Física enlace física

32 SSL SSL: Secure Sockets Layer HTTP POP TELNET HTTPs POPs TELNETs Sockets SSL TCP/IP

33 EXEMPLO: HTTPS HTTP SOCKS > SOCKS CLIENTE SERVIDOR SSL >1023 HTTPS 443 SSL X Recurso Protegido Recurso Não Protegido

34 SSL - VISÃO SIMPLIFICADA Autoridade Certificadora CSR [PubS] CSR [PubS] O servidor envia um CSR, contendo sua chave pública para a CA 2 Servidor (Subjet) 3 Certificado [PubS][AssCA] Chave privada {PriCA} 1 O servidor gera um par de chaves assimétricas (pública e privada) 4 A CA envia o certificado X509 para o servidor Certificado [PubS][AssCA] Chave pública {PubS} Chave privada {PriS}

35 SSL - VISÃO SIMPLIFICADA Servidor (Subject) Requisição TCP para um recurso protegido 5 Cliente (Subjet) 4 O servidor envia o seu certificado para o cliente Certificado [PubS][AssCA] 6 O cliente valida o certificado usando a chave pública da CA e extrai a chave pública do servidor Chave pública {PubS} Chave privada {PriS} Chave pública {PubCA} Certificado [PubS][AssCA] Chave pública {PubS}

36 SSL - VISÃO SIMPLIFICADA Servidor (Subject) 7 O cliente gera um chave secreta (simétrica) aleatória = chave de sessão e a criptografa com a chave pública do servidor Cliente (Subjet) Chave pública {PubS} Chave privada {PriS} Chave pública {PubS} Chave secreta {SecC} {{SecC}PubS} {{SecC}PubS} 8 O cliente envia sua chave secreta, criptografada, para o servidor

37 SSL - VISÃO SIMPLIFICADA Servidor (Subject) Chave pública {PubS} Chave privada {PriS} Chave secreta {SecC} Cliente (Subjet) {{SecC}PubS} 9 Chave pública {PubS} O servidor descriptografa a chave secreta do cliente, utilizando sua chave privada Chave secreta {SecC} {(Dados)SecC} 10 A troca bi-direcional de dados é protegida com a chave secreta gerada pelo cliente

38 SSL E TLS SSL: Secure Socket Layer Definido pela Netscape Versão atual: 3.0 TLS: Transport Layer Security Definido pelo IETF Versão atual: 1.0 RFC 2246 (Janeiro de 1999) O TLS 1.0 é baseado no SSL 3.0, mas eles possuem diferenças que os tornam incompatíveis.

39 TLS O TLS define dois sub-protocolos: TLS Record Protocol Utilizado para encapsular os protocolos das camadas superiores. TLS Handshake Protocol Utilizado para negociar o algorítmo e as chaves de criptografia antes que o primeiro byte da comunicação segura seja transmitido.

40 SSL/TLS

41 SSL RECORD PROTOCOL

42 TLS Os objetivos do TLS são: Segurança criptográfica entre dois pontos. Interoperabilidade: programadores independentes devem ser capazes de desenvolver capazes de se comunicar, sem que um conheça o código do outro. Extensibilidade: novos algorítmos de criptografia podem ser incorporados quando necessário. Eficiência: reduzir o uso de CPU e o tráfego de rede a níveis aceitáveis.

43 SECURE SOCKET LAYER (SSL) E TRANSPORT LAYER SECURITY (TLS) O SSL/TLS permite executar duas funções básicas: autenticação entre o cliente e o servidor. criptografia na troca de mensagens. O servidor se autentica para o cliente (obrigatório) SSL/TLS O cliente se autentica para o servidor (opctional)

44 AUTENTICAÇÃO DO SERVIDOR SSL/TLS permite ao usuário confirmar a identidade do servidor. SSL Chave pública do servidor Identificação do Servidor Identificação do CA Assinatura Digital de uma CA

45 CERTIFICADOS DE SERVIDOR

46 AUTENTICAÇÃO DO CLIENTE SSL permite ao servidor identificar a identidade do cliente. SSL Chave pública do Cliente Identificação do Cliente Identificação do CA Assinatura Digital de uma CA

47 CERTIFICADOS DE CLIENTE

48 CRIPTOGRAFIA DA COMUNICAÇÃO Após a certificação, o SSL/TLS cria uma chave de sessão que garante: Confidencialidade e Proteção contra Tampering (alteração dos dados em transito). (chave secreta aleatória) info (chave secreta aleatória) info

49 TLS HANDSHAKE

50 EXEMPLOS DE CIPHER SUITES TLS_RSA_EXPORT_WITH_RC4_40_MD5 EXP-RC4-MD5 TLS_RSA_WITH_RC4_128_MD5 RC4-MD5 TLS_RSA_WITH_RC4_128_SHA RC4-SHA TLS_RSA_EXPORT_WITH_RC2_CBC_40_MD5 EXP-RC2-CBC-MD5 TLS_RSA_WITH_IDEA_CBC_SHA IDEA-CBC-SHA TLS_RSA_WITH_DES_CBC_SHA DES-CBC-SHA TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA DES-CBC3-SHA TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA AES128-SHA TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA AES256-SHA

51 API SSL Cria contexto API: SSL_CTX_new (SSL_CTX *) Cria um socket TCP (socket) Carrega bibliotecas Define versão do SSL Carrega certificado do cliente Carrega certificados da CA Associa o socket ao contexto API: SSL_set_bio (SSL *ssl) > 1023 Efetua a conexão SSL SSL_connect( SSL *ssl) Certificado do Servidor [Requisição do certificado cliente] > 80 (chave secreta associada ao socket SSL) segredos Verifica o certificado do servidor SSL_get_verify_result(SSL * ssl) Envia dados criptografados SSL_write(SLL *ssl,...) Dados criptografados com a chave secreta Recebe dados já descriptografados SSL_read(SSL * ssl,...) Dados criptografados com a chave secreta Encerra conexão e libera recursos SSL_shutdown(ssl) SSL_free(ssl)

52 CONCLUSÃO Criptografia Simétrica Chaves de pelo menos 128 bits Rápido Usado para proteção de dados Criptografia Assimétrica Chaves de pelo menos 1024 bits Lento Usado no processo de negociação de chaves