TOCI08 Segurança em Redes de Computadores Módulo 08: Criptografia Assimétrica RSA e ECC

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1 TOCI08 Segurança em Redes de Computadores Módulo 08: Criptografia Assimétrica RSA e ECC Prof. M.Sc. Charles Christian Miers charles@joinville.udesc.br

2 Roteiro Criptografia Moderna: Diferenças criptografia simétrica e assimétrica Características criptografia assimétrica RSA Geração de chaves Uso do RSA Processo de cifrar / decifrar Funcionamento Segurança TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 2

3 Criptografia: Simétrica X Assimétrica Para Utilizar Um algoritmo e uma chave Alice e Bob compartilham o algoritmo e a chave Para Utilizar Um algoritmo e duas chaves Alice e Bob compartilham um par de chaves Para a Segurança Chave secreta Impossibilidade de decifrar a mensagem Algoritmo + amostras do texto cifrado não devem ser suficientes para determinar a chave Para a Segurança Uma das duas chaves é secreta Impossibilidade de decifrar a mensagem Algoritmo + amostras do texto cifrado + uma das chaves não devem ser suficientes para determinar a outra chave TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 3

4 Breve Histórico Primeiro algoritmo de chave pública foi desenvolvido em 1976 Desenvolvido por : Professores do MIT : Rivest, Shamir Professor do USC : Adlem Primeiro artigo sobre RSA: New Directions in Cryptography Apresenta chave pública e também apresenta um novo e ingênuo método para troca de chaves Em 1991 foi adotado o primeiro padrão internacional para assinaturas digitais (ISO/IEC9796), este esquema se baseia no padrão de chaves públicas segundo o modelo RSA TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 4

5 Criptografia Assimétrica Provavelmente o avanço mais significativo em 3000 anos de criptografia Utiliza duas chaves: Chave pública Chave privada Tudo o que é cifrado com uma chave somente pode ser decifrado pela outra chave e vice-versa Assimétrica porque os participantes não têm o mesmo papel Não substitui mas complementa a criptografia simétrica TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 5

6 Criptografia Assimétrica (Cont.) A criptografia assimétrica envolve o uso de duas chaves: a chave-pública, que é conhecida de todos, e pode ser utilizada para cifrar mensagens, e verificar assinaturas a chave-privada, conhecida só pelo receptor, usada para decifrar mensagens, e assinar (criar) assinaturas Aqueles que podem cifrar mensagens e verificar assinaturas não podem decifrar mensagens e criar assinaturas TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 6

7 Criptografia Assimétrica (Cont.) Chave pública Chave privada MENSAGEM *$R!??:{ MENSAGEM Texto Texto cifrado Texto original Cifrar Decifrar Fonte Destino TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 7

8 Porquê utilizar criptografia assimétrica? Desenvolvida para resolver duas questões: Distribuição de chaves como ter comunicações seguras sem ter que confiar a um KDC (Key Distribuction Center) a chave Assinaturas digitais como verificar que uma mensagem chegou intacta do emissor que é verificado Invenção pública desenvolvida por Whitfield Diffie & Martin Hellman na Universidade de Stanford Conhecido anteriormente na comunidade (secreta/militar) da criptografia Mantido em segredo por motivos militares TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 8

9 Alguns dos principais algoritmos de criptografia assimétrica patenteados TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 9

10 Características:criptografia assimétrica Depende de duas chaves que devem ter as seguintes características: Computacionalmente impossível conhecer a chave para decifrar sabendo apenas o algoritmo e a chave utilizada para cifrar Computacionalmente fácil cifrar/decifrar mensagens quando a chave correta é conhecida Qualquer uma das duas chaves pode ser utilizada para cifrar ou para decifrar TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 10

11 Criptografia Moderna: RSA

12 Segurança do Sistema Assimétrico RSA Ataques de força bruta (procura exaustiva) são teoricamente possíveis. Mas as chaves são demasiadas grandes (maiores que 512bits) Segurança baseia-se numa suficientemente grande diferença entre a facilidade para cifrar/decifrar e a dificuldade em realizar/implementar a criptoanálise Geralmente, o problema difícil é conhecido, mas demasiadamente difícil na prática Nos métodos conhecidos, é computacionalmente exigente (grande quantidade de cálculos matemáticos são necessários) Lento quando comparado com os métodos de simétrica que geralmente requerem menos operações matemáticas TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 12

13 Criptografia Assimétrica O mecanismo de criptografia assimétrica garante quatro pontos básicos: Privacidade Um interceptador não é capaz de entender o que se passa no canal Autenticação É possível provar que o remetente e os destinatários são quem dizem ser Integridade Alterações em trânsito são detectadas Não repúdio O emissor não tem como negar que é o autor da mensagem TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 13

14 O que é RSA? Ron Rivest Adi Shamir Leonard Adleman TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 14

15 RSA Rivest, Shamir & Adleman do MIT em 1977 Esquema de chave assimétrica mais conhecido e mais utilizado no mundo Baseia-se na exponenciação de inteiros utilizando aritmética modular: Exponenciação leva O((log n) 3 ) operações (fácil cifrar/decifrar) Utiliza inteiros muito grandes (eg bits) Segurança devida à dificuldade em fatorar números muito grandes Fatorização leva O(e log n log log n ) operações (muito difícil obter a chave privada a partir da chave pública) TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 15

16 Geração de chaves no RSA Os utilizadores do RSA têm de: determinar dois primos ao acaso - p, q Selecionar e ou d e calcular o outro Os primos p,q não podem ser determinados facilmente a partir de N=p.q Têm de ser suficientemente grandes Não há métodos diretos para determinar primos muito grandes; tipicamente usam-se números aleatórios e testes de primalidade. Esses testes não garantem que o número seja primo TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 16

17 Geração de chaves RSA Cada utilizador calcula um par de chave pública / chave privada Seleciona dois números primos aleatoriamente: p,q Calcula em módulo N o valor p.q ø(n)=(p-1)(q-1) Seleciona a chave de cifrar e (relativamente primo [não há divisores comuns]) que deve satisfazer: 1<e<ø(N), MDC(e,ø(N))=1 Resolve a equação seguinte para determinar a chave d e.d=1 mod ø(n) e 0 d N Publica a sua chave pública: KU={e,N} Mantém secreta a sua chave privada: KR={d,p,q} TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 17

18 Uso do RSA Para cifrar a mensagem M, o emissor: Obtém a chave pública do receptor KU={e,N} calcula: C=M e mod N, em que 0 M<N Para decifrar um texto cifrado C o destinatário: utiliza a sua chave privada KR={d,p,q} calcula: M=C d mod N M tem de ser menor que o módulo N N (divide-se o texto em blocos de x bits, tal que 2 x < N e o maior possível) TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 18

19 Base para o funcionamento do RSA Teorema de Euler: a ø(n) mod N = 1 Em que MDC(a,N)=1 No RSA: N=p.q ø(n)=(p-1)(q-1) Escolhem-se e & d para serem inversos mod ø(n) Portanto e.d=1+k.ø(n) para algum k Assim sendo (sempre em aritmética mod N ) C d = (M e ) d = M 1+k.ø(N) = M 1.(M ø(n) ) k = M 1.(1) k = M 1 = M TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 19

20 Exemplo RSA 1: 1. Selecionar números primos: p=17 & q=11 2. Calcular n = pq =17 11= Calcular ø(n)=(p 1)(q-1)=16 10= Selecionar e : MDC(e,160)=1; escolher e=7 5. Determinar d: de=1 mod 160 e d < 160; d=23 uma vez que: 23 7=161= ; d pode ser calculado através do Algoritmo Estendido de Euclides 6. Publicar a chave pública KU={7,187} 7. Guardar a chave privada KR={23,17,11} 8. Exemplo da fase de cifrar/decifrar do RSA: 9. Dada a mensagem M = 88 (nb. 88<187) 1. Cifrar: C = 88 7 mod 187 = Decifrar: M = mod 187 = 88 TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 20

21 Exemplo RSA 2: Gerar o par de chaves KU e KR a partir dos números primos p = 7 e q = 17 Cifrar e Decifrar o texto aberto 19 TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 21

22 Exemplo RSA 2: Selecionar dois números primos: p = 7 e q = 17 Calcular n = pq = 7 x 17 = 119 Calcular (n) = (p-1)(q-1) = 96 Selecionar e tal que e é relativamente primo a (n) e menor que (n); e = 5 Determinar d tal que de = 1 mod 96 e d < 96; d = 77, pois 77 x 5 = 385 = 4 x KU = {5,119} e KR = {77,119} TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 22

23 Exemplo RSA 2: (Cont.) Cifrar KU = 5,119 Texto Aberto = KR = 77,119 Decifrar Texto Cifrado = 1,27...x ,06...x Texto Aberto 19 TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 23

24 RSA Demonstração: Java applet: Outro exemplo: TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 24

25 Segurança do RSA Três abordagens para atacar o RSA: Ataque por força bruta sobre a chave, que até o presente momento é impossível devido ao número de bits da chave Ataques baseados na teoria dos números (tentativa de fatorar o módulo N) Ataques baseados na quantidade de tempo que demora para executar o algoritmo para decifrar A dificuldade está em achar d dado N TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 25

26 O problema da fatoração Três formas : fatorar N=p.q, encontrar ø(n) e depois d Determinar ø(n) diretamente Determinar d diretamente Pensa-se que todos eles são equivalentes a fatorar: Melhorias lentas ao longo dos anos Em Agosto de 1999 conseguiu-se quebrar o RSA com 130 dígitos decimais (512 bits) bit utilizando o algoritmo Generalized Number Field Sieve Para resistir ao ataque são necessárias chaves com tamanho maior que 1024 bits TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 26

27 Ataques por tempo Exploram os tempos que demoram os cálculos Exemplo: Multiplicação de números pequenos e grandes Execução de IF's Deduzem o tamanho do operando a partir do tempo que a operação leva Contra-medidas Utilizar atrasos aleatórios Utilizar algoritmos de exponenciação em tempo constante TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 27

28 Criptografia Assimétrica: ECC

29 Roteiro Criptografia Moderna: ECC Geração de chaves Uso do ECC Processo de cifrar / decifrar Funcionamento Comparativos TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 29

30 Criptografia de Curvas Elípticas (ECC) - 1 ECC - Eliptic Curves Cryptography A maior parte dos sistemas de criptografia assimétrica (RSA, DH) utilizam a teoria dos números ou polinômios Corresponde a um grande peso no armazenamento das chaves e nas operações de cifrar/decifrar Alternativa: curvas elípticas Oferece a mesma segurança com menos bits de chaves TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 30

31 Criptografia de Curvas Elípticas (ECC) - 2 Sistema usa curvas elípticas como base para chaves e cifrar/decifrar TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 31

32 Criptografia de Curvas Elípticas (ECC) - 3 Em 1985, Neal Koblitz e V. S. Miller propuseram de forma independente a utilização de curvas elípticas para sistemas criptográficos de chave pública Não inventaram um novo algoritmo criptográfico com curvas elípticas sobre corpos finitos, mas implementaram algoritmos de chave pública já existentes Ex.: algoritmo de Diffie e Hellman com curvas elípticas Sistemas criptográficos de curvas elípticas consistem em modificações de outros sistemas que passam a trabalhar no domínio das curvas elípticas, em vez de trabalharem no domínio dos corpos finitos TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 32

33 Criptografia de Curvas Elípticas (ECC) - 4 Possuem o potencial de proverem sistemas criptográficos de chave pública mais seguros, com chaves de menor tamanho Muitos algoritmos de chave pública, como o Diffie - Hellman, o ElGamal e o Schnorr podem ser implementados em curvas elípticas sobre corpos finitos ECC resolvem um dos maiores problemas dos algoritmos de chave pública: o grande tamanho de suas chaves Os algoritmos de curvas elípticas atuais, embora possuam o potencial de serem rápidos, são em geral mais demorados do que o RSA TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 33

34 Grupo da curva elíptica Pode-se somar pontos em uma curva elíptica Isto torna a curva em um grupo TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 34

35 Funcionamento da ECC Fixe uma curva E e P E Chave secreta: inteiro positivo k Chave pública: Q = kp TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 35

36 ECC: Cifrando Alice conhece a curva E, o ponto P E e a chave pública Q Para cifrar M E : escolher r aleatoriamente e calcular (rp, rq+m) TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 36

37 ECC: Decifrando Bob conhece a curva E, o ponto P E e a chave secreta k Decifra (rp, rq+m) calculando: (rq+m)-k(rp)= r(kp)+m-k(rp)= M TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 37

38 Criptoanálise para quebra do ECC Calcular k conhecendo Q = kp Problema do Logaritmo Discreto TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 38

39 Considerações gerais sobre algoritmos assimétricos

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41 Ataques de força bruta em algoritmos criptográficos: TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 41

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43 Leitura Recomendada: Stallings, Willian. Network Security Essentials. 2 a Edição. Editora Prentice-Hall Capítulos 2 e 3 Stallings, William - Cryptography and Network Security: Principles and Practice. 3ª Edição. Prentice-Hall Capítulos 9 e 10 Terada, Routo - Segurança de Dados Criptografia em Redes de Computador. São Paulo. Edgard Blücher TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 43

44 Adicionais:D&H

45 Diffie-Hellman Objetiva apenas a distribuição de chaves - ou seja, não tem por objetivo realizar a cifragem de mensagens q - Número Primo, < q - raiz primitiva de q A B Gera Randômico X A < q; Calcula Y A = X A mod q Calcula K = (Y B ) X A mod q Gera Randômico X B < q; Calcula Y B = X B mod q Calcula K = (Y A ) X B mod q TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 45

46 Exemplo Diffie-Hellman: q = 97 = 5 X A = 36 Y A = 5 36 mod 97 = 50 X B = 58 Y B = 5 58 mod 97 = 44 K = Y B X A = mod 97 = 75 K = Y A X B = mod 97 = 75 K = 75 TOCI08 Segurança em Redes de Computadores 46