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Módulo: Autenticação e Hashes

Pré-Requisitos

São requisitos para essa aula o conhecimento de:

Redes de Computadores (conceitos gerais)
Módulo 1: princípios básicos
Módulo 2: ameaças
Módulo 3: requisitos
Módulo 4: malware e vírus
Módulo 5: worms
Módulo 6: engenharia social e carga útil
Módulo 7: contramedidas
Módulo 8: negação de serviço
Módulo 9: criptografia simétrica
Módulo 10: modos de operação

Tópicos

Autenticação de Mensagens
Hashes

Autenticação de Mensagens e Funções de Hash

Autenticação de Mensagens

A cifração fornece proteção contra ataques passivos (escutas)
Um requisito diferente é proteger contra ataques ativos (falsificação de dados e transações)
A proteção contra tais ataques é conhecida como autenticação de mensagens ou de dados
Diz-se que uma mensagem, arquivo, documento ou outra coleção de dados é autêntica quando é genuína e veio de sua fonte alegada
Autenticação de mensagens ou dados é um procedimento que permite que as partes comunicantes verifiquem se as mensagens recebidas ou armazenadas são autênticas
Os dois aspectos importantes são verificar se o conteúdo da mensagem não foi alterado e se a fonte é autêntica
Também podemos desejar verificar se uma mensagem foi transmitida no momento correto (se ela não foi artificialmente atrasada ou repetida) e a sequência em relação a outras mensagens que fluem entre duas partes

Autenticação usando cifração simétrica

Parece possível somente utilizar cifração simétrica para autenticação perfeita
- Afinal, como ambos lados possuem a mesma chave, somente assim seria possível cifrar ou decifrar uma mensagem válida
Reordenação de blocos em Modo ECB pode alterar o significado das mensagens!
Introdução de código de sequência ainda garante mais a ordenação das mensagens (como no IP), contra qualquer adulteração
- Porém, tipicamente não é colocado em cada bloco, pois pode introduzir novas fragilidades
Então, precisamos de mecanismos melhores para autenticação

Autenticação de mensagem sem cifração de mensagem

Estudamos possibilidades de autenticação sem cifração
- Introdução de um tag/etiqueta de autenticação nas mensagens
A mensagem em si não é cifrada e pode ser lida por qualquer um
É possível combinar essas técnicas com as de cifração, para oferecer confidencialidade e autenticação
- Tipicamente, são oferecidas separadamente
Três situações em que autenticação sem confidencialidade é preferível
- Mesma mensagem transmitida a diversos destinos: mais barato e confiável somente um destino verificar a autenticidade
- Carga computacional muito alta no destino, inviabilização decifração de tempo real
- Programas de computador podem ser executados como texto às claras mais uma etiqueta de autenticação, sem exigir decifração em tempo real

Message authentication code (MAC)

Técnica que usa chave secreta para geração de pequeno código de autenticação
Ambos lados A e B compartilham chave secreta comum $K_{AB}$
Aplicam função : $MAC_M = F(K_{AB}, M)$
Transmite mensagem mais o código
Destinatário efetua mesmo cálculo da origem e verifica autenticação
Introduzindo número de sequência nas mensagens (como no IP), é fácil garantir que a ordem esteja correta
NIST FIPS PUB 113 recomenda a utilização do DES para geração de tal código (cifra o texto e usa últimos 16 ou 32 bits como código)
Algoritmo não precisa ser reversível, como na cifração

Ilustração MAC

Fonte: Livro-texto {width=90%}

Função de hash de uma via

Alternativa é utilizar funções de hash de uma única via, ou não inversíveis
Assim como o MAC, é uma função H(M) que aceita M de tamanho variável e gera um código
Existe padding em M, até que atinja um comprimento fixo
Existe comprimento da mensagem, para evitar ataques de mensagem alternativa com mesmo hash
Não toma chave secreta como entrada!
Para prover autenticação, existem três formas:
- usando cifração simétrica, como visto anteriormente
- usando chave pública (a ver)
- usando um código secreto K adicionado no início e fim da mensagem, e uma função de hash de uma via (não exige cifração, mas ambos lados precisam conhecer K)
Veja ilustração do hash de uma via no próximo slide

Ilustração: hash de uma via

Fonte: Livro-texto {width=60%}

Funções de hash seguras

Existem seis requisitos básicos para produzir uma “impressão digital” de um arquivo ou mensagem (1-5 é hash fraco; com 6, é hash forte):

H pode ser aplicada a um bloco de dados de qualquer tamanho.
H produz uma saída de comprimento fixo.
H(x) é relativamente fácil de computar para qualquer x dado, tornando práticas implementações em hardware e em software.
Para qualquer código dado h, é inviável em termos computacionais achar x tal que H(x) = h. Uma função de hash com essa propriedade é denominada via ou resistente à pré-imagem.
Para qualquer bloco dado x, é inviável em termos computacionais achar $y \not= x$ tal que H(y) = H(x). Uma função de hash com essa propriedade é denominada resistente à segunda pré-imagem, às vezes denominada resistente a colisão fraca.
É inviável, em termos computacionais, achar qualquer par (x, y) tal que H(x) = H(y). Uma função de hash com essa propriedade é denominada resistente a colisão, às vezes, resistente a colisão forte.

Segurança de funções de hash

Assim como na cifração simétrica, existem dois tipos de ataque: criptoanálise e força bruta
A força de uma função de hash contra ataques de força bruta depende exclusivamente do comprimento do código de hash produzido pelo algoritmo
Como regra geral, para um tamanho $n$, temos:
- Resistência à pré-imagem: $2^n$
- Resistência à segunda pré-imagem: $2^n$
- Resistência à colisão: $2^{n/2}$ (birthday attack)
Em 1994, Van Oorschot e Wiener apresentaram uma máquina de 10 M USD para colisões de MD5 com 128 bits
- colisão encontrada em 24 dias
- tamanho de 128 bits visto hoje como inadequado!
- será que tentamos 128+32=160 bits? ainda suspeito…

FUNÇÕES SIMPLES DE HASH

Uma função de hash unidirecional ou segura usada na autenticação de mensagens, assinaturas digitais
Todas as funções hash processam a entrada de um bloco de cada vez de uma forma iterativa
Uma das funções hash mais simples é o XOR bit-by-bit de cada bloco: $C_i = b_{i1} \oplus b_{i2} \oplus … \oplus b_{im}$
- Verificação efetiva da integridade dos dados em dados aleatórios
- Menos eficaz em dados mais previsíveis
- Praticamente inútil para segurança de dados

Algoritmos de função de hash seguros

O Secure Hash Algorithm (SHA — algoritmo de hash seguro) foi desenvolvido pelo National Institute of Standards and Technology (NIST) e publicado como Padrão Federal de Processamento de Informações (FIPS 180) em 1993 (conhecida como SHA-0)
versão revisada foi publicada como FIPS 180-1 em 1995 (SHA-1)
O SHA-1 produz um valor de hash de 160 bits
Em 2002, o NIST produziu uma versão revisada do padrão, o FIPS 180-2, que definiu três novas versões do SHA
- comprimentos de valor de hash de 256, 384 e 512 bits, conhecidas como SHA-256, SHA-384 e SHA-512
- mesma estrutura subjacente e usam os mesmos tipos de operações de aritmética modular e binárias lógicas que o SHA-1
pesquisadores têm demonstrado que o SHA-1 é muito mais fraco do que o seu comprimento de hash de 160 bits sugere
- é necessário passar para as versões mais novas do SHA.
Em 2012, padronização do Keccak como SHA-3
Veja: https://en.wikipedia.org/wiki/Secure_Hash_Algorithms

Outras aplicações de funções de hash

Senhas

esquema no qual um hash de senha é armazenado por um sistema operacional em vez da senha em si. Assim, a senha verdadeira não pode ser recuperada por um hacker que obtenha acesso ao arquivo de senhas. Essa aplicação requer resistência à pré-imagem e talvez resistência à segunda pré-imagem.

Detecção de intrusão

Armazenar H(F) para cada arquivo em um sistema e proteger os valores de hash (por exemplo, em um CD gravável mantido em segurança). Poderemos determinar mais tarde se um arquivo foi modificando calculando novamente H(F). Um intruso precisaria mudar F sem mudar H(F). Essa aplicação requer resistência fraca à segunda pré-imagem.

Estrutura geral do SHA-2

IV criado com base 8 partes: 32 bits de dígitos fracionários dos primeiros 8 números primos (2..19)
64 rodadas de execução: cada rodada tem um valor de 32 bits retirado da raiz cúbica dos primeiros 64 primos (2..311)
- para SHA-512 são 80 rodadas
blocos de tamanho 512
- para SHA-512 é 1024
operações de shift, rotate, soma, etc
bastante complexo! veja próximos slides…
detalhes somente aqui: https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-2

Estrutura do SHA-512

Slides Kowada

Rodada SHA-512

Slides Kowada {width=70%}

HMAC para autenticação

O hash SHA-1 não é adequado para MAC, dado que não possui chave de entrada K
Diversas adaptações de algoritmos de hash com chave foram feitas, sendo a mais popular é o HMAC
O HMAC (Hash-based Message Authentication Code) ou código de autenticação de mensagem baseado em hash, publicado na RFC 2104
Funciona com função de hash subjacente e é comprovadamente seguro!
- Dado que a função de hash também seja segura
O HMAC trata a função de hash como uma “caixa-preta”, o que tem dois benefícios
- a implementação existente de uma função de hash pode ser usada como um módulo na implementação do HMAC
- caso seja necessário substituir uma função de hash dada em uma implementação de HMAC, basta remover o módulo de função de hash existente e instalar o novo módulo
Escolhido HMAC para implementação no IP Security (IPSec)
Algoritmo em poucas etapas (veja próximos slides)

HMAC - terminologia

H = função de hash subjacente (p. ex., SHA)
n = comprimento do código de hash produzido pela função de hash H
M = mensagem passada como entrada para o HMAC (incluindo o preenchimento especificado na função de hash subjacente)
L = número de blocos em M
$Y_i$ = i-ésimo bloco de M, $0 \leq i \leq (L - 1)$
b = número de bits em um bloco
K = chave secreta; se o comprimento da chave for maior que b, a chave é passada como entrada para a função de hash para produzir uma chave de $n$ bits; o comprimento recomendado é $\geq n$
$K^+$ = K preenchida com zeros à esquerda de modo que o resultado tenha b bits de comprimento
ipad = 00110110 (36 em hexadecimal) repetido b/8 vezes
opad = 01011100 (5C em hexadecimal) repetido b/8 vezes

Ilustração do HMAC

Livro-texto {height=90%}

OUTRAS FUNÇÕES DE HASH SEGURAS

Mais baseado no projeto de funções de hash iteradas
- Se a função de compressão for resistente à colisão…
- …então é função de hash iterada resultante também é
MD5 (RFC1321)
- Foi um hash amplamente utilizado desenvolvido por Ron Rivest
- Produz hash de 128 bits, agora muito pequeno
- Também tem preocupações criptoanalíticas
Whirlpool (hash endossado pela NESSIE)
- Desenvolvido por Vincent Rijmen e Paulo Barreto
- Função de compressão é derivada do AES
- Produz hash de 512 bits

Discussão

Breve discussão

Cenário atual

Como o MAC pode resolver um problema de autenticação envolvendo um email? Como as partes poderiam compartilhar uma mesma chave secreta para esse fim?
Veja próximo módulo sobre Criptografia de Chave Pública

Agradecimentos

Pessoas

Em especial, agradeço aos colegas que elaboraram bons materiais, como o prof. Raphael Machado, Kowada e Viterbo cujos conceitos formam o cerne desses slides.

Estendo os agradecimentos aos demais colegas que colaboraram com a elaboração do material do curso de Pesquisa Operacional, que abriu caminho para verificação prática dessa tecnologia de slides.

Software

Esse material de curso só é possível graças aos inúmeros projetos de código-aberto que são necessários a ele, incluindo:

pandoc
LaTeX
GNU/Linux
git
markdown-preview-enhanced (github)
visual studio code
atom
revealjs
groomit-mpx (screen drawing tool)
xournal (screen drawing tool)
…

Empresas

Agradecimento especial a empresas que suportam projetos livres envolvidos nesse curso:

github
gitlab
microsoft
google
…

Reprodução do material

Esses slides foram escritos utilizando pandoc, segundo o tutorial ilectures:

https://igormcoelho.github.io/ilectures-pandoc/

Exceto expressamente mencionado (com as devidas ressalvas ao material cedido por colegas), a licença será Creative Commons.

Licença: CC-BY 4.0 2020

Igor Machado Coelho