Avaliku v

1
Avaliku võtme Infrastruktuur(PKI)

• Ahto Buldas

2
Loengu sisu

• Avaliku võtmega krüptograafia kasutusalad
• Veidi ajaloost
• Sertifikaatide idee
• Klassikaline PKI
• Uuemad tehnoloogiad

3
Avaliku võtmega krüptograafia kaks funktsiooni

• Salastus
• Autentimine

4
Avaliku võtmega krüptograafia rakendusi

• Turvaline andmevahetus
• VPN
• Turvaline e-mail
• Juurdepääsu kontrollimine
• Andmebaasi kaitse
• Võrgu kaitse
• Serveri kaitse
• Digitaalallkiri

5
Visioon

• Igal Interneti kasutajal on oma salajane võti ja
  ta teab teiste kasutajate avalikke võtmeid

6
Avalike võtmete levitamise probleem

• Kuidas teha avaliku võtme autentne koopia
  kättesaadavaks kõigile potentsiaalseile allkirja
  kontrollijaile?
• Takistus
• Võtmete modifitseerimine võimaldab
  vahendusründeid.

7
Idee Avalikud võtmed telefoniraamatus

• Diffie ja Hellman pakkusid 1976. aastal välja
  idee, et avalike võtmete levitamiseks võiks
  kasutada telefoniraamatut, kus telefoninumbri
  asemel on avalik võti.
• Telefoniraamat esitatakse Internetis
  kättesaadava on-line teenusena.

8
Sertifikaatide idee

• 1978 -- Kohnfelder leidis, et avalikke võtmeid
  levitav globaalne on-line teenus ei ole teostatav
  suure kommunikatsiooni-vajaduse tõttu.
• Kohnfelder pakkus välja sertifikaatide idee iga
  telefoniraamatu kirje (sertifikaat) on eraldi
  allkirjastatud usaldatava teenusepakkuja poolt.

9
Sertifikaat

• Dokument, mis seostab isiku tema avaliku võtmega.

10
Sertifikaatide eelised

• Sertifikaate saab levitada üksteisest sõltumatult
  ja nende kontrolliks ei ole vaja iga kord
  pöörduda telefoniraamatu poole.
• Tänu sellele vähenevad sidevajadused ja
  sidevahendite koormus on ühtlasemalt jaotatud ei
  teki pudelikaela ühe võrgupunkti
  (telefoniraamat) juures.

11
Kuidas sertifikaate välja antakse?

• Sertifikaate annab välja usaldatav osapool --
  sertifitseerimiskeskus (Certification Authority).
  
• CA-l on sertifitseerimispõhimõtted --
  dokumenteeritud reeglistik, mis määrab kellele,
  kuidas ja milleks sertifikaate välja antakse.
• CA-l peab tõhusalt kaitsma oma salajast võtit.
• CA peab regulaarselt korraldama auditit oma
  turvalisuse hetkeolukorra selgitamiseks.

12
Sertifikaatide kasutamine
Piisab sellest, kui kõik teavad CA avalikku
võtit!
CA
CA
EA(X),
B
CA
CA
A
B
13
Ohud salajase võtme hoidmisel

• Võtme häving -- võtme omanik ei suuda enam
  teistega suhelda. Tuleb võtta uus sertifikaat.
• Võtme väärkasutus -- piiratud aja jooksul saab
  võimalikuks suhtlus tegeliku omaniku nimel ja
  konfidentsiaalsuse kadu. Ohtlik!
• Võtme vargus -- saab võimalikuks suhtlus tegeliku
  omaniku nimel piiramatu aja jooksul. Väga ohtlik!

14
Salajase võtme hoidmise viisid

• Lahtiselt arvutikettal
• Krüpteeritult arvutikettal
• Arvutiga ühendatud aparatuurses eriseadmes
  (kiipkaart jne).
• Klaviatuuriga kiipkaart
• Pihuarvuti

15
Ründed võtmele

• Passiivne rünne -- ründaja kopeerib arvuti sisu
  ja üritab sealt võtit leida.
• Aktiivne rünne -- ründaja modifitseerib arvutis
  töötavaid programme ja lisab ründeprogramme
  (Trooja hobused jne.)

16
Võti krüpteeritult kõvakettal

• Võti on parooliga krüpteerituna kõvakettal
• Eelis
• Krüpteerimine muudab võtme varguse passiivse
  ründe abil raskeks.
• Ohud ja puudused
• Säilib võtme varguse oht aktiivse ründe
  tulemusena.

17
Võti kiipkaardis

• Kiipkaart on kaitstud parooliga ning suudab
  teostada iseseisvalt krüpteerimisfunktsiooni.
• Eelis
• Muudab võtme varguse raskeks.
• Ohud ja puudused
• Parooli varguse oht
• Lisakulutused kaardile ja lugemisseadmele

18
Klaviatuuriga kiipkaart

• Eelis
• Parool sisestatakse kaardile otse, mitte arvuti
  kaudu ja parooli vargus muutub seetõttu raskeks.
• Ohud ja puudused
• Säilib väärkasutuse oht aktiivsete rünnete abil
  (arvutis olevad Trooja hobused jms.) -- kasutaja
  ei tea, mida tegelikult krüpteeritakse!
• Suhteliselt vähelevinud lahendus

19
Pihuarvuti

• Eelis
• Pisike kaasaskantav arvuti, mis suhtleb teiste
  arvutitega piiratud protokollistiku abil.
  Kasutaja saab vaadata krüpteeritavaid sõnumeid.
• Puudused ja ohud
• Laialt levinud pihuarvutid ei ole turvalisemad
  tavalisest kontoriarvutist.

20
Tühistuse vajalikkus

• Nagu nägime, ei ole olemas absoluutselt turvalist
  võtme hoidmise viisi, mistõttu tuleb rakendada
  organisatsioonilisi meetmeid.
• Kui võti satub volitamata isiku kätte, siis tuleb
  sertifikaat tühistada, st lõpetada isiku
  seostatus võtmega.

21
Tühistusega seonduvad probleemid

• Telefoniraamatu lahenduses on tühistus lihtne
  -- teata teenusele ja avalik võti kustutatakse
  telefoniraamatust.
• Sertifikaatidega lahenduses on tühistus tõsine
  probleem, sest sertifikaatide levik ei ole
  tsentraliseeritud -- aga justnimelt selleks
  sertifikaadid välja mõeldigi!
• Kuidas CA suudaks kiiresti tõkestada kehtetu
  sertifikaadi miljonite koopiate levikut?

22
TühistusnimekiriCertificate Revocation List -
CRL

• Analoogiline pangakaartide musta nimekirjaga.
• CA väljastab regulaarselt (näiteks kord päevas)
  tühistusnimekirju, mille ta signeerib oma
  salajase võtmega.
• Kõik kasutajad saavad hankida värske
  tühistusnimekirja ja kontrollida, kas
  suhtluspartneri sertifikaat mitte tühistatud
  pole.
• Tühistusnimekirja ei pea panema aegunud
  sertifikaate.

23
Tühistusnimekirjade puudused

• Vastavalt NIST uurimustele tühistatakse 10
  sertifikaatidest enneaegselt, mistõttu
  tühistusnimekirjad võivad olla väga mahukad.
• Tühistusnimekirjade massiline allalaadimine
  tekitab uuesti kommunikatsiooniprobleemi.
• Viivitus -- kui tühistusnimekirju uuendatakse
  kord päevas, siis info tühistuse kohta hilineb
  keskmiselt pool päeva -- selle aja jooksul võib
  ründaja nii mõndagi korda saata!

24
Kompromiss ajakohasus vs. kommunikatsioon

• Ajakohasuse tagamiseks võib tühistusnimekirju
  sagedamini uuendada.
• Sagedasem uuendamine aga tähendab nende
  sagedasemat allalaadimist ja suurendab
  kommunikatsioonivajadusi ...

25
Kehtivuse kontroll sidusresiimis

• Tühistusnimekirjad sisaldavad kasutajale palju
  ülearust informatsiooni.
• Kasutajat huvitab vaid ühe sertifikaadi kehtivus.
• Seega oleks väga kasulik on-line teenus, mis
  annaks ühe sertifikaadi kohta vastuse, kas ta on
  tühistatud või ei ole.

26
OCSP protokoll

• Klient saadab päringuga sertifikaadi numbri.
• Server vastab, kas sertifikaat on enneaegselt
  tühistatud või mitte. Vastus sisaldab
• - sertifikaadi numbrit
• - kehtivusinfot (tühistatud/mittetühistatud)
• - vastuse enda kehtivusaega
• Server signeerib vastuse oma salajase võtmega

27
Klassikaline PKI mudel
Kataloogi- teenus
Sertifikaadid ja CRL
CA
Sertifikaadid ja CRL
OCSP
Avaldus
Sertifikaat
Kehtivusinfo
Võtme omanik
PKI kasutaja
Kommunikatsioon
28
OCSP puudused

• Toob sisse täiendava usaldatud osapoole -- OCSP
  serveri. Serveri vastus ei tarvitse olla
  kooskõlas CA-lt saadud informatsiooniga.
• Arvutusmahukas -- iga vastus vajab eraldi
  digitaalsignatuuri, mis on aeganõudev ilma
  eriaparatuuri abita.
• Tarkvaralahendused - kümned vastused sekundis
• Aparatuursed - sajad vastused sekundis

29
Lahendused puudustele

• Kolmanda osapoole elimineerimiseks
  organiseeritakse tühistusnimekiri ümber, nii et
  CA digitaalsignatuur oleks kontrollitav ühe kirje
  kaupa.
• Vastuseid kehtivuspäringutele ei signeerita
  eraldi, vaid kasutatakse CA poolt
  tühistusnimekirjale antud digitaalsignatuuri.
• Kõike seda võimaldavad nn. Merklei puud.

30
Merklei puu
h-krüptograafiline räsifunktsioon
dh1234h(h12,h34)
d
h12h(x1,x2)
h34h(x3,x4)
h34
x1 x2 x3 x4
x1 x2
Elemendi x1 autentimistee
Merklei puu hulgale x1,x2, x3, x4

• Võimaldab saada lühikest (pikkus log n) tõestust
  (autentimistee), et element x on hulgas x1xn.

31
Merklei puu kasutamine tühistusnimekirjades

• Tühistusnimekirja elemendid on puu lehed.
• CA signeerib puu juure ja edastab lehed ning
  signatuuri on-line valideerimisteenusele.
• Kui teenuse osutaja saab päringu sertifikaadi
  numbriga, mis oli tühistatud, siis saadetakse
  talle vastu CA signatuur ja autentimistee.
• NB! Võib säilitada ka kehtivate sertifikaatide
  nimekirja. Siis saab anda tõestuse, et
  sertifikaat kehtib!

32
Merklei puu kasutamine signeerimise
kiirendamiseks

• Teenuse osutaja kogub päringuid ja moodustab
  kõigi vastusteste hulgast Merklei puu.
• Teenuse osutaja signeerib puu juure ja edastab
  signatuuri päringu tegijatele, lisaks ka
  tõestuse, et vastus kuulub kõigi vastuste hulka.
• Võimaldab massilist ja odavat signatuuride
  moodustamist. Kaob vajadus aparatuursete
  kiirendite järele -- mitu tuhat korda efektiivsem
  traditsioonilisest digitaalsignatuuridest.

33
Vääramatu tõendus

• Merklei puu tagab efektiivselt ainult kas JAH
  vastuse tõestuse või EI vastuse tõestuse, kuid
  mitte mõlemat korraga.
• Kuidas tagada seda, et samale kehtivus-päringule
  ei saaks vastata erineval viisil?
• Selleks kasutatakse nn. autenditud otsimispuud
  (Authenticated Search Tree).

34
Autenditud otsimispuu
Autenditud otsimispuu hulgale S10,20,25,30.

• Igas tipus on otsimisvõti q ja räsiväärtus
  Hh(HL,q,HR), kus HL ja HR on vastavalt vasak- ja
  parempoolse järglase räsiväärtused.
• Autentimisteele lisatakse otsimisvõtmed.

35
Positiivne tõestus
Tõestus, et 25?S H1, 20, H3 H2, 30, NIL NIL,
25, NIL
Kontrollitavad seosed d h(H1, 20, H3)
20lt25 H3h(H2, 30, NIL) 25lt30 H2h(NIL, 25,
NIL) 2525

• NB! Ka positiivse tõestuse korral võrreldakse
  elementi otsimisvõtmetega.

36
Negatiivne tõestus
Tõestus, et 24?S H1, 20, H3 H2, 30, NIL NIL,
25, NIL
Kontrollitavad seosed d h(H1, 20, H3)
20lt24 H3h(H2, 30, NIL) 24lt30 H2h(NIL, 25,
NIL) 24lt25 NIL

• Negatiivne tõestus näitab, et sellel kohal, kus
  otsitav element järjestuse mõttes peaks olema, on
  tühi koht (NIL).

37
Vääramatu tõenduse algoritmid

• D - lühendialgoritm, mis hulgale S seab
  vastavusse lühendi dD(S).
• P - tõestusalgoritm, mis paarile (x,S) seab
  vastavusse tõestuse p P(x,S).
• V - kontrollialgoritm, mis iga kolmiku (x,d,p)
  kohta ütleb kas jah või ei.
• Korrektsus Iga x?S korral V(x,D(S),P(x,S))
  jah Iga x?S korral V(x,D(S),P(x,S)) ei
• Turvalisus Raske on leida nelikut x,d,p,p-,
  nii et
• V(x,d,p) jah ja V(x,d,p-) ei.

38
Kokkuvõte

• Avaliku võtme infrastruktuuri areng on teinud
  ringi -- alustati telefoniraamatust ja jõuti
  sertifikaadi kontseptsioonini, seejärel tuldi
  uuesti tagasi on-line valideerimise juurde.
• Põhjused tehnoloogia arengu iseärasused --
  on-line ühendus ei ole enam probleem nagu ta seda
  oli seitsmekümnendatel aastatel.
• Klassikaline avaliku võtme infrastruktuur
  toetab küll kasutaja autentimist, kuid mitte
  tõestusväärtusega dokumentide teket.