Um Mecanismo de Autenticação Baseado em ECDH para Redes
IEEE 802.11
SBSeg 2010
Eduardo Ferreira de Souza
Paulo André da S. Gonçalves
Sumário
Motivação e Problemas Abordados
Trabalhos Relacionados
Mecanismo Proposto
Avaliação Experimental da Proposta
Conclusões
Motivação
Redes IEEE 802.11 (ou Wi-Fi)
Cada vez mais utilizadas
Necessidade de se prover alto grau de segurança
Protocolos de segurança para a camada enlace
WPA (2003) e IEEE 802.11i (WPA2) (2004)
Emenda IEEE 802.11w (2009)
Proteção aos
quadros de dados
Estende WPA e WPA2
adicionando proteção aos
quadros de gerenciamento
Motivação
Dois métodos de autenticação nos protocolos citados
Autenticação corporativa
Servidor de autenticação
Autenticação pessoal
Chaves pré-compartilhadas (PSK)
Chave_1
Chave_2
Chave_3
PSK
PSK
PSK
Motivação
O processo de autenticação permite a derivação da chave PTK
PTK (Pairwise Transient Key) Representa um conjunto de
chaves temporárias
Exclusiva para cada par cliente/ponto de acesso
Utilizada, principalmente, para a criptografia de quadros e verificação da integridade
Seu sigilo é importante!
Chave_1
Chave_2
Chave_3
PSK
PSK
PSK
PTK_2
PTK_1
PTK_3
PTK_1
PTK_2
PTK_3
1º Problema
Método de autenticação pessoal é falho
A derivação da PTK de qualquer cliente pode ser reproduzida por um atacante que conheça a PSK
Vulnerabilidade independe do protocolo usado
WPA, WPA2 e a recenteemenda IEEE 802.11w
PSK
PSK
PSK
PTK_1
PTK_1
PTK_2
PTK_2
Motivação
Redes IEEE 802.11 podem ser abertas
Comuns em shoppings, aeroportos e redes domésticas
Não há processo de autenticação de dispositivos na rede sem fio
Os usuários podem precisar, no máximo, fornecer credenciais (e.g. CPF ou login/senha) para acesso à Internet
Tráfego passa sem criptografia exceto quando a mesma é provida por camadas superiores (e.g. HTTPS)
2º Problema
Inexistência de autenticação em redes abertas
Não há criptografia na camada enlace
Dados do usuário estão vulneráveis
Olá!
Objetivo do Trabalho
Uma solução aos 2 problemas Derivação indevida da PTK
Falta de autenticação em redes abertas
PSK
PSK
PSK
PTK_1
PTK_1
PTK_2
PTK_2Olá!
O 4-Way Handshake Ocorre em ambos os métodos de autenticação
Objetivos autenticar mutuamente o cliente e o ponto de
acesso permitir a derivação de uma PTK comum e
exclusiva a eles
Chave mestra (PMK) na autenticação pessoal é a própria PSK na autenticação coorporativa ela é única para
cada cliente
Mensagens trocadas pequenas variações de acordo com o protocolo
usado
Descrição genérica do 4-way handshake principais parâmetros trocados considera o WPA, o WPA2 e a emenda IEEE
802.11w
PMKPTK
PMKPTK
O 4-Way Handshake
• S e A: Cliente e AP
• SA e AA: MACs de S e de A
• SNonce e ANonce: Nonces de S e de A
• MICPTK: Verificador de Integridade
PTK = PRF (PMK, “Pairwise key expansion”, Min(AA, SA) || Max(AA, SA) || Min(ANonce, SNonce) || Max(ANonce, SNonce))
S
Define ANonce
A
Define SNonceCalcula PTK
Calcula PTKVerifica MICPTK
Verifica MICPTK
Autenticação finalizada
[AA, ANonce]
[SA, SNonce, MICPTK(…)]
[AA, ANonce, MICPTK(…)]
[SA]
Derivação Indevida da PTK
Dentre os parâmetros da PRF, apenas a PMK é mantida em sigilo PTK = PRF (PMK, “Pairwise key expansion”, Min(AA, SA)
|| Max(AA, SA) || Min(ANonce, SNonce) || Max(ANonce, SNonce))
Se um atacante pertencer à própria rede (no caso de autenticação pessoal): Todos os parâmetros da PRF serão conhecidos apenas
escutando-se o canal
Ele poderá derivar as chaves PTK de todos os clientes da rede
Derivação Indevida da PTK: Trabalhos Relacionados
Usam o protocolo de acordo de chaves Diffie-Hellman (DH)
Permite que duas entidades derivem chaves seguras, mesmo que o canal de comunicação seja inseguro
Baseado no problema do logaritmo discreto
Derivação Indevida da PTK: Trabalhos Relacionados
Resolving WPA Limitations in SOHO and Open PublicWireless Networks Não implementa a proposta
Fraquezas
Baseado no protocolo Diffie-Hellman (DH)
Necessita de chaves públicas grandes
Grande overhead de processamento
Utiliza a chave mestra diretamente na cifra de mensagens
S A
Cifra as msgscom a PMK
Cálculo da chave K
Cifra as msgscom K
Derivação Indevida da PTK: Trabalhos Relacionados
Um Mecanismo de Proteção de Nonces para a Melhoria da Segurança de Redes IEEE 802.11i
Não implementa a proposta
Fraquezas
Baseado no protocolo DH
Necessita de chaves públicas grandes
Grande overhead de processamento
6 mensagens trocadas
S A
Cálculo da chave K
Cifra os noncescom K
DH vs ECDH
DH exige chaves públicas significativamente maiores
DH exige maior processamento, espaço de armazenamento e consumo de energia
Ataques em tempo subexponencial para DH
Ataques apenas em tempo exponencial para ECDH
Base da proposta deste trabalho: Protocolo Diffie-Hellman sobre Curvas Elípticas (ECDH)
DH ECDH
1.024 63
3.072 283
7.680 409
15.360 571
Tamanho, em bits, das chaves públicas
ECDH
S A
2
3
1[Apub]
[Spub]
Parâmetros de domínio: umcampo finito F; uma curvaelíptica E sobre F; e um pontobase G pertencente à E
(1) A gera uma chave privadakA; e calcula a chave públicaApub = kA G
(2) S gera uma chave privadakS; e calcula a chave públicaSpub = kS G
(2) S calcula K = kS Apub
(3) A calcula K = kA Spub
Mecanismo Proposto
Denominado Improved Handshake (IH) Adaptação do 4-way handshake Baseado em ECDH
Visa solucionar ambos os problemas apresentados Derivação indevida da PTK Falta de autenticação em redes abertas
Requisitos Ter baixo overhead em relação aos trabalhos relacionados Não aumentar significativamente a duração do 4-way handshake
Propõe adicionalmente: Uso das chaves públicas como nonces além do uso normal delas para
o cálculo da chave elíptica
Improved Handshake
• Spub e Apub: Chaves públicas
• Spriv e Apriv: Chaves privadas
• Ke: Chave elíptica (coord. x de K)
S A
[AA, Apub]
[SA, Spub, MICPTK(…)]
[AA, Apub, MICPTK(…)]
[SA]
2
4
5
3
1
PTK = PRF (PMK, Ke, “Elliptic pairwise keyexpansion”, Min(AA, SA) || Max(AA, SA) || Min(Apub, Spub) || Max(Apub, Spub))
(1) A gera Apriv e Apub
(2) S gera Spriv e Spub; S calcula Ke; S deriva PTK
(3) A calcula Ke;A deriva PTK;A verifica MICPTK
(4) S verifica MICPTK
(5) Autenticação finalizada; A e S possuem a PTK
Improved Handshake
Permite simples extensão para Redes Abertas Adaptação para prover autenticação automática, sem a necessidade
do fornecimento de chaves pelos usuários Pequena modificação nos argumentos utilizados na derivação da PTK
Antes ... PTK = PRF (PMK, Ke, “Elliptic pairwise key expansion”, Min(AA, SA) || Max(AA, SA) || Min(Apub, Spub) || Max(Apub, Spub))
Depois ... PTK = PRF (Ke, “Elliptic pairwise key expansion”, Min(AA, SA) || Max(AA, SA) || Min(Apub, Spub) || Max(Apub, Spub))
A segurança da PTK é garantida pela segurança da Ke
Uso em redes com método de autenticação corporativa O Improved Handshake é inerentemente mais seguro Não há necessidade de configurações adicionais
Avaliação Experimental
Qual é a curva elíptica mais adequada para uso com o Improved Handshake?
Qual a duração média do Improved Handshake? Depende da
curva elíptica!
Qual o aumento médio no tamanho das mensagens do Improved Handshake quando comparado ao 4-wayhandshake? Depende da curva elíptica!
O overhead introduzido pelo Improved Handshake é menor do que aquele introduzido pelos trabalhos relacionados?
Avaliação Experimental
Implementação do Improved Handshake
Desenvolvido para WPA, IEEE 802.11i (WPA2) e para tais protocolos com a emenda IEEE 802.11w
Avaliado com as quinze curvas elípticas recomendadas pelo NIST
Experimentos realizados em ambientes reais
Avaliação Experimental
MecanismoAumento
Médio por Mensagem
(bytes)
Duração Total
Média (ms)
4-way handshake
-- 15,08
IH com P-192 36 18,34
IH com P-224 42 20,30
IH com P-256 48 23,87
IH com P-384 72 39,81
IH com P-521 97,5 68,19
IH com K-163 30,75 20,10
IH com B-163 30,75 20,52
30,75
30,75
42
36
Aumento médio entre 27,5% e 37,5%
Em “Resolving WPA Limitationsin SOHO and Open PublicWireless Networks” o aumento é maior do que 85%
Em “Um Mecanismo de Proteção de Nonces para a Melhoria da Segurança de Redes IEEE 802.11i” o aumento é maior do que 164%
Duração entre 3 e 5 mssuperior ao 4-way handshake
Tais acréscimos podem ser considerados baixos, visto que o tempo do 4-way handshake foi de 15,08 ms
18,34
20,30
20,10
20,52
* O tamanho médio das mensagens do 4-way handshake é de 112 bytes
IH com P-192 36 18,34
Conclusões
O Improved Handshake introduz menor overhead do que os trabalhos relacionados e provê um grau de segurança superior
Curva elíptica P-192 se mostra mais adequada aumento médio de 36 bytes no tamanho das mensagens
trocadas durante o handshake aumenta o handshake em pouco mais de 3 ms
Pode ser usado com todos os protocolos WPA, IEEE 802.11i (WPA2) e estes dois acrescidos pela emenda
IEEE 802.11w
Permite simples extensão para redes abertas provê autenticação automática criptografia de informações na camada enlace sem o
fornecimento de chaves pelos usuários
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