CAN304 W5

CAN304 W5

Designing security protocols

Security protocols：

A series of steps involving two or more parties designed to accomplish a task with suitable security

涉及两方或多方的一系列步骤，旨在以适当的安全性完成任务

Sequence is important

这些步骤的顺序很重要

Different protocols assume different levels of trust between participants

不同的协议假设参与者之间的信任程度不同。

例如：Payment protocol，Smart lock protocol。

Goals of security protocols

Each protocol is intended to achieve some very particular goal(like setting up a key between two parties)

每个协议都旨在实现一些非常特殊的目标

Protocols may only be suitable for that particular purpose

协议可能只适用于该特定目的

Important secondary goal is minimalism

重要的次要目标是极简主义

• Fewest possible messages
• Least possible data
• Least possible computation

Trusted arbitrator： A disinterested third party trusted by all legitimate participants. Arbitrators often simplify protocols, but add overhead and may limit applicability（所有合法参与者都信任的无私的第三方。Arbitrators 通常会简化协议，但会增加开销，并可能限制适用性）

Key establishment protocols

Often, we want a different encryption key for each communication session

通常，我们希望每个通信会话使用不同的加密密钥。但是，我们如何将这些钥匙交给参与者？

session: period of time over which parties are willing to maintain state

Key establishment 是一种加密机制，它为通过开放网络进行通信的两方或多方提供共享密钥。

类别：

• Key transport protocols

  ​ the shared secret key is created by one party and securely transmitted to the second party.

  • 在密钥传输协议中，共享密钥由一方创建并安全地传输给另一方

• Key agreement (or exchange) protocols

  ​ both parties contribute information which is used to derive the shared secret key

  • 在密钥交换协议中，双方都提供用于派生共享密钥的信息

Key transport protocols

Key transport with private-key cryptography

Alice 和 Bob 想用新密钥安全地交谈，他们都信任 arbitrators Trent，并假设 Alice 和 Bob 各自与 Trent 共享一个密钥。

最初，Alice 和 Trent 分享 K_A，Bob 和 Trent 分享 K_B。

Key establishment：

1. Alice -> Trent： Alice 请求和 Bob 的会话密钥

2. Trent -> Alice：\(\{K_S\}_{K_A}, \ \{K_S\}_{K_B}\) (Trent 生成密钥 K_S，并分别使用 K_A 和 K_B 加密 K_S，然后把加密后的内容发给 Alice)

3. Alice： \(K_S \ \leftarrow \ \{K_S\}_{K_A}\) (Alice 使用 K_A 解密得到 K_S)

   Alice -> Bob：\(\{K_S\}_{K_B}\) (Alice 把剩下的内容发给 Bob)

4. Bob： \(K_S \ \leftarrow \ \{K_S\}_{K_B}\) (Bob 使用 K_B 解密得到 K_S，K_S 即他们交流所使用的密钥)

What has the protocol achieved?

• Alice 和 Bob 都有一个新的会话密钥，会话密钥是使用只有 Alice 和 Bob 知道的密钥传输的，Alice 和 Bob 都知道 Trent 参加了
• 不过这有一个漏洞

The man-in-the-middle attack

假如有一个攻击者 Mallory，他也是 Trent 的合法用户。当 Alice 索求和 Bob 的密钥时，Mallory 把信息改成 Alice 和 Mallory 的密钥，然后他就会和 Alice 共享一个密钥；之后 Mallory 再索求和 Bob 的密钥，然后他就和 Bob 也共享密钥；这样 Alice 和 Bob 以为他们在交流，实际上他们的信息经过了 Mallory 的中转，Mallory 可以窃听 Alice 和 Bob 的对话。

这个问题是缺乏身份验证 ( lacking authentication) 导致的，可以通过使用MAC（using MAC）或在消息中包括时间戳/计数器和身份（including timestamps/counter and identity in the messages）

Key transport with public key cryptography

此问题中，没有受信任的 arbitrator，Alice 和 Bob 互相发送他们的公钥。

Alice 生成一个会话密钥并将其发送给 Bob，用 Bob 的公钥加密，用Alice 的私钥签名；Bob 验证签名，并用他的私钥解密 Alice 的消息，然后使用共享会话密钥加密会话。

Man-in-the-middle attack

攻击者 Mallory 也有一对公钥和私钥，在 Alice 和 Bob 交换公钥时，Mallory 把自己的公钥发给双方，之后 Alice 和 Bob 以为他们在交流，实际上他们的信息经过了 Mallory 的中转，Mallory 可以窃听 Alice 和 Bob 的对话。

这个问题可以通过以下方法解决：

• PKI: public-key infrastructure
  • CA (certificate authority) issues public-key certificates，证书中会包含验证身份的信息
• Identity-based cryptography
  • identity 是（或可用于生成）公钥

Key exchange protocols

Basic ECDH

x,y是私钥，k是协商出的密钥

通过 ECDDH 来共享密钥，最后 k1 和 k2 是相等的 (因为 \(xyG = yxG\) )。

Man-in-the-middle to basic ECDH

Reason： Lack of authentication

Solution： Introduce authentication in the protocol

原因：缺乏身份验证

解决方案：在协议中引入身份验证

ECDH-based AKE example: PW-AKE

• IEEE 802.15.6 Password Authenticated Association

Other applications of security protocols

A smart lock system

Suppose in unlock process,the lock only support short-range bluetooth connection for security purpose.

假设在开锁过程中，为了安全起见，锁只支持短距离蓝牙连接。

• Task/purpose

  ​ When receive a "unlock" request from the host, unlock

  ​ When receive a "unlock" request from host authorized guest,unlock

  ​ Otherwise, keep locked

  • 当收到主机 (host) 的“解锁”请求时，解锁
  • 当收到来自主人授权客人 (guest) 的“解锁”请求时，解锁
  • 否则，保持锁定

• Security goals

  • Integrity: the request if originated from the host and not changed improperly(完整性：请求是从主机组织而来的，并且没有被不正确地更改)

Design 1: using private-key tools

最初，锁和主机（手机）共享一个密钥 k。

Protocol I: host unlock；Protocol II: guest unlock。

主要思路是 host 根据密钥和随机数 r 生成 MAC tag，然后锁验证 tag。

Design 2: using public-key tools

最初，锁存储主机的公钥。

Protocol I: host unlock；Protocol II: guest unlock。

主要思路是 host 根据私钥和随机数 r 生成签名，然后锁用公钥验证签名。