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Um Mecanismo de Autenticação Baseado em ECDH para Redes IEEE 802.11 SBSeg 2010 Eduardo Ferreira de Souza Paulo André da S. Gonçalves.

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1 Um Mecanismo de Autenticação Baseado em ECDH para Redes IEEE SBSeg 2010 Eduardo Ferreira de Souza Paulo André da S. Gonçalves

2 Sumário Motivação e Problemas Abordados Trabalhos Relacionados Mecanismo Proposto Avaliação Experimental da Proposta Conclusões

3 Motivação Redes IEEE (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 i (WPA2) (2004) Emenda IEEE w (2009) Proteção aos quadros de dados Estende WPA e WPA2 adicionando proteção aos quadros de gerenciamento

4 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

5 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 PTK_2 PTK_1 PTK_3 PTK_1 PTK_2 PTK_3

6 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 recente emenda IEEE w PSK PTK_1 PTK_2

7 Motivação Redes IEEE 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)

8 2º Problema I nexistência de autenticação em redes abertas Não há criptografia na camada enlace Dados do usuário estão vulneráveis Olá !

9 Objetivo do Trabalho Uma solução aos 2 problemas Derivação indevida da PTK Falta de autenticação em redes abertas PSK PTK_1 PTK_2 Olá !

10 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 w PMK PTK PMK PTK

11 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 MIC PTK : Verificador de Integridade PTK = PRF (PMK, Pairwise key expansion, Min(AA, SA) || Max(AA, SA) || Min(ANonce, SNonce) || Max(ANonce, SNonce)) S S Define ANonce A A Define SNonce Calcula PTK Verifica MIC PTK Autenticação finalizada [AA, ANonce] [SA, SNonce, MIC PTK (…)] [AA, ANonce, MIC PTK (…)] [SA]

12 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

13 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

14 Derivação Indevida da PTK: Trabalhos Relacionados Resolving WPA Limitations in SOHO and Open Public Wireless Networks Não implementa a proposta Fraquezas Baseado no protocolo Diffie-Hellman (DH) N ecessita de chaves públicas grandes Grande overhead de processamento Utiliza a chave mestra diretamente na cifra de mensagens S S A A Cifra as msgs com a PMK Cálculo da chave K Cifra as msgs com K

15 Derivação Indevida da PTK: Trabalhos Relacionados Um Mecanismo de Proteção de Nonces para a Melhoria da Segurança de Redes IEEE i Não implementa a proposta Fraquezas Baseado no protocolo DH Necessita de chaves públicas grandes Grande overhead de processamento 6 mensagens trocadas S S A A Cálculo da chave K Cifra os nonces com K

16 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) DHECDH Tamanho, em bits, das chaves públicas

17 ECDH Permite que duas entidades derivem chaves seguras, mesmo que o canal de comunicação seja inseguro Baseado no problema do logaritmo discreto sobre curvas elípticas (problema NP)

18 ECDH S S A A [Apub] [Spub] Parâmetros de domínio: um campo finito F; uma curva elíptica E sobre F; e um ponto base G pertencente à E (1) A gera uma chave privada k A ; e calcula a chave pública Apub = k A × G (2) S gera uma chave privada k S ; e calcula a chave pública Spub = k S × G (2) S calcula K = k S × Apub (3) A calcula K = k A × Spub

19 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

20 Improved Handshake Spub e Apub: Chaves públicas Spriv e Apriv: Chaves privadas Ke: Chave elíptica (coord. x de K) S S A A [AA, Apub] [SA, Spub, MIC PTK (…)] [AA, Apub, MIC PTK (…)] [SA] PTK = PRF (PMK, Ke, Elliptic pairwise key expansion, 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 MIC PTK (4) S verifica MIC PTK (5) Autenticação finalizada; A e S possuem a PTK

21 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

22 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-way handshake? Depende da curva elíptica! O overhead introduzido pelo Improved Handshake é menor do que aquele introduzido pelos trabalhos relacionados?

23 Avaliação Experimental Implementação do Improved Handshake Desenvolvido para WPA, IEEE i (WPA2) e para tais protocolos com a emenda IEEE w Avaliado com as quinze curvas elípticas recomendadas pelo NIST Experimentos realizados em ambientes reais

24 Avaliação Experimental Mecanismo Aumento Médio por Mensagem (bytes) Duração Total Média (ms) 4-way handshake --15,08 IH com P ,34 IH com P ,30 IH com P ,87 IH com P ,81 IH com P-52197,568,19 IH com K-16330,7520,10 IH com B-16330,7520,52 30, Aumento médio entre 27,5% e 37,5% Em Resolving WPA Limitations in SOHO and Open Public Wireless Networks o aumento é maior do que 85% Em Um Mecanismo de Proteção de Nonces para a Melhoria da Segurança de Redes IEEE i o aumento é maior do que 164% Duração entre 3 e 5 ms superior 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 ,34

25 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 i (WPA2) e estes dois acrescidos pela emenda IEEE w Permite simples extensão para redes abertas provê autenticação automática criptografia de informações na camada enlace sem o fornecimento de chaves pelos usuários

26 OBRIGADO Eduardo Ferreira de Souza Paulo André da S. Gonçalves


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