Протоколы Internet
Аутентификация в Интернет
6.4.9 Аутентификация в Интернет
Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)
1. Введение
Аутентификационные требования вычислительных систем и сетевых протоколов варьируются в весьма широких пределах. Пароли, которые уязвимы для атак пассивного типа, не могут удовлетворить требованиям современного Интернет [CERT94]. А помимо пассивных атак в сетевой среде сплошь и рядом предпринимаются активные методы [Bellovin89, Bellovin92, Bellovin93, CB94, Stoll90].
2. Определения и терминология, используемые в данном документе
Активная атака
. Попытка некорректной модификации данных с целью аутентификации или авторизации с помощью вставления ложных пакетов в поток данных или их модификации.
Асимметричная криптография
. Криптографическая система, которая использует различные ключи для шифрования и дешифрования. Эти два ключа являются математически связанными. Называется также криптографией с общедоступным ключом.
Аутентификация
. Идентификация источника информации.
Авторизация
. Предоставление прав доступа на основе аутентификации.
Конфиденциальность
. Защита информации, так чтобы лицо, не авторизованное для доступа к данным, не могло их читать, даже если имеется доступ к соответствующему каталогу или сетевому пакету.
Шифрование
. Механизм, используемый для обеспечения конфиденциальности.
Целостность
. Защита информации от неавторизованной модификации.
Сертификат ключа
. Информационная структура, состоящая из общедоступного ключа, идентификатора лица, системы и информации, аутентифицирующей ключ и ассоциацию общедоступного ключа с идентификатором. Ключи, используемые PEM, являются примером сертификата ключа [Kent93].
Пассивная атака
. Атака на систему аутентификации, которая не предполагает введения каких-либо данных в поток, но базируется на возможности мониторинга информации, которой обмениваются другие партнеры. Эта информация может быть использована позднее.
Исходный текст (Plain-text
). Незашифрованный текст.
Атака воспроизведения (Replay Attack)
. Атака на систему аутентификации путем записи и последующего воспроизведения ранее посланных корректных сообщений или их частей. Любая неизменная информация, такая как пароль или биометрические данные могут быть записаны и использованы позднее для имитации аутентичности.
Симметричная криптография
. Система шифрования, которая использует один и тот же ключ для шифрования и дешифрования. Иногда называется криптографией с секретным ключом.
3. Аутентификационные технологии
Существует некоторое число различных классов аутентификации, начиная с полного ее отсутствия до очень строгих механизмов контроля. Для различных целей могут использоваться разные виды аутентификации.
3.1. Отсутствие аутентификации
Простейшая аутентификационная система не имеет аутентификации вовсе. Изолированная от сети частная персональная ЭВМ является примером, где аутентификация не нужна. Другим примером может служить автономная общедоступная рабочая станция, обслуживающая некоторые конференции, где раскрытие информации или ее модификация не являются критическими.
3.2. Аутентификационные механизмы, уязвимые для пассивных атак
Простая проверка пароля является наиболее общей формой аутентификации. Простые аутентификационные проверки имеют различные формы: ключ может быть паролем, запомненным пользователем, он может быть физическим или электронным объектом, принадлежащим пользователю, он может быть уникальной биологической характеристикой. Простые аутентификационные системы считаются "раскрывающими", так как, если ключ передается по сети, он может быть перехвачен злоумышленником. Имеются сообщения об успешных пассивных атаках в Интернет с помощью “расколотых” уже ЭВМ [CERT94]. Механизмы раскрывающей аутентификации уязвимы для атак “воспроизведения”. Ключи доступа могут быть запомнены в атакуемой машине и при наличии бреши в системе безопасности можно получить доступ ко всем паролям. Обычно форма хранения паролей допускает их сверку, но не чтение.
3.3. Аутентификационные механизмы, уязвимые для активных атак
Не раскрывающие парольные системы созданы для предотвращения атак воспроизведения. Разработано несколько систем для генерации не раскрываемых паролей. Система аутентификации S/Key (TM), разработанная в Bellcore генерирует много одноразовых паролей из одного секретного ключа [Haller94]. Она не использует физических объектов (token), поэтому удобна для аутентификации машина-машина. Аутентификация S/Key не требует запоминания секретного ключа пользователя, что является преимуществом при работе с ненадежными вычислительными системами. В ее сегодняшнем виде система S/Key уязвима для переборных атак со словарем в случае неудачного выбора пароля. Система CHAP протокола PPP не является раскрывающей, но применима только локально [LS92, Simpson93].
3.4. Аутентификационные механизмы, не уязвимые для пассивных атак
По мере расширения применения сетей растет необходимость более жесткой аутентификации. В открытых сетях большое число пользователей могут получить доступ к информации, переносимой по сети. При желании пользователь может сымитировать ситуацию, при которой посланная им информация будет восприниматься, как посланная другим сетевым объектом.
Более мощные аутентификационные системы используют вычислительные возможности партнеров, участвующих в процессе аутентификации. Аутентификация может быть однонаправленной, например аутентификация пользователей в вычислительной системе, или она может быть взаимной, когда оба партнера должны идентифицировать друг друга. Некоторые системы аутентификации используют криптографические методы и формируют общий секретный код (например, ключ сессии), который может быть использован при последующем обмене. Например, пользователю после завершения процесса аутентификации может быть предоставлен аутентификационный билет, который может быть использован для получения других услуг без дополнительной аутентификации. Эти системы аутентификации могут также обеспечить, когда требуется, конфиденциальность (используя шифрование) при передаче данных по незащищенным сетям.
4. Криптография
Криптографические механизмы широко используются для осуществления аутентификации в современных сетях. Существует два базовых вида криптографии (симметричная и асимметричная). Одной из фундаментальных проблем для криптографии является транспортировка секретных ключей.
4.1. Симметричная криптография
Симметричная криптография включает в себя все системы, которые используют один и тот же ключ для шифрования и дешифрования. Таким образом, если кто-либо получит ключ, он сможет дешифровать и читать информацию, зашифрованную с его помощью. Такое лицо сможет шифровать и посылать любые данные, выдавая их за информацию, посланную легальным владельцем этого секретного ключа. Это означает, что знание ключа нежелательным третьим лицом полностью компрометирует конфиденциальность системы. Следовательно, используемые ключи должны доставляться безопасным способом, либо курьером, либо с применением специального протокола пересылки ключей, лучшим из которых является алгоритм Нидхэма-Шрёдера [NS78, NS87]. Широко используется алгоритм DES (Data Encryption Standard), который был стандартизован для защиты правительственной информации в США. Он представляет собой один из лучших симметричных алгоритмов шифрования [NBS77].
Хорошо известной системой, работающей в открытых сетях, является система аутентификации Kerberos (TM), которая была разработана в рамках проекта Athena в MIT [SNS88, BM91, KN93]. Система Kerberos базируется на алгоритме DES и использует специальный сервер, который хранит секретные ключи всех пользователей и услуг. Он может генерировать коды, которые позволяют пользователям и процессам идентифицировать себя в других системах. Как в любой схеме с распределенной аутентификацией, эти верительные коды работают в пределах местного административного домена. Следовательно, если пароль пользователя раскрыт, злоумышленник будет способен маскироваться под этого пользователя и проникнуть в любую систему, обслуживаемую Kerberos. Так как сервер Kerberos знает все секретные ключи, он должен быть достаточно безопасным. Ключи сессии Kerberos могут использоваться для обеспечения конфиденциальности при обмене между любыми объектами в пределах зоны действия сервера.
4.2. Асимметричная криптография
В конце 1970, главным прорывом в криптографии стала разработка асимметричной криптографии. Здесь для шифрования и дешифрования используются разные ключи, которые генерируются совместно. Наилучшая асимметричная система базируется на алгоритме, предложенном Rivest, Shamir и Adleman, и называется по инициалам авторов RSA [RSA78].
SPX представляет собой экспериментальную систему, которая преодолевает ограничения системы Kerberos путем применения криптографии с общедоступным ключом RSA [TA91]. SPX предполагает глобальную иерархию сертифицирующих узлов по одному или более для каждого из партнеров. Она использует цифровую подпись, которая состоит из строки кодов, зашифрованных секретным ключом отправителя, и которая может быть проверена с помощью соответствующего общедоступного ключа. Общедоступные ключи предполагаются правильными, так как получены с сертифицирующей подписью. Критические секции аутентификационного обмена шифруются посредством общедоступных ключей получателя, что препятствует атаке воспроизведения.
4.3. Криптографические контрольные суммы
Криптографические контрольные суммы являются одним из наиболее важных средств разработчиков криптографических протоколов. Криптографическая контрольная сумма или MIC (message integrity checksum) служат для контроля целостности сообщений и аутентификации. Например, Secure SNMP и SNMPv2 вычисляют криптографическую контрольную сумму MD5 для совместного секретного блока данных и информации, которая должна быть аутентифицирована [Rivest92, GM93]. Это служит для того, чтобы аутентифицировать источник данных при этом предполагается, что эту сумму крайне трудно фальсифицировать. Она не указывает на то, что сами посланные данные корректны, а лишь на то, что они посланы именно данным отправителем. Криптографические контрольные суммы могут использоваться для получения относительно эффективной аутентификации, и особенно полезны при обмене ЭВМ-ЭВМ. Главная трудность реализации - передача ключей.
4.4. Цифровые подписи (сигнатуры)
Цифровая подпись представляет собой криптографический механизм, который является аналогом рукописной подписи. Она служит для аутентификации блока данных и подтверждает то, что она получена от отправителя. Цифровая подпись, использующая асимметричную криптографию (общедоступные ключи) может быть полезной для определения источника сообщения даже в случае, когда отправитель отрицает свое авторство. Цифровая подпись обеспечивает аутентификацию без конфиденциальности, так как текст самого сообщения не шифруется. Цифровая подпись использована в системе конфиденциальной почты PEM (Privacy Enhanced Mail) [Linn93, Kent93, Balenson93, Kaliski93].
5. Аутентификация пользователя на ЭВМ
Существует много различных подходов к проблеме аутентификации пользователя в удаленных ЭВМ. Имеется две угрозы при доступе к удаленной ЭВМ. Во-первых, злоумышленник может перехватить идентификатор и пароль пользователя и позднее воспользоваться ими при атаке "воспроизведения". Во-вторых, сама форма пароля позволяет хакеру попытаться его угадать.
В настоящее время большинство систем используют открытый текст для передачи паролей по сетевым каналам, что сильно упрощает их перехват [Anderson84, Kantor91]. Такая система не обеспечивает адекватной защиты от атак воспроизведения, когда злоумышленник сумел заполучить идентификатор и пароль удаленного пользователя.
5.1. Защита против пассивной атаки является необходимой
Отсутствие, по крайней мере, не раскрывающей парольной системы, означает предоставление неограниченного доступа любому, кто имеет физический доступ к сети. Например, всякий кто имеет доступ к кабелю Ethernet
Минимальной защитой против пассивных атак, таких как прослушивание сети, является применение не раскрывающей системы паролей. Такая система может функционировать на пассивном терминале или в качестве коммуникационной программы (напр., Crosstalk или PROCOMM), которая эмулирует пассивный терминал на персональной ЭВМ. Использование более строгой аутентификационной системы защитит против пассивных атак со стороны удаленных систем за счет ограничения использования простых терминалов. Разумно ожидать, что производители коммуникационных программ и не программируемых пользователем терминалов (таких как Х-терминалы) встроят систему не раскрываемых паролей или более строгие аутентификационные системы. Одним из преимуществ Kerberos является то, что при правильном использовании пароль пользователя никогда не покидает пределов рабочей станции. Вместо этого они используются для расшифровки билетов пользователя Kerberos.
5.2. Защита периметра
Защита периметра применяется все шире. В этих системах пользователь сначала осуществляет аутентификацию в определенном объекте сети, например, в ЭВМ "firewall", используя систему не раскрываемых паролей. Пользователь затем использует вторую систему для аутентификации в каждой ЭВМ или в группе ЭВМ, где он хотел бы получить доступ к определенным услугам.
В защите периметра существует несколько недостатков, по этой причине эту систему следует рассматривать как временное решение. Сетевой шлюз не прозрачен на IP-уровне и по этой причине работа с каждым видом сервиса должна производиться независимо. Использование двойной аутентификации является трудно осуществимым или невозможным для связи ЭВМ-ЭВМ. Протоколы точка-точка, которые являются обычными для Интернет механизмов без установления связи, легко уязвимы. Защита периметра должна быть плотной и полной, так как в случае ее прорыва внутренняя защита оказывается слабой и легко преодолимой.
Частой формой защиты периметра является передача приложений. Так как эти передачи являются протокольно зависимыми, IP-коннективность ЭВМ в пределах периметра с внешним миром оказывается нарушенной и часть преимуществ Интернет пропадает.
Административное преимущество защиты периметра заключается в том, что число ЭВМ, которые могут быть подвергнуты атаке, достаточно мало. Эти машины могут быть тщательно проверены с точки зрения угроз безопасности. Но достаточно трудно или даже невозможно создать достаточно "герметичную" систему. Безопасность системы защиты периметра достаточно сложна, так как шлюз должен пропускать некоторые типы трафика, например, электронную почту. Другие сетевые услуги, такие как NTP (Network Time Protocol) и FTP могут также оказаться желательными [Mills92, PR85, Bishop]. Более того, шлюзовая система периметра должна быть способна пропускать весь трафик всего домен, заключенного в данный периметр.
5.3. Защита от активных атак является крайне желательной
В обозримом будущем потребуются достаточно мощные системы, способные противостоять активным атакам. Многие корпоративные сети, базирующиеся на широковещательной технологии, такой как Ethernet, вероятно нуждаются в такой методике. Чтобы защититься от активных атак, или обеспечить конфиденциальность, необходимо использовать протокол с шифрованием сессии, например, Kerberos, возможно использование аутентификационного механизма, который защищает от атаки воспроизведения. В системе Kerberos, пользователи получают коды доступа от сервера Kerberos и используют их для аутентификации, чтобы осуществить доступ к услугам других ЭВМ сети. Вычислительная мощность локальной рабочей станции может быть использована для дешифрования кодов доступа (используя ключ, извлеченный из пароля, введенного пользователем) и запоминания на время пока это требуется. Если протокол безопасности базируется на синхронизации часов, тогда может быть полезен протокол NTPv3, так как он распространяет временные метки для большого числа ЭВМ и является одним из немногих протоколов Интернет, которые содержат механизмы аутентификации [Bishop, Mills92].
Другим подходом для доступа к сетевым ЭВМ является введение для всех внешних машин общего секретного кода Kerberos KDC. Это делает эти машины "серверами", а не рабочими станциями. Этот общий секретный код может быть затем использован для шифрования всех обменов между машинами, обеспечивая безопасную передачу аутентификационной информации KDC.
Наконец, рабочие станции, которые удаленно доступны, могут использовать асимметричную криптографическую технологию для шифрования телекоммуникаций. Общедоступный ключ рабочей станции будет предоставлен всем клиентам. Пользователь может применить общедоступный ключ для шифрования пароля, а удаленная система дешифрует его и аутентифицирует пользователя без угрозы раскрытия пароля при транспортировке. Ограничением этой системы безопасности, ориентированной на рабочую станцию заключается в том, что она не аутентифицирует индивидуальных пользователей, а только индивидуальные рабочие станции. В некоторых средах, например, в многоуровневых правительственных системах безопасности необходима аутентификация пользователь-пользователь.
6. Раздача ключей и управление
Управление доступом для ключей является самой тяжелой проблемой, с которой приходится сталкиваться при обеспечении аутентификации в больших сетях Интернет. Протокол Нидхема-Шрёдера [NS78, NS87], который используется в системе Kerberos, базируется на централизованном сервере ключей. В больших корпоративных сетях требуется значительное число таких ключевых серверов, по крайней мере, один ключевой сервер на каждый административный домен. Существует также нужда в механизмах для отдельных ключевых серверов, необходимых для координирования генерации ключей сессий участников в различных административных доменах.
Большинство алгоритмов шифрования с использованием общедоступных ключей требуют достаточно больших вычислительных мощностей и по этой причине они неидеальны для шифрования пакетов в сети. Однако асимметричное свойство делает их очень полезными в начале сессии для получения симметричных ключей сессии. На практике, коммерческий сектор, вероятно, использует асимметричный алгоритм для цифровых подписей и пересылки ключей, но не для массового шифрования данных. Для целей пересылки ключей можно использовать алгоритмы RSA и Диффи-Хелмана [DH76]. Преимуществом асимметричной методики является отсутствие необходимости иметь центральный сервер для хранения и рассылки ключей. Система PEM использует цифровые подписи для аутентификации общедоступных ключей пользователей [Kent93]. Результатом этой операции является сертификат, который содержит общедоступный ключ партнера. Сертификаты ключей могут рассылаться различными способами. В одном из вариантов рассылка ключей встраивается в существующие службы каталогов. Это может быть сделано, например, путем расширения возможностей DNS и включения ключа ЭВМ в ресурсную запись нового типа.
Для мультикастных сессий, управление рассылкой ключей сложнее, так как число обменов, необходимых для широко используемых методик пропорционально числу участников.
7. Аутентификация сетевых услуг
Кроме необходимости аутентификации пользователей и ЭВМ друг другу, многие сетевые услуги сами нуждаются в аутентификации.
Наиболее общий случай в настоящее время - это отсутствие поддержки в протоколе какой-либо аутентификации. Bellovin и другие документировали многие случаи, когда существующие протоколы могут использоваться для атаки удаленной ЭВМ, так как там не существует встроенной процедуры аутентификации [Bellovin89].
Некоторые протоколы предоставляют возможность передачи незащищенных паролей совместно с протокольной информацией. Исходные протоколы SNMP использовали этот метод, многие маршрутные протоколы продолжают его использовать и сейчас [Moy91, LR91, CFSD88]. Этот метод полезен, так как несколько повышает безопасность передачи.
Существует много протоколов, которые нуждаются в поддержке более строгих аутентификационных механизмов. Например, известно, что протокол SNMP нуждается в существенном усилении аутентификации. Это вызвало разработку протоколов Secure SNMP, которые поддерживают опционную аутентификацию, используя цифровую подпись и опционное шифрование с привлечением алгоритма DES. Цифровые подписи, используемые в Secure SNMP, базируются на добавлении криптографической контрольной суммы к SNMP-информации. Криптографическая контрольная сумма вычисляется с использованием алгоритма MD5 и секретного кода, используемого совместно обоими партнерами обмена.
Технология цифровой подписи должна рассматриваться как необходимое средство при разработке новых технологий аутентификации (но не конфиденциальности). Цифровые подписи могут использовать ключи и методы как симметричной, так и асимметричной криптографии. Если доступна централизованная система распределения ключей, опционная поддержка цифровой подписи может быть обеспечена для большинства протоколов с минимальными издержками. Каждый протокол может столкнуться проблемой пересылки ключей и установки параметров обмена, и это приведет к усложнению использования техники цифровой подписи.
Для случаев, когда требуется аутентификация и конфиденциальность для схемы коммуникации ЭВМ-ЭВМ, может быть применено шифрование, базирующееся на симметричной или асимметричной схеме, или даже на их комбинации. Использование асимметричной криптографии упрощает управление раздачей ключей. Каждая ЭВМ шифрует свою информацию перед отправкой, безопасность же внутри машины обеспечивается средствами операционной системы ЭВМ.
В некоторых случаях, возможно включающих электронную почту, может оказаться желательным обеспечить безопасность в пределах приложения на уровне пользователь-пользователь, а не ЭВМ-ЭВМ. Безопасная почта PEM использует именно этот подход [Linn93, Kent93, Balenson93, Kaliski93].
8. Будущие направления
Просматривается тенденция внедрения все более строгих механизмов аутентификации. Следует ожидать введения не раскрывающей пароли аутентификации и более широкого использования механизмов с общедоступным ключом. Растет важность аутентификации сессий и процессов, проблема целостности и конфиденциальности сообщений при передаче по сетевым каналам. Так как коммуникации ЭВМ-ЭВМ становятся все более важными, протоколы связи человек-машина становятся менее существенными.
Использование криптосистем с общедоступным ключом для аутентификации пользователь-ЭВМ упрощает многие аспекты, но хранение простых паролей, а также общедоступных и секретных ключей остается актуальной проблемой. Следует учитывать, что размер общедоступного ключа, используемого в настоящее время, по меньшей мере, составляет 500 бит. В будущем, вероятно, будут применяться еще более длинные ключи. Таким образом, пользователи могут хранить свои ключи в виде пригодном для электронного считывания. Использование ROM, такой как флоппи-диск или магнитная карточка может решить эту проблему, но тогда пользователь неизбежно доверяет свои ключи считывающему устройству. Применение смарт-карты, совмещающей память и программу, более предпочтительно. Такие приборы могут обеспечить аутентификацию без риска разглашения секретных кодов, которые они хранят. Они могут также взаимодействовать с пользователем, осуществляя простую аутентификацию при разблокировании карты. Применение криптосистем с общедоступным ключом при аутентификации ЭВМ-ЭВМ лишено проблем запоминания ключей, которые характерны для интерфейсов человек-машина. Многопользовательская ЭВМ может запоминать свои ключи в области памяти, защищенной от доступа пользователей.
Если рассматривать существующие симметричные алгоритмы как одно-ключевые, а асимметричные, такие как RSA в качестве двухключевых систем, можно предположить появление в будущем N-ключевых методик (где N больше 2). Если бы такая N-ключевая технология существовала, она могла бы использоваться для реализации масштабируемых протоколов для рассылки ключей в случае мультикастинга. В настоящее время ведется разработка технологии CBT (Core Based Tree), предназначенной для решения подобной задачи [BFC93].
Ссылки
