Um Mecanismo de Autenticação Baseado em ECDH para Redes IEEE 802.11

SBSeg 2010

Eduardo Ferreira de SouzaPaulo 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 recente

emenda 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 Public Wireless 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 msgs com a PMKCálculo da

chave K

Cifra as msgs com 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 nonces com 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: um campo finito F; uma curva elíptica E sobre F; e um ponto base G pertencente à E

(1) A gera uma chave privada kA; e calcula a chave pública Apub = kA × G

(2) S gera uma chave privada kS; e calcula a chave pública Spub = 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 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 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-way handshake? 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 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 802.11i” 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-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

OBRIGADO

Eduardo Ferreira de SouzaPaulo André da S. Gonçalves

efs@cin.ufpe.br