Sicurezza Reti e Calcolatori

22.03.2022 - 17:01

Prof: Bergadano Francesco
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Cifrari Simmetrici

Cifrari sono sempre esistiti, tra i cifrari pre-informatici piú famosi ci sono i cifrari simmetrici character-oriented:

Cifrario di Cesare, cifrari monoalfabetici a 1 lettera
Cifrario di Playfair, monoalfabetico a 2 lettere
Cifrari monoalfabetici a N lettere
Cifrario di Vigenére, polialfabetico

I cifrari polialfabetici sostituiscono una lettera ogni volta in modo diverso, a seconda della sua posizione nel testo.

Questi cifrari si possono ancora suddividere in base alla tecnica utilizzata:

a sostituzione
a permutazione

Da quest’ultimo derivano i cifrari simmetrici bit-oriented:

In questi cifrari al posto dell’operazione di sostituzione alfabetica viene utilizzato $\oplus$¹

I cifrari simmetrici moderni sono caratterizzati da:

uso del calcolatore
combinazione di permutazioni e sostituzioni
uso di numerose fasi, round

Di questi ne esistono diversi:

Una proprietá desiderabile in un encryption algorithm é chiamata avalanche effect

un cambiamento marginale in un input (chiave o plaintext) dovrebbe produrre un grande cambiamento nel ciphertext

Queste tecniche sono utilizzate nel contesto della bulk encryption

Cifrari a blocchi

Utilizzando chiavi lunghe e testi arbitrariamente lunghi

cifrare a 2 fasi
- suscettibile all’attacco meet in the middle
  - con known plaintext
  - conoscendo <P1,C1> <P2,C2>
    - servono estrambe per incrociare la ricerca, i match sono diversi per blocco
    - ci sono molte più chiavi che blocchi
  - brute force sulla prima fase di cifratura, su $2^{56}$ possibilità su DES
cifrare a 3 fasi
- triple DES o 3DES
- sicuro, chiave di $3\cdot 56=168$
- normalmente si utilizza K1 = K3
  - la forza sta nelle 3 fasi, non nelle 3 chiavi
- si può utilizzare 3DES-EDE con 3 chiavi uguali, che equivale a DES

Per plaintext lunghi si hanno diverse tecniche per creare un messaggio cifrato a partire dai blocchi:

Electonic Codebook
- molto semplice ed efficiente ma insicuro
- divisione in blocchi esatti e criptarli tutti con la stessa chiave
  - parti di testo uguali avranno blocco ciphertext uguali
  - vulnerabilitá alla criptoanalisi statistica, utilizzabile solamente con testi corti
Cipher Block Chaining
- ogni blocco cifrato e mette in $\oplus$ con il successivo plaintext
  - si decifra con un $\oplus$ tra la decrittazione del blocco corrente $C_{i}$ e il blocco precedente (cifrato) $C_{i-1}$
- il primo blocco é in $\oplus$ con un initialization vector $IV$
  - solitamente publico
- il piú usato, sicuro, semplice, efficiente
- un errore di 1 bit rende indecifrabile il blocco successivo
Cipher FeedBack
- cifrario a flusso
- simile al Cifrario di Vernam
- inefficiente, viene scartato del lavoro
- un errore di un bit essendoci feedback crea effetto valanga
Output Feedback
- molto simile al Cipher Feedback
- il feedback é fatto utilizzando gli $i$ bit di output del cifrario a blocchi
- di fatto si divide in 2 fasi la procedura
  1. prima di conoscere il testo si produce la sequenza di $i$ bit
  2. utilizzare questa informazione bufferizzata per cifrare in $\oplus$
- simile al One-time Pad e al Cifrario di Vernam
  - solo simile in quanto il vettore di $i$ e' solo pseudocasuale

Metodi dell’avversario

L’avversario puó decodificare i cifrari monoalfabetici a una lettera facilmente attraverso una Crittanalisi Statistica.

Questa analisi risulta molto piú difficile con un cifrario polialfabetico:

in conoscenza di $n$ é possibile fare la stessa analisi per lettere che distano $n$ posizioni nel testo
- per cui quindi vale la stessa sostituzione

Di conseguenza un testo cifrato di questo tipo risulta tanto piú facile da decifrare tanto é piú lungo, ancor di piú in presenza di parti di testo fisse.

Cifrari Asimmetrici

Si utilizzano 2 chiavi, una per criptare e una per decriptare Le due chiavi non sono solo diverse nella forma, sono generate insieme e non é possibile ottenere una dall’altra La difficoltá per un avversario non é piú informativa ma computazionale Questi cifrari non sostituiscono quelli tradizionali, simmetrici, in quanto piú impegnativo a livello computazionale, infatti i primi sono molto recenti (Diffie-Hellman Key Exchange).

il protocollo piú utilizzato in questo ambito é RSA.
sono spesso combinati con cifrari simmetrici e funzioni di hash
- vedi Digital Envelope

É possibile classificare l’uso di questi sistemi in:

Encryption/Decryption
- sender encrypts with recipient public key
Digital Signature
- sender signs with its private key
Key Exchange
- parts work together to exchange a common secret key

Funzioni di Hash

Una funzione di Hash $H$ accetta un blocco di dati $M$ di lunghezza variabile e produce un valore di hash $h = H(M)$ di lunghezza fissa.

una buona funzione di Hash ha la proprietá che applicata a un gran numero di input gli output siano ben distribuiti e apparentemente random
un cambiamento a un qualsiasi bit o bits in $M$ causa, probabilmente, un cambiamento nel codice hash generato

In crittografia si usa un particolare tipo di funzione di hash, che ha ulteriori proprietá:

one-way property
- infeasible to find an object mapping to a pre-specified hash
collision-free property
- infeasible to find two objects mapping to the same hash

Queste funzioni di hash sono utilizzate per:

autenticare messaggi con i message digest
- sender e recipient applicano entrambi la funzione e comparano i risultati
digital signature
one-way password file
intrusion detection
virus detection

La funzione di hash piú utilizzata in tempi recenti é stato il Secure Hash Algorithm

Un birthday attack é effettuato generando collisioni:

$2^{m}$ messaggi
codici di $c$ bit
$P(\text{collision}) > 0.5$ per $m > \frac{c}{2}$
- quindi per $64$ bit bastano $2^{32}$ messaggi

Quindi un attaccante puó facilmente creare collisioni, ma il messaggio di cui il digest colliderá sará comunque incomprensibile, questo attacco é utile quando il ricevente si aspetta numeri o stringhe arbitrarie e non noterá nulla di strano nel messaggio ricevuto. Questi risultati impongono digest con almeno $256$ bit.

Autenticazione

NB Un messaggio cifrato non é necessariamente autentico, un messaggio autenticato puó essere leggibile. Spesso questi ultimi non vengono cifrati.

Simmetrica

basata su cifrari simmetrici
chiave condivisa

$\textsc{mac}_{K}(M)$ - Message Authentication Code

DES-CBC - MAC-CBC
- si usa l’ultimo blocco cifrato (o una parte) come MAC
Keyed Hash Function - HMAC
- MAC generato applicando $H$ a una combinazione di $M$ e una chiave segreta
- $\textsc{hmac}_{K}(M) = H((K''\oplus \text{opad}) || H((K'' \oplus \text{ipad}) || M'))$
  - $K''$: una chiave segreta $K'$ con padding di 0 fino a $j$ bit
    - se maggiore di $j$ bit $K'' = H(K')$
  - $\text{ipad}$: 00110110 ripetuto $j/8$ volte
  - $\text{opad}$: 01011010 ripetuto $j/8$ volte
- efficiente quanto $H$
  - molto piú efficiente che MAC-CBC

Firma elettronica

basata su cifrari asimmetrici
firma con la chiave privata, verifica con la chiave pubblica di chi firma

In questo caso:

RSA con MD5/SHA-1
- $\textsc{sha-1}(M)$: digest
- $\textsc{rsa}(K^-(A),\text{digest})$
DSA con SHA-1

Per far funzionare questo meccanismo é necessario risolvere il problema della distribuzione delle chiavi pubbliche. Questo in quanto rimane possibile un Man in the Middle attack.

una terza parte C puó ricevere $\langle ID,K^+(ID)\rangle$ e restituirne un certificato
questo poi viene condivisto da altre terze parti o dagli stessi che lo hanno richiesto
il certificato di chiave pubblica é un documento che attesta l’associazione univoca tra chiave pubblica e l’identitá del soggetto
queste operazioni sono eseguite da un ente fidato, Certification Authority o CA
- un attaccante pur sostituendo una chiave certificata sniffata non puó sostituirla con la propria, non ha accesso alla chiave privata della CA e non puó crearsi un certificato falso

Alla fine il messaggio autenticato avrá la forma: M - FirmaElettronica - Certificato - Timestamp

Sniffing & Spoofing

sniffing
- non facile su rete geografica
- possibile su LAN
  - sia su switch che non
  - non é possibile su switch unicast
  - solo su broadcast
spoofing
- ARP spoofing/poisoning
- DHCP associa automaticamente IP di router e DNS
- ARP associa MAC-IP
  - broadcast per la richiesta del MAC associato a un IP
  - unicast per la risposta
  - l’avversario risponde con il proprio MAC ingannando il richiedente
- possibile tecnica per:
  - MAC
    - scheda di rete in modalitá promiscua
    - MAC della scheda cambiato malevolmente
  - IP
    - non in TCP dove c’é il 3-way handshake
  - DNS
    - instradamento degli utenti verso un DNS malevolo
    - DNS malevolo serve IP falsificati
  - URL
    - indirizzi falsi

Per evitare questi attacchi:

non usare HUB ma switch
non usare broadcast
cifrare a livello applicativo e a livello di trasporto

DDoS

raro
difficile da evitare per i principi costituenti della rete
- per applicazioni critiche é utile avere reti dedicate

Possibili attacchi:

syn flooding
- primo messaggio dell’handshake TCP senza che questo sia poi portato a termine
ICMP echo request
- distibuted, zombie e reflectors
- smurf attack
  - echo request con payload consistente
    - possibilitá pensata per testing di rete, echo in broadcast
    - ora non piú possibile
relay SMTP
- flooding tramite server mail
- possibili configurazioni server per evitare questi attacchi

Firewall

vulnerabilitá locali di una macchina possono permettere il controllo della rete intera
un PC compromesso in LAN permette attacchi diretti alla rete locale
il Firewall si interpone tra LAN e WAN come unico punto di accesso
- servizi di
  - filtro (direzione, servizio, utente)
  - log (traffico, utenti)
  - allarme
- incluso nel router, screening router
  - scarta i pacchetti sospetti
  - non notifica
- dual homed gateway
  - tra LAN e router
  - il router si occupa di routing
  - spesso comunque tutte le funzioni sono concentrate in un unico dispositivo
  - dispositivi specializzati: firewall appliance
- screened host gateway
  - fisicamente i pacchetti non sono forzati attraverso il FW
  - si forza il passaggio a livello logico IP

Spesso in sicurezza, e anche per questi dispositivi, si parla di High Availability

piú FW possono servire in parallelo per garantire la funzionalitá in caso di guasti
Internet $\rightarrow$ Router $\rightarrow$ Switch $\rightarrow$ FW | FW $\rightarrow$ Switch $\rightarrow$ LAN

Una DMZ é una cosiddetta

DeMilitarized Zone
server che devono poter comunicare con l’esterno senza interferenze dall'FW

Package Filter

livello 3 e parzialmente 4
- IP e TCP/UDP
protegge in base alla direzione
- interfaccia in/out
- IP mittente e destinatario
- porta sorgente e destinazione
la frammentazione IP puó essere usata per passare attraverso un FW
- piccoli frammenti 24-28 Byte, senza header TCP
da bloccare il source routing
- permette al mittente di decidere l’instradamento
- permette IP spoofing con TCP su WAN
ACL - Access Control List
- omonimo con sistema Windows, diversi contesti e usi
- lista di regole di accesso

Sofware Firewall

livello 5
- applicativo e di trasporto TCP/UDP
piú semplice attraverso un proxy-FW
- va configurato un proxy per ogni servizio da attivare
- non é trasparente
- piú lento
- sicuro, sofisticato
mascheramento degli indirizzi tramite NAT
- megli il NAPT
  - unico indirizzo pubblico
  - indirizzi tradotti assieme alle porte
- puó anche effettuare load balancing
  - round robin, evita attacchi di carico
WAF - Web Application FW
- reverse proxy
- esamina il payload applicativo
- solo se sicura apre la connessione al nostro server web e inoltra

VPN

Standard: IPsec

permette collegamento a rete privata virtualmente
- lavorare da remoto con la stessa sicurezza che si ha all’interno della LAN
traffico virtualmente interno passa su internet e va protetto

IPsec

IP level security

livello 3
RFC 1825
layer che si va a inserire sopra quello IP
- header annidato all’interno dell’header IP
- PDU cifrata/autenticata assieme a info per decifrazione
- l’header IP non viene modificato
  - i router non si accorgono del cambiamento
protezione da modifica e intercettazioni
cifratura ai capi della comunicazione tra le LAN
ovviamento non protegge da vulnerabilitá interne

Due modalitá di funzionamento:

transport
tunnel

E tecniche

AH
ESP

Queste tecniche sono annidabili

prima applicando AH e poi ESP

Transport

software VPN sui calcolatori comunicanti
protegge da spoofing/sniffing si rete locale
non é trasparente, necessaria configurazione
unico metodo per una postazione mobile
- sono possibili soluzioni miste

Tunnel

cifratura/auth da parte di un agente esterno terminatore
- spesso incluso nel router e FW
- i pacchetti escono dal tunnel decriptati
non protegge da spoofing/sniffing su rete locale
nasconde gli indirizzi
- sono solamento noti gli IP dei terminatori
trasparente
veloce, efficiente

Authentication Header

AH

garantisce integritá
posizionato tra header IP e PDU
formato
- Next Header
  - 8B
  - protocollo superiore
- Length
  - 8B
- Reserved
  - 16B
- SPI
  - 32B
  - Security Parameter Index
  - parametri (entrambi indici di una tabella interna condivisa)
    - tipo di algoritmo
    - chiave simmetrica
- Data
  - $N×$32B
  - dati di autenticazione MAC
  - questo MAC copre da header IP in poi
    - ignora campi variabili TTP e checksum impostandoli a 0

Encapsulating Security Payload

ESP

posizionato dopo header IP e incapsula il PDU cifrato
formato in modalitá Transport
- SPI
  - non cifrato
- PDU, Next Header, autenticazione
  - cifrati
formato in modalitá Tunnel
- SPI
  - non cifrato
- header IP incapsulato
  - cifrato
  - header originale nascosto dal terminatore VPN
  - funzione di offuscamento del traffico
- PDU, NH, auth
  - cifrati

Anti-Replay

individua ripetizione pacchetti
- non é possibile escludere che non creino problemi a livello applicativo
pacchetti IPsec numerati con un sequence number 16bit
tecnica a sliding window con $W$ bit
- implementazione con un bit vector
- $N$ ultimo sn ricevuto
- finestra da $N-W$ a $N+1$
  - sn ricevuto a sinistra della finestra, non posso decidere
  - sn ricevuto a destra, sicuramente nuovo
  - sn all’interno il vettore indica se é stato ricevuto o no

Web Security

Blockchain

Exclusive Or ↩︎