Kriptogrāfiskie protokoli — definīcija, darbība un piemēri

Kriptogrāfiskais protokols (pazīstams arī kā šifrēšanas protokols vai drošības protokols) ir abstrakts vai esošs protokols, kas veic ar drošību saistītu funkciju un izmanto kriptogrāfijas metodes. Tas nosaka, kā dažādas puses apmainās ziņojumiem, kā tiek apstrādātas atslēgas, kā jāpārbauda identitāte un kā reaģēt uz kļūdām vai uzbrukumiem.

Protokolā ir aprakstīts, kā kriptogrāfijas algoritmi jāizmanto, lai nodrošinātu informācijas drošību. Protokola aprakstā jāiekļauj sīkāka informācija par visām datu struktūrām un attēlojumiem, kā arī visa informācija par to, kā protokolu izmantot ar programmām. Tas parasti ietver ziņojumu formātus, stāvokļu mašīnu (state machine), laika ierobežojumus, atkļūdošanas informāciju un prasības par to, kuri kriptogrāfiskie primitīvi ir pieļaujami.

Kriptogrāfiskie protokoli tiek plaši izmantoti drošai lietojumprogrammu līmeņa datu pārraidei, lai aizsargātu pārsūtītos ziņojumus. Kriptogrāfiskajam protokolam parasti ir vismaz dažas no šīm iezīmēm:

• Galvenā paaudze.
• Vienības autentifikācija.
• Galvenā vienošanās.
• Pārsūtīto ziņojumu simetriska šifrēšana, izmantojot saskaņotu ģenerētu atslēgu.

Terminu kriptogrāfiskais protokols lieto dažādos veidos. Piemēram, kriptogrāfijas lietojumprotokolos bieži tiek izmantots viens vai vairāki pamatā esošie atslēgu apmaiņas protokoli, kurus dažkārt arī pašus dēvē par "kriptogrāfijas protokoliem", piemēram, Secure Sockets Layer (SSL), kas izmanto tā saukto Diffie-Hellman atslēgu apmaiņu, Diffie-Hellman var uzskatīt par pilnvērtīgu kriptogrāfijas protokolu, kas pats par sevi ir piemērots citiem lietojumiem.

Galvenie drošības mērķi

Kriptogrāfiskie protokoli parasti cenšas sasniegt šādus drošības mērķus:

• Konfidencialitāte — ziņojumi nav saprotami trešajām pusēm.
• Integritāte — nodrošināt, ka ziņojumi nav mainīti bez atklāšanas.
• Autentifikācija — pārliecināties par sarunas dalībnieku identitāti.
• Neatgriezeniskums (non-repudiation) — ierobežot iespēju noliegt sūtīšanu vai saņemšanu (attiecīgi izmantojot atbilstošus mehānismus).
• Pārliecināšanās par atbilstību un piekļūstamību — lai protokols pareizi strādātu dažādos tīkla apstākļos.
• Forward secrecy (zināma nākotnes drošība) — ja ilgtermiņa atslēga tiek kompromitēta, agrākās sarunas paliek drošas, ja tiek izmantoti pagaidu atslēgu mehānismi.

Galvenās sastāvdaļas un primitīvi

Typiskas protokola sastāvdaļas ir:

• Galveno/taisu atslēgu ģenerēšana un pārvaldība.
• Atslēgu vienošanās vai apmaiņa (piem., Diffie-Hellman, ECDH).
• Autentifikācijas mehānismi (paroles, digitālie sertifikāti, HMAC, digitālie paraksti).
• Simetriskā šifrēšana datu pārraidei (bieži izmanto ātru šifru kopā ar AEAD režīmiem).
• Integritātes un autentiskuma nodrošināšana ar MAC vai AEAD.
• Nonce/IV un to pareiza izmantošana — svarīgi izvairīties no atkārtotas izmantošanas.

Piemēri

Bieži pieminēti un plaši izmantoti protokoli ir — SSL/TLS (tiešām plaši lietots tīmekļa datu aizsardzībai), SSH (droša attālā pieslēgšanās), IPsec (tīkla slāņa aizsardzība), Kerberos (autentifikācija lokālajos tīklos), kā arī ziņojumapmaiņas protokoli un risinājumi mobilajām ierīcēm (piem., Signal protokols, OTR). Šajos protokolos parasti apvieno atslēgu apmaiņu, sertifikātu sistēmas, simetriskos šifrus un integritātes mehānismus.

Draudi un biežāk sastopamie uzbrukumi

Kriptogrāfisko protokolu dizainā un ieviešanā jāņem vērā daudzi draudi:

• Man-in-the-Middle (MiTM) — uzbrucējs noklausās un starpniecisko sarunu, ja autentifikācija nav spēcīga.
• Atkārtošanas (replay) uzbrukumi — ziņojumu atkārtota nosūtīšana, kuru jāatklāj ar košo/timestamp mehānismiem.
• Downgrade uzbrukumi — liek pusēm pāriet uz vājākām versijām vai šifrēm.
• Sānu kanālu (side-channel) uzbrukumi — iegūst atslēgas, izmantojot laika, elektroenerģijas vai kešatmiņas analīzi, kas nav tieši saistīta ar protokola ziņojumu apriti.
• Implikāciju kļūdas — nepareiza validācija, sliktas noklusējuma izvēles vai atsaukumu neievērošana var padarīt pat pareizi izstrādātu protokolu nedrošu.

Labas prakses un ieteikumi

• Izmantojiet pārbaudītas un publicētas konstrukcijas, neizdomājiet savas kriptogrāfijas shēmas.
• Prioritizējiet AEAD šifrus (piem., AES-GCM, ChaCha20-Poly1305) integritātes un konfidencialitātes vienlaicīgai nodrošināšanai.
• Nodrošiniet stingru sertifikātu un atslēgu validāciju; novēršiet neatbilstošas noklusējuma konfigūrācijas.
• Plānojiet atslēgu nomaiņu un atsaukšanu, izmantojiet pagaidu atslēgas, lai iegūtu forward secrecy.
• Veiciet formalizētu protokola verifikāciju un penetration testus, kā arī rūpīgu kodu pārbaudi pret sānu kanālu riskiem.
• Regulāri atjauniniet bibliotēkas un protokolu implementācijas, ņemot vērā drošības recenzijas un jaunākos ieteikumus.

Formāla analīze un pārbaude

Daudzi mūsdienu drošības protokoli tiek formāli modelēti un analizēti ar rīkiem (piem., ProVerif, Tamarin), lai pierādītu īpašības kā konfidencialitāti un autentifikāciju. Tomēr formāla pareizība ne vienmēr nozīmē drošu ieviešanu — implementācijas kļūdas (pamata laikā notikumu apstrāde, bufera pārplūdes, nepareiza atsauces validācija) var novest pie ievainojamībām.

Kopsavilkums

Kriptogrāfiskie protokoli ir pamats drošai komunikācijai — tie nosaka, kā tiek ģenerētas un apmainītas atslēgas, kā tiek autentificēti dalībnieki un kā tiek aizsargāti ziņojumi. Pareiza protokola izvēle, rūpīga dizaina, formāla pārbaude un droša implementācija ir nepieciešami, lai nodrošinātu reālu aizsardzību pret mūsdienu draudiem.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kriptogrāfiskais protokols?

J: Kādas ir dažas kriptogrāfiskā protokola funkcijas?

J: Kā izmanto kriptogrāfiskos protokolus?

J: Vai ir pilnīga kriptogrāfiskā protokola piemērs?

J: Vai protokola aprakstā ir iekļauta sīkāka informācija par datu struktūrām un attēlojumiem?

J: Vai aprakstā ir iekļauta arī informācija par to, kā protokolu izmantot ar programmām?

Meklēt pēc burta