Fondamenti di Sicurezza

Introduzione agli standard di sicurezza

Martedì 4 giugno 2019 10:05

Standard di sicurezza

Gli standard di sicurezza includono IETF, ITU, ISO, NIST, e RSA. ITU - X.800 è un modo sistematico per definire requisiti di sicurezza e per caratterizzare gli approcci che soddisfano i requisiti. Si focalizza su tre aspetti principali: attacchi alla sicurezza, servizi di sicurezza e meccanismi di sicurezza.

Attacchi alla sicurezza

• Azione che compromette la sicurezza delle informazioni in possesso.
• Prevenire gli attacchi e scoprirli nel minor tempo possibile.
• Due tipi di attacchi:
  • Attacchi passivi (accedere ai dati senza modificarli, monitorarli)
  • Attacchi attivi (accedere e modificare dati)

Servizi di sicurezza

• Migliorano la sicurezza delle informazioni.
• Contrastare attacchi di sicurezza.
• X.800 include:
  • Autenticità: assicurare comunicazione con due autenticati.
  • Confidenzialità: protezione dati da letture non autorizzate.
  • Segretezza dei dati: protezione dati durante trasmissione.
  • Integrità dei dati: assicura la protezione dei dati da modifiche non autorizzate.
  • Non ripudiabilità: protegge che uno neghi di aver inviato o ricevuto messaggi.
  • Disponibilità: assicura che agli autorizzati non sia negato accesso.

Meccanismi di sicurezza

• Ogni meccanismo per prevenire, scoprire o ripristinare il sistema da attacco.
• Adottati uno o più servizi.
• I servizi citati prima sono garantiti da:
  • Confidenzialità: controllo dell'accesso.
  • Segretezza: tecniche di cifratura.
  • Integrità: controllo accesso, vincoli d'integrità, tecniche di cifratura.
  • Disponibilità: tecniche di recovery.
  • Autenticità: firma digitale, protocolli di autenticazione.
  • Non ripudiabilità: firma digitale, protocolli di autenticazione.

Fondamenti di sicurezza: cifratura

Martedì 4 giugno 2019 10:55

Concetti base

• Plaintext (testo in chiaro)
• Ciphertext (testo cifrato)
• Cipher (algoritmo di cifratura)
• Chiave
• Algoritmo di decifratura

Sistemi crittografici

Caratterizzati da:

• Numero di chiavi utilizzate:
  • Unica chiave (simmetrica): ogni utente genera una coppia di chiavi, una pubblica (distribuita) e una privata (tenuta segreta). Il messaggio cifrato con una chiave pubblica può essere decifrato solo con la chiave privata corrispondente.
  • Due chiavi (asimmetrica)
• Operazioni usate per la cifratura:
  • Sostituzione
  • Trasposizione
  • Funzioni matematiche
• Metodo con cui viene elaborato il testo in chiaro:
  • A blocchi: plaintext suddiviso in blocchi e criptato in blocchi. Utilizzata da DES, AES, e RSA.
  • A flussi: elabora il messaggio bit a bit.

Sicurezza dei sistemi crittografici

• Incondizionatamente sicuro: il testo cifrato non contiene informazioni sufficienti sul testo in chiaro.
• Computazionalmente sicuro: non si può risalire alla chiave in un tempo utile per attacco.

Tipi di attacchi

Scopo: ricostruire la chiave utilizzata.

Crittoanalisi

• Sfrutta le caratteristiche dell'algoritmo e conoscenza di testi in chiaro e cifrati per cercare di capire la chiave.
  • Chipertext only (si conosce solo algoritmo e testo cifrato)
  • Known plaintext (si conoscono coppie di testo in chiaro e cifrato)
  • Chosen plaintext (si conoscono coppie di testo in chiaro/cifrato, quello in chiaro è scelto dall'attaccante)

Brute force

• Si tenta ogni possibile chiave su un frammento di testo cifrato fino alla traduzione corretta.
  • Sempre possibile
  • Tempo proporzionale alla dimensione della chiave

Cifratura simmetrica

Mittente e destinatario condividono la stessa chiave. Requisiti:

• Algoritmo di cifratura:
  • Deve essere pubblico
  • Deve essere forte
• Chiave segreta conosciuta solo dal mittente e dal ricevente
  • Necessità di un canale sicuro per distribuire la chiave

Algoritmi si basano su due operazioni: sostituzioni e trasposizioni.

Sostituzioni

• Ogni simbolo sostituito con un altro
• Cifratura di Cesare:
  • Ogni lettera sostituita con quella a 3 posizioni di distanza
  • Assegnato ad ogni lettera un valore numerico
  • C = E(p,k) = (p+k) mod (26)
  • p = D(C,k) = (p-k) mod (26)
• Cifratura monoalfabetica:
  • Unico alfabeto per le sostituzioni
  • Non è sicuro:
    • Perché è possibile effettuare degli attacchi che sfruttano le regolarità presenti nel linguaggio
    • Perché è possibile analizzare il testo e capire in base alle lettere più utilizzate nel linguaggio (e/t in inglese)
  • Alternativa: sostituire la stessa lettera con più sostituti
    • Attacchi sempre possibili analizzando frequenze

Trasposizioni

• Cifratura basata su una permutazione delle lettere del testo in chiaro
• Non cambia la frequenza delle lettere da testo in chiaro a testo cifrato
• Rail Fence:
  • Testo in chiaro viene scritto come una sequenza di diagonali e poi letto come una sequenza di righe
• Le trasposizioni aiutano a togliere le strutture all'interno del testo in chiaro, gli schemi possono essere più sicuri eseguendo la trasposizione in più fasi

Cifratura classica II

Martedì 4 giugno 2019 11:22

Riprendiamo dagli appunti di prima.

Associare più omofoni

Playfair (crittografare più lettere insieme) (Poligrammi)

• Plaintext cifrato due lettere alla volta
• Ogni lettera ha più sostituzioni scelti in base al diagramma di appartenenza
• Utilizza una matrice 5x5 di lettere:
  • Si scrive la parola da sinistra a destra, riempiendo la matrice con le lettere dell'alfabeto
  • Come cifrare:
    • Se entrambe le lettere cadono nella stessa riga si sostituiscono con quelle che seguono a destra
    • Se entrambe le lettere cadono nella stessa colonna si sostituiscono con quelle sottostanti
    • Ogni lettera ha più sostituti, scelti in base al diagramma
  • Sicurezza migliorata

Vigenere (utilizzare più alfabeti) (Poliafabetica)

• Diverse sostituzioni monoalfabetiche, ogni lettera cifrata con un monoalfabetico diverso
• Due componenti:
  • Insieme di sostituzioni monoalfabetiche
  • Utilizzo chiave per determinare quale sostituzione applicare
• Vigenere Chiper:
  • Si considerano 26 cifrari di Cesare
  • N-esima lettera della chiave indica quale alfabeto bisogna usare
  • Chiave lunga quanto il plaintext (ripetendola fino alla lunghezza desiderata)
  • Problema:
    • Se scopro lunghezza della chiave
    • Ripetizione della stessa sostituzione

OTP - One Time Pad

• Lettere combinate in XOR con corrispondenti lettere della chiave
• Lavora sui bit
• Unico cifrario che ha la sicurezza incondizionata
• Casualità della chiave garantisce che il chipertext non mantenga informazioni sulle correlazioni interne
• Inviolabile anche da attacchi a forza bruta

Cifratura simmetrica Feistel

Martedì 4 giugno 2019 15:42

Rete di Feistel

Cifratura basata sulla rete S-P (Sostituzioni-Permutazioni) proponendo la struttura di Feistel. Cifrario del prodotto: cifratura eseguita in più fasi, dove si eseguono stesse operazioni con chiavi diverse. Cifratura e decifratura molto simile. Molti algoritmi ad oggi si basano su Feistel (DES).

Rete di Feistel

• Input è un blocco di dati ed una chiave
• Blocco in input viene diviso in due:
  • Fasi di elaborazione e poi si ricombinano
  • Ogni fase ha un input il blocco generato e una sottochiave
  • Ogni fase ha la stessa struttura
  • Ogni sottochiave è diversa
  • L'output di ogni fase è:
    • Li = Ri-1
    • Ri = Li-1 XOR F(Ri-1,Ki)

Algoritmo di decifratura in Feistel è uguale a quello di cifratura solamente che le sottochiavi si utilizzano in ordine inverso.

DES (Data Encryption Standard)

Schema di cifratura a blocchi più utilizzato, adottato nel 1977 dal NBS. Usa blocchi di 64 bit con chiave di 56 bit.

Permutazione iniziale (IP)

• Primo passo della cifratura DES
• Dopo le 16 iterazioni dell'algoritmo, il blocco viene diviso in due metà che vengono scambiate (blocco pre-output)
• Al blocco pre-output viene applicata una permutazione inversa a quella iniziale

Funzione F

• L'input Ri-1 viene espanso da 32 bit a 48 bit utilizzando una tabella che definisce una permutazione più un'espansione
• Il risultato viene combinato in XOR con Ki
• Il risultato viene passato in input a una funzione di sostituzione (S-Box) per ottenere 32 bit
• I 32 bit vengono permutati prima di essere composti in XOR con Li-1
• S-Box: tabella 4x16 elementi dove ogni riga contiene valori da 0 a 15, dove vengono scambiati i valori con il valore corrispondente alla coppia di righe e colonna scelte

Permutazione finale

• Per garantire che alla fase successiva la S-Box coinvolga quanti più valori possibili

AES (Cifratura Simmetrica)

Martedì 4 giugno 2019 12:05

Non è basato sul cifrario di Feistel, ma prevede un numero variabile di fasi:

• Ogni fase usa uno sottochiave
• Ogni fase elabora l'intero blocco
• L'elaborazione prevede 3 sostituzioni e 1 permutazione

Differenze con Rijndael

• Rijndael AES
• Plaintext è un blocco di n bits
• Plaintext è un blocco di solo 128 bit
• Rappresentato come matrice di byte
• Stato riempito per colonna

Rijndael - Schema algoritmo

1. AddRoundKey (XOR dello stato con sottochiave)
2. 9/11/13 Fasi uguali:
   • Ogni fase prevede 3 sostituzioni e 1 permutazione:
     • SubstituteByte - sostituzione sui byte
     • ShiftRow - scorrimento delle righe dello stato
     • MixColumn - trasformazione sulle colonne
     • AddRoundKey - XOR con sottochiave
3. 10/12/14 Fase finale
   • Uguale a fasi precedenti senza MixColumn

SubstituteByte

• Utilizza una tabella (S-box) di 16x16 bytes contenente una permutazione di tutti i byte possibili.