Criptografia de Chave Pública

Criptografia de Chave Pública
O Problema
da Distribuição de Chaves
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Problema da Distribuição de Chaves
 A criptografia de chave simétrica pode manter
seguros seus segredos (chave e informação),
mas se precisar compartilhar informações
secretas com outras pessoas deve-se também
compartilhar as chaves que são secretas.
 Como duas ou mais pessoas podem, de
maneira segura, enviar as chaves por meio de
linhas inseguras ?
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Compartilhando chaves antecipadamente
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Problemas com esse esquema
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Utilizando um terceiro confiável
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Problemas com esse esquema
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Criptografia de Chave Pública
Na criptografia simétrica, a mesma
chave é usada para encriptar e decriptar.
Na criptografia assimétrica a chave
utilizada para encriptar não é usada para
decriptar.
As chaves são significativamente
diferentes: (Ke, Kd)
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Criptografia de Chave Pública
 Elas são parceiras. Estão relacionadas entre si:
Kd => Ke
Ke ? =>? Kd
 O relacionamento é matemático; o que uma
chave encripta a outra decripta:
C = E(ke, P)
D(Kd, C) = P
 É possível criar uma algoritmo criptográfico
no qual uma chave encripta (Ke) e uma outra
decripta (Kd):
D( Kd, E(ke, P) ) = P
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Criptografia de Chave Pública
 Se a função E(ke, P) realiza uma operação, tal
como exponenciação sobre P.
 E a função D( Kd,C) é similar, e a
exponenciação usa módulo aritmético:
 Então, pode-se provar que:
D( Kd, E(ke, P) ) = P
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Criptografia de Chave Pública
Porque ambas as chaves são necessárias
para cifrar e decifrar a informação, uma
delas pode se tornar pública sem pôr a
segurança em perigo.
Essa chave é conhecida como chave
pública (Ke).
E sua contraparte é chamada chave
privada (Kd).
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Criptografia de Chave Pública
Então, encripta-se com a chave pública e
decripta-se com a chave privada.
Apenas a chave privada parceira pode ser
usada para decriptar a informação.
A chave privada é mantida em sigilo. O
texto simples encriptado permanecerá
seguro.
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Criptografando com Chave Pública
Chave Pública
de Criptografia
Texto
Simples
Texto
Cifrado
Algoritmo
Encriptador
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Decriptografando com Chave Privada
Chave Privada
Texto
Cifrado
Texto
Simples
Algoritmo de
Decriptografia
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Como funciona a
criptografia simétrica
Compartilhamento de uma chave comum.
Todos têm que manter a chave comum em
segredo.
É possível ?
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Como funciona a
criptografia de chave pública
A criptografia de chave pública torna
possível a comunicação segura entre
pessoas, sem precisar do
compartilhamento de uma chave
comum.
Chaves públicas são distribuídas entre as
pessoas, as quais guardam em segredo
suas chaves privadas correspondentes.
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Como funciona a
criptografia de chave pública
Possibilitam assinar mensagens sem a
presença de uma terceira parte confiável.
Os resumos de mensagens assinados
permitem verificar com facilidade a
integridade de mensagens recebidas.
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Gerenciamento de chaves públicas
 Problema:
Se Alice e Bob não se conhecem um ao
outro, como eles irão obter as respectivas
chaves públicas para iniciar a comunicação
entre eles ?
 Como Alice (Bob) pode ter certeza que está
realmente obtendo a chave pública de Bob
(Alice) ?
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Gerenciamento de chaves públicas
A solução óbvia: Bob coloca sua chave
pública na sua página Web.
Não funciona !!!
Suponha que Alice queira se comunicar
com Bob.
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Gerenciamento de chaves públicas
Alice, então, precisa pesquisar a chave
pública de Bob na página dele.
Como ela fará isso?
Alice começa por digitar a URL de Bob,
em seu navegador.
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Gerenciamento de chaves públicas
O navegador pesquisa o endereço DNS
da página de Bob e envia ao site Web de
Bob, uma solicitação HTTP-GET.
Infelizmente, suponha que Trudy
intercepta a solicitação GET e responde a
Alice com uma página falsa, fazendo a
substituição da chave pública de Bob pela
chave pública dela.
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Gerenciamento de chaves públicas
Quando Alice envia sua primeira
mensagem criptografada, será com ET
(a chave pública de Trudy).
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Gerenciamento de chaves públicas
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Gerenciamento de chaves públicas
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Desempenho
 Para informação em grande quantidade,
Algoritmos de chave pública são lentos.
(20Kb a 200Kb) por segundo.
Muito lento para processamento de dados em
volume.
 Algoritmos de chave simétrica podem
encriptar informação em grande quantidade
bem mais rapidamente.
(10Mb, 20Mb, 50 Mb ou mais) por segundo.
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Desempenho
Mas, encriptar 128 bits (tamanho provável
de uma chave simétrica), não leva tanto
tempo.
Solução: usar a combinação de
criptografia de chave simétrica e de
chave pública.
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Envelope Digital
Processo usado para criptografar
informação em grande quantidade
utilizando a criptografia de chave
simétrica e
criptografando a chave simétrica de
sessão com um algoritmo de chave
pública.
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Criptografando em Envelope Digital
Chave
Simétrica de
Sessão
Criptografada
Chave
Pública
Chave
Simétrica
de Sessão
Algoritmo de
Chave
Pública
Texto
Plano
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Algoritmo de
Chave
Simétrica
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Texto
Criptografado
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Descriptografando o Envelope Digital
Chave Simétrica
de Sessão
Criptografada
Chave
Privada
Chave
Simétrica
de Sessão
Texto
Criptografado
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Algoritmo
de Chave
Pública
Algoritmo de
Chave
Criptografia de Chave Pública
Simétrica
Texto
Plano
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Vantagem do Envelope Digital
 Ao invés do segredo ser compartilhado
antecipadamente.
 Segredo compartilhado, através da chave simétrica de
sessão.
 Manter uma chave separada para cada pessoa, mas
agora é a chave pública que não precisa estar protegida.
 Não é preciso armazenar as próprias chaves públicas.
Diretórios de chaves públicas podem estar disponíveis.
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Questões sobre a segurança
Exemplo do email usando envelope
digital.
Pao-Chi ---> Gwen
Satomi pode interceptar o email.
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Quebrando um algoritmo de chave pública
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Notas Históricas
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Como funciona a criptografia de chave
pública
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Quem inventou a Criptografia de Chave
Pública
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Algoritmos mais utilizados
 Três algoritmos são mais usados para resolver o
problema da distribuição de chaves:
- DH (Diffie-Hellman, 1976)
(Stanford University)
- RSA (Rivest, Shamir, Adleman)
(M.I.T, 1978)
- Ramo da matemática (Elliptic Curve, 1985)
(Neal Koblitz-University of Washington,
Victor Miller- Watson Research Center IBM)
ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman,
final anos 90)
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Estabelecendo uma Chave
Compartilhada
Diffie-Hellman, 1976
 Acordo de chave Diffie-Hellman
Resolve problema de distribuição de
chave simétrica, criando uma chave
compartilhada.
É preciso encriptar uma chave simétrica
de sessão para criar o envelope digital.
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Acordo de chave Diffie-Hellman
Usa-se para tal, a criptografia de chave
pública, para criar o envelope digital.
É utilizada a tecnologia de chave
pública para gerar a chave de sessão
simétrica.
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Acordo de Chave Diffie-Hellman
Alice e Bob têm que concordar sobre dois
grandes números:
- p (um número primo)
- g (um número pseudo-aleatório)
onde (p-1)/2 é também um primo e certas
condições se aplicam a g.
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Acordo de Diffie-Hellman
p é um número primo gerado a partir de
um PRNG, sendo verificado se é primo
pelo Teste de Fermat.
g é um número gerado por um PRNG, que
se relaciona bem com o valor de p.
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Acordo de Diffie-Hellman
 Estes números podem ser públicos, assim,
qualquer uma das partes pode escolher p e g e
dizer ao outro abertamente.
 Seja Alice gerar, por um PRNG, um número
grande (digamos 512 bits), chamado x. Ela
guarda x como secreto.
 Alice tem agora (p, x) que define a chave
privada em DH, como em RSA.
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Acordo de Diffie-Hellman
Alice calcula y = g mod p . Alice tem,
então, um expoente privado x.
x
Alice inicia o protocolo do acordo de
chave enviando a Bob uma mensagem
contendo (p, g, y) .
y é um valor transmitido, portanto, público.
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Acordo de Diffie-Hellman
 Bob tem agora um número grande
gx mod p (512 bits) definindo a tripla
(p, g, gx mod p) a qual é transmitida para Bob,
como a chave pública DH de Alice.
 Bob escolhe um número y secreto.
 Bob responde enviando a Alice uma mensagem
contendo (gy mod p) .
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Acordo de Diffie-Hellman
Alice calcula
(gy mod p)x
Bob calcula (gx mod p)y
Pela lei da aritmética modular, ambos os
cálculos resultam em gxy mod p .
Alice e Bob, agora compartilham uma
chave secreta: gxy mod p
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Acordo de Diffie-Hellman
Bob
escolhe y
secreto
Alice escolhe
p, g públicos
e x secreto
gx mod p
chave pública
(p, g, gx mod p)
(p,x) chave
privada
A
L
I
C
E
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y
g mod p
Alice calcula
(gy mod p)x
= gxy mod p
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B
O
B
Bob calcula
(gx mod p)y
= gxy mod p
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Acordo de Chaves Diffie-Hellman
O algoritmo não criptografa os dados.
Duas partes geram o mesmo segredo e
então utilizam para ser uma chave de
sessão para uso em um algoritmo
xy
simétrico, ou seja, g mod p) .
Este procedimento é chamado Acordo de
Chave.
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O acordo de Diffie-Hellman
 Dificuldade de quebra do algoritmo:
Trudy conhece g e p. Se ela pudesse descobrir
x e y, ela descobriria a chave secreta.
O problema é que dado (gx mod p) e
(gy mod p), ela não pode descobrir x nem y.
Nenhum algoritmo é conhecido para computar o
módulo de logaritmo discreto de um número
primo muito grande.
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O algoritmo RSA
 Baseado em alguns princípios da Teoria dos
Números.
 Sumário do algoritmo:
1. Escolher dois números primos
grandes, p e q (tipicamente maiores
que 10100).
Um PRNG escolhe p;
Teste de Fermat localiza q.
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O algoritmo RSA
2. Compute n = p.q donde n > 10200
Ø(n) = z = (p-1).(q-1) função de Euler
3.Escolher um número relativamente
primo a z e chamá-lo de d
(isto é, tal que d não tenha fatores primos
comuns com z).
4. Encontre e tal que e.d = 1 mod z
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O algoritmo RSA
5. Dividir o texto plano (considerado
como uma string de bits) em blocos,
de modo que cada mensagem do
texto plano P (bloco) caia no intervalo
0 <= P < n.
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O algoritmo RSA
Isto pode ser feito agrupando-se o
texto plano dentro de blocos iguais de
k bits, onde k é o maior inteiro para o
qual 2k < n. Em aplicações práticas k
varia de 512 a 1024 bits.
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O algoritmo RSA
6. Para encriptar um mensagem P,
compute a função E’(e,n,P) = C = Pe mod n.
Para decriptar, compute a
função D’(d,n,C) = P = Cd mod n
Pode ser provado que para todo P, essas
funções são inversas:
E’(D’(x)) = D’(E’(x)) = x
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O algoritmo RSA
Para encriptar precisamos de e e n.
Para decriptar precisamos de d e n.
Assim, a chave pública consiste do
par (e,n) e a chave privada do par
(d,n).
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Segurança do RSA
A segurança do método é baseada na
dificuldade de se fatorar números
grandes.
Se um cripto-analista puder fatorar n, ele
poderia então descobrir p e q, e destes, z.
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Segurança do RSA e DH
 Em Diffie-Hellman, quanto maior for n, mais tempo os
programas de computador levarão – na realidade, o
mesmo tempo que levariam para fatorar.
 O problema de fatoração e o problema de log
discreto estão relacionados. Resolvendo um deles,
ambos são resolvidos.
 De praxe, em DH, n deve ter 1024 bits. Com o RSA
encontramos dois primos de 512 bits e os multiplicamos
para obter um módulo de 1024 bits.
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Segurança do RSA
[Coulouris et al. 2005, p294-295]
 [Rivest et al. 1978] concluiram que fatorar um
número tão grande quanto 10200 seria tomado
mais de 4 bilhões de anos, com o melhor
algoritmo conhecido e sobre um computador
que realizasse 1 milhão de instruções por
segundo.
 Um cálculo similar para os computadores de
hoje, reduziria este tempo em torno de 1 milhão
de anos.
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Segurança do RSA
[Coulouris et al. 2005, p294-295]
RSA Corporation tem emitido uma série
de desafios para fatorar números de mais
de 100 dígitos decimais.
Números de até 174 dígitos decimais (576
bits) têm sido fatorados, e assim o uso do
algoritmo RSA com chaves de 512 bits é
inaceitável para muitos propósitos.
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Segurança do RSA
[Coulouris et al. 2005, p294-295]
RSA Corporation (que retém a patente do
algoritmo RSA) recomenda um
comprimento de chave de ao menos
768 bits (em torno de 230 dígitos
decimais), por um período de segurança
a longo-prazo de aproximadamente 20
anos.
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Segurança do RSA
[Coulouris et al. 2005, p294-295]
 Chaves de 1024 bits são utilizadas.
 Chaves tão grandes quanto 2048 bits são
usadas em algumas aplicações.
 Os algoritmos de fatoração usados são os
melhores disponíveis.
 Algoritmos criptográficos assimétricos que usam
multiplicação de números primos como função
de uma via estarão vulneráveis quando um
algoritmo de fatoração mais rápido for
descoberto.
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RSA e Envelope Digital
Pode-se usar o RSA para criptografar
dados diferentes do que uma chave de
sessão, como no processo do envelope
digital, mas o RSA não é tão rápido
quanto os algoritmos simétricos.
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Outros algoritmos de chave pública
(Merkle, Hellman, 1978),
Knapsack Algorithm
(Rabin, 1979)
El Gamal (1985)
Schnort (1991)
(Menezes, Vanstone, 1993)
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El Gamal
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RC4
RC4 (provavelmente o algoritmo
simétrico com cifragem de ........, mais
rápido usado hoje em dia) criptografa os
dados a uma taxa 700 vezes mais rápida
do que os 1024 bits de chave (tamanho
de chave mais comumente usado) do
RSA.
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RC5
RC5, uma das mais rápidas cifragem de
bloco, é aproximadamente 500 vezes
mais rápido do que RSA.
A melhor maneira de se usar RSA é criar
um envelope digital.
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Comparando os algoritmos
Segurança
Tamanhos de Chave
Desempenho
Tamanho de transmissão
Interoperabilidade
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Segurança do Algoritmo
RSA está baseado no problema da
fatoração.
Diffie-Hellman (DH) está baseado no
problema do log discreto.
ECDH (ECC) está baseado, também, no
problema do log discreto.
Não se pode afirmar, atualmente qual é o
algoritmo mais seguro
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Tamanho de Chave
Quanto maior a chave, maior o nível de
segurança, e consequentemente menor
é a velocidade de execução.
O algoritmo de chave pública deve
utilizar um tamanho de chave ao menos
duas vezes mais longo que o da chave
simétrica, independentemente do
desempenho, por razão de segurança.
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Desempenho
Diz respeito a rapidez com que o
algoritmo é executado.
O algoritmo mais adequado depende do
que é mais importante – a chave pública
ou as operações de chave privada –
para um aplicativo utilizando o algoritmo.
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Tamanho de transmissão
É o custo ou o tempo que o algoritmo
leva para transmitir bits através do
meio de comunicação (cabos ou ar).
Com RSA e DH, o tamanho de
transmissão é o mesmo que o tamanho de
chave.
Com o ECC, é enviado duas vezes o
tamanho de chave.
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Interoperabilidade
 Escolher o algoritmo que todo mundo tem.
(DES, Triple DES ou AES); (RC4 ou RC5)
podem não satisfazer interoperabilidade.
 RSA é quase onipresente e tornou-se o
padrão de fato.
 DH tem boa chance, mas não é tão
disseminado.
 Com ECC, os aplicativos conversam somente
entre si. Classes de curvas elípticas (Fp e F2)
são incompatíveis.
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Protegendo chaves privadas
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Esquemas de Recuperação de Chave
Envelope digital
Terceiro confiável
Grupo de depositários de confiança
Threshold
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Referências
 Performance de algoritmos criptográficos
Crypto++
Open source library of cryptographic
schemes [www.cryptopp.com]
PRB optimized
[Preneel et al. 1998]
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Referências
 Softwares que implementam a maioria dos
principais algoritmos criptográficos:
Impresso: [Schneier 1996]
Online: versões comerciais e freeware
[www.rsasecurity.com]
[www.cryptography.org]
[privacy.nb.ca]
[www.openssl.org]
[www.pgp.com]
[International PGP]
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Referências
SPKI (Simple Public-KeyInfrastructure)
Creation and management of sets of
public certificates.
RFC 2693
[Ellison et al. 1999]
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