Um Mecanismo de Autenticação Baseado em ECDH para Redes IEEE 802.11

1. Um Mecanismo de Autenticação Baseado em ECDH para Redes IEEE 802.11 SBSeg 2010 Eduardo Ferreira de Souza Paulo André da S. Gonçalves

2. Sumário • Motivação e Problemas Abordados • Trabalhos Relacionados • Mecanismo Proposto • Avaliação Experimental da Proposta • Conclusões

3. 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

4. Motivação Chave_1 • Dois métodos de autenticação nos protocolos citados • Autenticação corporativa • Servidor de autenticação • Autenticação pessoal • Chaves pré-compartilhadas (PSK) Chave_2 Chave_3 PSK PSK PSK

5. Motivação Chave_1 • O processo de autenticação permite a derivação da chave PTK • PTK (PairwiseTransientKey) • 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! PTK_1 Chave_2 PTK_2 Chave_3 PTK_3 PSK PTK_1 PSK PTK_2 PSK PTK_3

6. 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 PTK_1 PSK PTK_1 PTK_2 PSK PTK_2

7. 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)

8. 2º Problema • Inexistência de autenticação em redes abertas • Não há criptografia na camada enlace • Dados do usuário estão vulneráveis Olá!

9. Objetivo do Trabalho • Uma solução aos 2 problemas • Derivação indevida da PTK • Falta de autenticação em redes abertas PSK PTK_1 Olá! PSK PTK_1 PTK_2 PSK PTK_2

10. O 4-WayHandshake • 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 PMK PTK PMK PTK

11. O 4-WayHandshake S A • 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 Define ANonce [AA, ANonce] Define SNonce Calcula PTK [SA, SNonce, MICPTK(…)] Calcula PTK Verifica MICPTK [AA, ANonce, MICPTK(…)] Verifica MICPTK [SA] Autenticação finalizada PTK = PRF (PMK, “Pairwisekeyexpansion”, Min(AA, SA) || Max(AA, SA) || Min(ANonce, SNonce) || Max(ANonce, SNonce))

12. Derivação Indevida da PTK • Dentre os parâmetros da PRF, apenas a PMK é mantida em sigilo • PTK = PRF (PMK, “Pairwisekeyexpansion”, 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

13. 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

14. 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 PMK Cálculo da chave K Cifra as msgs com K

15. 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

16. DH vs ECDH • Base da proposta deste trabalho: Protocolo Diffie-Hellman sobre Curvas Elípticas (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 Tamanho, em bits, das chaves públicas

17. ECDH • Parâmetros de domínio: um campo finito F; uma curva elíptica Esobre F; e um ponto base Gpertencente à E • (1) A gera uma chave privada kA; ecalcula a chave pública Apub= kA × G • (2) S gera uma chave privada kS; ecalcula a chave pública Spub= kS × G • (2) S calcula K = kS× Apub • (3) A calcula K = kA × Spub S A 1 [Apub] 2 [Spub] 3

18. Mecanismo Proposto • Denominado ImprovedHandshake(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 noncesalém do uso normal delas para o cálculo da chave elíptica

19. ImprovedHandshake S A • Spub e Apub: Chaves públicas • Spriv e Apriv: Chaves privadas • Ke: Chave elíptica (coord. x de K) 1 [AA, Apub] 2 [SA, Spub, MICPTK(…)] • (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 3 [AA, Apub, MICPTK(…)] 4 [SA] 5 • PTK= PRF (PMK, Ke, “Ellipticpairwisekeyexpansion”, Min(AA, SA) || Max(AA, SA) || Min(Apub, Spub) || Max(Apub, Spub))

20. ImprovedHandshake • 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, “Ellipticpairwisekeyexpansion”, Min(AA, SA) || Max(AA, SA) || Min(Apub, Spub) || Max(Apub, Spub)) • Depois ... PTK = PRF (Ke, “Ellipticpairwisekeyexpansion”, 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 ImprovedHandshakeé inerentemente mais seguro • Não há necessidade de configurações adicionais

21. Avaliação Experimental • Qual é a curva elíptica mais adequada para uso com o ImprovedHandshake? • Qual a duração média do ImprovedHandshake? Depende da curva elíptica! • Qual o aumento médio no tamanho das mensagens do ImprovedHandshake quando comparado ao 4-wayhandshake? Depende da curva elíptica! • O overhead introduzido pelo ImprovedHandshake é menor do que aquele introduzido pelos trabalhos relacionados?

22. Avaliação Experimental • Implementação do ImprovedHandshake • 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

23. Avaliação Experimental • 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-wayhandshake • Tais acréscimos podem ser considerados baixos, visto que o tempo do 4-way handshakefoi de 15,08 ms * O tamanho médio das mensagens do 4-way handshakeé de 112 bytes

24. Conclusões • O ImprovedHandshakeintroduz 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 bytesno 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

25. OBRIGADO Eduardo Ferreira de Souza Paulo André da S. Gonçalves efs@cin.ufpe.br