Network Security

1. Network Security Chapter 3 Public-Key Cryptography and Message Authentication Slides by H. Johnson & S. Malladi- Modified & Translated by Sukchatri P.

2. University of Phayao Overview • Message Authentication • Secure Hash Functions and HMAC • Public-Key Cryptography Principles • Public-Key Cryptography Algoroithms • Digital Signatures • Key Management

3. University of Phayao Authentication • “A message, file, document or data is said to be authentic when it is genuine and came from its alleged source.” ข้อความ, ไฟล์เอกสารหรือข้อมูลที่มีการกล่าวถึงเป็นจริงเมื่อมันเป็นของแท้และมาจากแหล่งที่ถูกต้อง • Encryption prevents against passive attacks ( eavesdropping) การเข้ารหัสป้องกันการโจมตีแบบพาสซีฟ (แอบฟัง) • Message Authentication prevents against active attacks or falsification. ข้อความรับรองความถูกต้องป้องกันการโจมตีที่ใช้งานหรือการกระทำผิด

4. University of Phayao Message Authentication • Requirements - must be able to verify that: (ความต้องการ – ต้องสามารถตรวจสอบได้ว่า ) 1. Message came from apparent source or author, ข้อความมาจากแหล่งข้อมูลที่ชัดเจนหรือผู้เขียนจริง 2. Contents have not been altered, เนื้อหาไม่ถูกแก้ไข 3. Sometimes, it was sent at a certain time or sequence. บางครั้งอาจจะถูกส่งไปกับบางช่วงเวลาหรือลำดับ • Protection against active attack (falsification of data and transactions) การป้องกันการโจมตีที่ใช้งาน (การกระทำผิดเกี่ยวกับข้อมูลและการทำธุรกรรม)

5. University of Phayao Approaches to Message Authentication • Authentication Using Conventional Encryptionการตรวจสอบการใช้การเข้ารหัสลับแบบปกติดั้งเดิม • Only the sender and receiver should share a key เฉพาะผู้ส่งและผู้รับควรใช้คีย์ร่วมกัน • Message Authentication without Message Encryption ข้อความการตรวจสอบสิทธิ์โดยปราศจาก การเข้ารหัสข้อความ • An authentication tag is generated and appended to each message แท็กการตรวจสอบจะถูกสร้างและผนวกเข้ากับแต่ละข้อความ • Message Authentication Code การตรวจสอบรหัสข้อความ • Calculate the MAC as a function of the message and the key. MAC= F(K, M)

6. University of Phayao Message Authentication • Using Encryption • Assume only sender and receiver share a key สมมติผู้ส่งเท่านั้นและหุ้นรับสำคัญ • Then a correctly encrypted message should be from the sender จากนั้นข้อความที่เข้ารหัสได้อย่างถูกต้องควรจะเป็นจากผู้ส่ง • Usually also contains error-detection code, sequence number and time stamp โดยปกติแล้วยังมีรหัสข้อผิดพลาดตรวจสอบหมายเลขลำดับและการลงเวลา

7. University of Phayao

8. University of Phayao Message Authentication • Without Encryption • No confidentiality is preferred when: การรักษาความลับไม่เป็นที่ต้องการเมื่อ • Same message is broadcast to many destinations ข้อความเดียวกันนี้มีการถ่ายทอดไปยังปลายทางจำนวนมาก • Heavy load and cannot decrypt all messages – some chosen at random ภาระหนักและไม่สามารถถอดรหัสข้อความทั้งหมด -- บางส่วนเลือกโดยการสุ่ม • No danger in sending plaintext Append authentication tag to each message,ไม่มีอันตรายในการส่งข้อความเพิ่มแท็กรับรองความถูกต้องกับแต่ละข้อความได้

9. University of Phayao Message Authentication • Message Authentication Code (MAC) • Small block of data that is appended to the message บล็อกเล็กของข้อมูลถูกต่อท้ายข้อความ • MAC is generated by using a secret key; MAC จะถูกสร้างขึ้นโดยใช้รหัสลับ • Assumes both parties A,B share common secret key KAB • Code is function of message and key MACM= F(KAB, M) • Message plus code are transmitted

10. University of Phayao Message Authentication Code • If received code matches calculated code then หากรหัสตรงกับรหัสที่ได้รับการคำนวณแล้ว • Receiver is sure message has not been altered ผู้รับแน่ใจว่าข้อความไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ • Message is from sender since only sender shares the key ผู้ส่งเท่านั้นที่ให้รหัสไปพร้อมกับการส่งข้อความ • If the message includes correct sequence number, that number could not have been altered by hacker ถ้าข้อความหมายมีลำดับที่ถูกต้องรวมถึงจำนวนข้อความที่ไม่ได้ถูกเปลี่ยนแปลงโดยแฮกเกอร์

11. University of Phayao Message Authentication Code • Different from encryption ที่แตกต่างกันจากการเข้ารหัส • MAC does not have to be reversible as the cipher text does in encryption; MAC ไม่ต้องมีการย้อนกลับและขณะที่ cipher text ทำการเข้ารหัส • Because of mathematical properties, it is less vulnerable to being broken than encryption เนื่องจากคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ จะมีช่องโหวน้อยกว่าการเข้ารหัส • 16 to 32 bit code is typical โดยทั่วไปแล้วคือรหัสบิต 16-32

12. University of Phayao

13. University of Phayao One-way HASH function • Alternative to Message Authentication Code ทางเลือกในรหัสการตรวจสอบข้อความ • Accepts a variable size message M as input and produces a fixed-size message digest H (M) as output ยอมรับตัวแปรขนาด M ข้อความเ ขณะที่การเข้าและการสร้างข้อความขนาดคงที่ถูกย่อยออกเป็น H (M)

14. One-way HASH function University of Phayao

15. One-way HASH function University of Phayao • Secret value is added before the hash and removed before transmission. • ค่าความลับจะถูกเพิ่มก่อนที่จะถูกซอยย่อยและลบทิ้งก่อนส่ง

16. Secure HASH Functions University of Phayao • Purpose of the HASH function is to produce a “fingerprint” • Used in message authentication and digital signatures • Properties of a HASH function H : • H can be applied to a block of data at any size • H produces a fixed length output • H(x) is easy to compute for any given x. • For any given block x, it is computationally infeasible to find x such that H(x) = h (one-way property) • For any given block x, it is computationally infeasible to find with H(y) = H(x). (weak collision resistance) บอบบางต่อความต้านทานการปะทะกัน • It is computationally infeasible to find any pair (x, y) such that H(x) = H(y) ( strong collsion resistance)

17. University of Phayao Simple Hash Function • General principle • Input is a sequence of n-bit blocks • Input is processed one block at a time to produce an n-bit hash function • A simple example is the XOR of each block Ci = bi1 bi2  …  bim Ci is ith bit of hash code 1 <= i <= n m is number of n-bit block in input bij is ith bit in jth block  Is the XOR operation

18. Simple Hash Function University of Phayao

19. University of Phayao Simple Hash FunctionImproved • To improve- perform a one-bit circular shift on the hash value after each block is processed • Initally set the n-bit hash value to zero • Process each successive n-bit blok of data by: • Rotating current hash value to the left by 1 bit • XOR the block into the hash value

20. University of Phayao SHA-1 Secure Hash Function • The Secure Hash Algorithm( SHA) was developed by the National Institute of Standards and Technology and published in 1993. SHA-1 is 1995 revised version. ฉบับแก้ไขเพิ่มเติม • It takes as input a message with maximum length < 264 bits and produces a 160-bit message digest. รองรับข้อความที่เข้ามาได้ถึงความยาวสูงสุด 264 บิตและข้อความย่อยขาออกได้ 160 bit • It is processed in 512-bit blocks. มันจะถูกประมวลผลในบล็อก 512 - bit

21. University of Phayao Message Digest Generation Using SHA-1

22. SHA-1 Processing of single 512-Bit Block University of Phayao

23. Other Secure HASH functions University of Phayao

24. University of Phayao HMAC • Use a MAC derived from a cryptographic hash code, such as SHA-1. ใช้ MAC ที่ได้จากการเข้ารหัสลับรหัสแฮชเช่น SHA - 1 • Motivations: • Cryptographic hash functions executes faster in software than encryptoin algorithms such as DES ฟังก์ชันแฮช Cryptographic ประมวลผลได้เร็วกว่าในซอฟต์แวร์กว่าขั้นตอนวิธี encryptoin เช่น DES • Library code for cryptographic hash functions is widely available มีคลังรหัสสำหรับฟังก์ชันแฮชการเข้ารหัสลับมีใช้อย่างกว้างขวาง • No export restrictions from the US ไม่เข้มงวดในการนำออกจาก US

25. University of Phayao HMAC Structure

26. Public-Key Cryptography Principles University of Phayao • The use of two keys has consequences in: key distribution, confidentiality and authentication. • The scheme has six ingredients (see Figure 3.7) • Plaintext • Encryption algorithm • Public and private key • Ciphertext • Decryption algorithm

27. University of Phayao Encryption using Public-Key system

28. Authentication usingPublic-Key System University of Phayao

29. University of Phayao Applications for Public-Key Cryptosystems • Three categories: • Encryption/decryption: The sender encrypts a message with the recipient’s public key. • Digital signature: The sender ”signs” a message with its private key. • Key exchange: Two sides cooperate to exhange a session key.

30. University of Phayao Requirements for Public Key Cryptography • Computationally easy for a party B to generate a pair (public key KUb, private key KRb) • Easy for sender to generate ciphertext: • Easy for the receiver to decrypt ciphertect using private key:

31. University of Phayao Requirements for Public Key Cryptography • Computationally infeasible to determineprivate key (KRb) knowing public key (KUb) • Computationally infeasible to recover message M, knowing KUband ciphertext C • Either of the two keys can be used for encryption, with the other used for decryption:

32. University of Phayao Public Key Algorithms- RSA • RSA (1977, Ron Rivest, Adi Shamir and Len Adleman), MIT • Most popular and widely implemented • Block cipher • Plain text and cipher text are integers between 0 and (n-1) for some n • C = Me mod n • M = Cd mod n = (Me mod n)d = (Med mod n)

33. University of Phayao Public key Algorithms- RSA • Both sender and receiver know n and e • Only receiver knows d • Public key = {e,n} • Private key = {d,n} • Requirements • Should be possible to find e, d, n such that Med = M mod n for all M < n

34. University of Phayao Requirements continued… • Easy to calculate Me and Cd for all M < n • Infeasible to determine d, given e and n • First two requirements are easy. • Third one is also possible if e, n are large

35. University of Phayao Steps • Given in text book including examples • See figure on the next slide • We also did some examples in class and in the assignment • Please refer solutions for assignment 2

36. University of Phayao The RSA Algorithm – Key Generation • Select p,q p and q both prime • Calculate n = p x q • Calculate • Select integer e • Calculate d • Public Key KU = {e,n} • Private key KR = {d,n}

37. University of Phayao Example of RSA Algorithm

38. University of Phayao The RSA Algorithm - Encryption • Plaintext: M<n • Ciphertext: C = Me (mod n)

39. University of Phayao The RSA Algorithm - Decryption • Ciphertext: C • Plaintext: M = Cd (mod n)

40. University of Phayao Public Key Algorithm Diffie-Hellman • First introduced by Diffie-Hellman in 1976 • Mathematical functions rather than simple operations on bit patterns • Allows two separate keys • Exchange keys securely • Compute discrete logarithms • Some misconceptions, corrected • NOT more secure than symmetric key • Does NOT Makes symmetric key obsolete • Central agent is needed for both

41. University of Phayao Diffie-Hellman basics Pick secret, random Y Pick secret, random X gx mod p gy mod p Alice Bob Compute k=(gy)x=gxymod p Compute k=(gx)y=gxymod p

42. University of Phayao Diffie-Hellman Key Echange

43. University of Phayao Diffie-Hellman • Key exchange algorithm using public and private values • Based on the discrete logarithm problem • To understand the discrete logarithm problem • Define the primitive root of p to be one whose powers generate all the integers from 1 to (p-1) from some prime number p

44. University of Phayao DH details • i.e. if a is a primitive root of prime p, • a mod p, a2 mod p, … ,ap-1 mod p are distinct and contain 1 through (p-1) in some order • For b less than p and a, find unique exponent i such that • b = ai mod p 0 <= i <= (p-1)

45. University of Phayao DH details continued… • i is the discrete logarithm • Denoted inda,p(b) • It is hard to calculate it given ai mod p

46. Other Public-Key Cryptographic Algorithms University of Phayao • Digital Signature Standard (DSS) • Makes use of the SHA-1 • Not for encryption or key echange • Elliptic-Curve Cryptography (ECC) • Good for smaller bit size • Low confidence level, compared with RSA • Very complex

47. University of Phayao Digital signatures • A digital signature is an encryption of a document with the creator’s private key • It is attached to a document that validates the creator of the document • Any one can validate it by decrypting the signature with the claimed creator’s public key

48. University of Phayao Digital signatures on hashes • A more efficient way for a digital signature is by creating an authenticator of the document first (a hash) • Then sign the hash (i.e. encrypt the hash using private key) • If M is the message (or document), Hash(M) = H • sigPV(A)(H) represents sigining H • i.e. encrypting H with A’s private key

49. University of Phayao Digital Signatures: The basic idea public key ? public key private key Alice Bob

50. University of Phayao Key management • Distribution of public keys • Well, what’s the issue? • Can’t we just trust Mallory if she claims a key as her public key? Mallory publickey ? publickey private key Alice Bob