[Security] Key Authentication Protocol | 키 인증 프로토콜

Key Authentication Protocol

 

키 인증 프로토콜

 

- Key를 사용한 사용자 인증 메커니즘을 의미한다.

 

- 대표적인 키 인증 메커니즘은 아래와 같다.

 

• Two-Factor Authentication (이중 인증)
• Authentication using Shared Keys (대칭키를 이용한 인증)
• Authentication using Public Key Cryptography (공개키를 이용한 인증)

 

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Two-Factor Authentication (2FA; 2 요소 인증)

 

- 두 개의 인증수단을 조합 적용하여 안전성을 향상시켜 인증하는 방식을 의미한다.

- 인증에 사용되는 수단은 아래와 같이 크게 4가지로 구분된다.

 

• Something You Know (당신이 알고있는것) (Password, Passphrase, Secret Code 등)
• Something You Have (당신이 가진 것) (Smartcard 등)
• Something You Are (당신 그 자체인 것) (지문, 홍채, 안면 등)
• Something You Does (당신이 하는 것) (음성, 필적 등)

 

- 사용자 인증에 대한 자세한 정보는 아래 포스트를 참고하자.

 

* User Authentication (사용자 인증) (URL)

[Security] User Authentication | 사용자 인증

 

 

 

Example. Password Generator(Have)와 PIN(Know)을 결합한 Log on to Corporate Computer Systems

 

- 사용자가 가진 패스워드 생성기(OTP)와

  사용자가 알고 있는 PIN(Personal Identification Number)을 결합하여

  서버에 인증(로그인)하는 메커니즘이다. 

 

Server (서버)	\(Nonce\) ▶	User (사용자)		Password Generator (OTP Generator) (패스워드 생성기)
			\(Nonce, PIN\) ▶
			◀ \(E_{K} (Nonce, PIN)\)
	◀ \(E_{K} (Nonce, PIN)\)

 

- 위 프로토콜은 Relaying에 기반하여 Nonce를 악용한 MITM (Man in the Middle Attack; 중간자 공격)에 취약하다.

 

 

 

* MITM (MIG-in-the-Middle-Attack) (Based on Relaying)

 

- Team B의 SAAF 전투기가 \(N\)(Nonce)를 수신했을 때,

  \(\{N\}_{K}\)를 응답하게 프로토콜이 설계되어 있다는 점을 이용하여

  Team A의 MIG 전투기가 적 영공에 안전하게 침입할 수 있다.

 

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Authentication using Shared Keys (대칭키를 이용한 인증)

 

- 대칭키를 통한 여러가지 버전의 인증 메커니즘들을 보며 취약점을 분석해본다.

- 대칭키는 드러나서는 안되며, Replay가 불가능해야 하고, 인증이 원활히 이루어질 수 있어야 한다.

 

- 메커니즘을 표현할 때 사용하는 약칭에 대한 의미는 아래 표와 같다.

 

Legend	Description
\(K\)	- A와 B만이 갖고 있는 Symmetric Key
\(R\)	- Nonce (Random Number)
\(E(x)\)	- Encryption for \(x\)

 

 

 

[Version 1]

Alice (A)	"I'm Alice" ▶	Bob (B)
	◀ \(R\)
	\(E(R, K)\) ▶

 

- Mutual Authentication(상호 인증)이 결여되었다.

  (A는 인증되었지만, B는 인증되지 않았다.)

 

 

 

[Version 2]

Alice (A)	"I'm Alice", \(R\) ▶	Bob (B)
	◀ \(E(R, K)\)
	\(E(R, K)\) ▶

 

- A가 B로부터 수신한 내용(\(E(R, K)\))을 그대로 B에게 다시 전송하고 있기 때문에

  Replay Attack에 취약하다.

 

 

 

[Version 3]

Alice (A)	"I'm Alice", \(R_A\) ▶	Bob (B)
	◀ \(R_B, E(R_A, K)\)
	\(E(R_B, K)\) ▶

 

- A와 B사이에 위치한 T에 의한 Reflection Attack(반사 공격)에 취약하다.

 

 

 

* Reflection Attack (반사 공격)

 

- Sender(B)가 생성한 메시지를 가로챈 Attacker(T)가 해당 메시지를 다시 Sender(B)에게 재전송하여

  접근 권한을 탈취하는 형태의 공격 방법이다.

 

 

1. T는 A로 위장하여 B에게 Nonce(\(R_1\)) 을 전송하며 B와의 Session을 Open 한다.
2. B는 T로부터 받은 \(R_1\) 를 암호화한 값과 다음 Nonce(\(R_2\)) 를 전송한다.
3. T는 이중 계정을 이용하여 B에게 다시 접근하여 Step 2에서 받은 \(R_2\) 를 전송하며 Session을 Open 한다.
4. B는 Protocol에 따라 \(R_2\) 를 암호화한 값(\(E_K(R_2)\))과 다음 Nonce(\(R_3\)) 를 전송한다.
5. T는 Step 4에서 받은 \(R_2\) 가 암호화된 값(\(E_K(R_2)\))을 B에게 전송하여 B에게 A인 것처럼 위장 인증에 성공한다.

 

- 즉, B로부터의 Question에 대한 Answer를 B에게서 받아내어 T가 A인것처럼 위장하여 인증하는 공격 방법이다.

 

 

 

[Version 4]

Alice (A)	"I'm Alice", \(R_A\) ▶	Bob (B)
	◀ \(R_B, E_{K}(ID_B, R_A)\)
	\(E_K(ID_A, R_B)\) ▶

 

- A와 B가 ID 정보를 함께 전송함으로써 이중 계정을 사용한 Reflection Attack을 방지할 수 있다.

 

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Authentication using Public Key Cryptography (공개키를 이용한 인증)

 

- 공개키 메커니즘을 이용한 여러 가지 버전의 인증 메커니즘들을 보며 취약점을 분석해본다.

 

- 다루는 인증 방식들은 아래와 같다.

 

1. 단순 암호화 (Without Mutual Authentication)
2. 단순 서명 (Without Mutual Authentication)
3. 암호화 with 세션 키 (Without Mutual Authentication)
4. 서명 with 세션 키 (Insecure)
5. 선서명 후암호화 with 세션키
6. 선암호화 후서명 with 세션키
7. 선서명 후암호화 with 타임스탬프
8. 선암호화 후서명 with 타임스탬프 (Insecure)

 

 

 

- 메커니즘을 표현할 때 사용하는 약칭에 대한 의미는 아래 표와 같다.

Legend	Description
\(\{x\}_a\)	- \(a\)의 공개키로 \(x\)를 암호화
\([x]_a\)	- \(x\)에 \(a\)가 서명 - \(a\)의 비밀키로 \(x\)를 암호화
\(R\)	- Nonce (Random Number)
\(K\)	- Session Key
\(T\)	- Timestamp

 

* Session Key (세션 키)

- 통신 당사자끼리의 하나의 Communication Session에서만 사용되는 Key이다.

- A와 B가 서로 간의 Authentication을 마치고, Session Key를 분배받아 Communication 하게 된다.

- 하나의 키를 사용한 암호문이 많이 오갈 경우, 이를 분석하여 키를 알아내는 공격에 대비하기 위한 메커니즘이다.

- Confidentiality(기밀성)와 Integrity(무결성)가 보장된다.

 

* Timestamp (타임스탬프)

- 통신 당사자들이 동시간에 통신하고 있다는 Freshness를 보장할 수 있게 하는 수단이다.

- 인증 시 많은 메시지를 주고받아야 하는 Nonce Mechanism과 달리,

  Timestamp Mechanism은 주고 받는 메시지의 수가 상대적으로 적다.

 

* Perfect Forward Secrecy (PFS; 완전 순방향 비밀성)

- 시간이 지나도 공격자가 암호체계를 뚫을 수 없는 성질을 의미한다.

- 비밀 키가 노출되더라도 그 후의 키 분배 과정에서 얻는 세션 키에 대한 기밀성에는 영향을 미치지 않는 성질이다.

- 일반적으로, Ephemeral Diffie-Hellman Key Exchange Algorithm (URL)을 통해 새로운 세션 키를 분배한다.

 

 

 

[Version 1: 단순 암호화]

Alice (A)	"I'm Alice" ▶	Bob (B)
	◀ \(\{R\}_A\)
	\(R\) ▶

 

- Mutual Authentication(상호 인증)이 결여되었다.

  (A는 인증되었지만, B는 인증되지 않았다.)

 

 

 

[Version 2: 단순 서명]

Alice (A)	"I'm Alice" ▶	Bob (B)
	◀ \(R\)
	\([R]_A\) ▶

 

- Mutual Authentication(상호 인증)이 결여되었다.

  (A는 인증되었지만, B는 인증되지 않았다.)

- 이전 Version들로 미루어 보았을 때,

  Encryption과 Signature에 동일한 Key를 사용하는 것에는 많은 문제가 동반됨을 알 수 있다.

 

 

 

[Version 3: 암호화 with 세션키]

Alice (A)	"I'm Alice", \(R\) ▶	Bob (B)
	◀ \(\{R, K\}_A\)
	\(\{R+1, K\}_B\) ▶

 

- Mutual Authentication(상호 인증)이 결여되었다.

  (A는 인증되었지만, B는 인증되지 않았다.)

 

 

 

[Version 4: 서명 with 세션키]

Alice (A)	"I'm Alice", \(R\) ▶	Bob (B)
	◀ \([R, K]_B\)
	\([R+1, K]_A\) ▶

- Mutual Authentication(상호 인증)은 이행되었으나

  세션 키의 비밀이 보장되지 않았다. (세션 키가 노출될 수 있다.)

 

 

 

[Version 5: 선서명 후암호화 with 세션키]

Alice (A)	"I'm Alice", \(R\) ▶	Bob (B)
	◀ \(\{[R, K]_B\}_A\)
	\(\{[R+1, K]_A\}_B\) ▶

- Mutual Authentication이 이행되었고 세션키의 비밀도 보장이 되었다.

 

 

 

[Version 6: 선암호화 후서명 with 세션키]

Alice (A)	"I'm Alice", \(R\) ▶	Bob (B)
	◀ \([\{R, K\}_A]_B\)
	\([\{R+1, K\}_B]_A\) ▶

- Mutual Authentication이 이행되었고 세션키의 비밀도 보장되었다.

 

 

 

[Version 7: 선서명 후암호화 with 타임스탬프]

Alice (A)	"I'm Alice", \(\{[T, K]_A\}_B\) ▶	Bob (B)
	◀ \(\{[T+1, K]_B\}_A\)

- Mutual Authentication이 이행되었고 세션 키의 비밀도 보장이 되었다.

 

 

 

[Version 8: 선암호화 후서명 with 타임스탬프]

 

Alice (A)	"I'm Alice", \([\{T, K\}_B]_A\) ▶	Bob (B)
	◀ \([\{T+1, K\}_A]_B\)

- Mutual Authentication은 이행되었지만, 세션 키가 중간자에 의해 탈취되는 MITM Attack에 취약하다.

- B는 A에게 \(K\)를 전송할 필요가 없다.

  (즉, \([\{T+1\}_A]_B\) 만 전송함으로써 중간자 공격을 방지할 수 있다.)

 

 

 

* MITM Attack (Man-in-the-Middle Attack; 중간자 공격)

- 중간자가 A가 전송한 \(\{T, K\}_B\)를 탈취하여 B에게 그대로 전송함으로써

  B로부터 \([\{T+1, K\}_T]_B\)를 받아

  결과적으로 세션 키 K를 탈취할 수 있는 취약점이 있다.  
  (단, Timestamp로 인해 중간자는 Clock Skew 이내에 연산을 빠르게 처리해야 한다.)

 

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Chosen Protocol Attack (선택 프로토콜 공격)

 

- 사용자가 음란 사이트에 사진을 요청하면

  음란 사이트에서는 사용자에게 서명을 요구하고

  사용자는 X를 서명하여 음란 사이트에 전송한다.

- 음란 사이트는 사용자의 서명을 이용해 은행에서 재화를 구입한다.

- 일대일 프로토콜은 시중에 Deploy 되었을 때 생각지 못한 문제가 생길 수 있음을 유념해야 한다.

 

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Key Distribution Protocol (키 분배 프로토콜)

 

- 키를 분배하고, 키를 관리하는 시스템을 구성하는 프로토콜을 의미한다.

- 본 포스트에서는 아래와 같은 대표적인 키 분배 프로토콜을 다룬다.

 

• Simple Key Distribution Protocol using Trusted 3rd Party Server
  (신뢰할 수 있는 제3자를 이용한 키 분배 프로토콜의 기본형)
• Needham-Schroeder Protocol (니드햄-슈뢰더 프로토콜)
• Kerberos Protocol (커버로스 프로토콜)

 

 

 

- 메커니즘을 표현할 때 사용하는 약칭에 대한 의미는 아래 표와 같다.

Legend	Description
\(E_{ij}(x)\)	- \(i\)와 \(j\)가 가진 키로 \(x\)를 암호화
\(T\)	- Timestamp
\(M\)	- Message
\(N\)	- Nonce

 

 

 

Simple Key Distribution Protocol using Trusted 3rd Party Server

(신뢰할 수 있는 제3자를 이용한 키 분배 프로토콜의 기본형)

 

Alice (A)	\(ID_A, ID_B\) ▶ (Open Session)			Server (S)
	◀ \(E_{AS}(A, B, K_{AB}, T)\) ◀ \(E_{BS}(A, B, K_{AB}, T)\)
	\(E_{BS}(A, B, K_{AB}, T)\) ▶ \(E_{AB}(M)\) ▶			Bob (B)

 

 

 

Needham-Schroeder Protocol (니드햄-슈뢰더 프로토콜) (URL)

 

Alice (A)	\(ID_A, ID_B, N_A\) ▶ (Open Session)			Server (S)
	◀ \(E_{AS}(N_A, ID_B, K_{AB}, E_{BS}(K_{AB}, ID_A))\)
	\(E_{BS}(K_{AB}, ID_A)\) ▶			Bob (B)
	◀ \(E_{AB}(N_B)\)
	\(E_{AB}(N_B - 1)\) ▶

- Nonce를 사용한 탓에 복잡성이 높다.

 

 

 

Kerberos Protocol (커버로스 프로토콜) (URL)

 

 

- Needham-Schroeder Protocol 기반의 키 분배 프로토콜이자 인증 프로토콜로,

  Timestamp 개념을 적용해 효율성을 높이고 보안성을 더 높였다.

- 3개의 머리가 달린 Kerberos로 명명된 이유는 3개의 서버를 두고 운용되는 프로토콜이기 때문이다.

 

Legend	Description
\(L\)	- 세션 키의 존속시간 (Lifetime)
\(T_i\)	- Timestamp included by \(i\)

 

Alice (A)	\(ID_A, ID_B\) ▶ (Open Session)			Ticket Granting Server (S)
	◀ \(E_{AS}(T_S, L, K_{AB}, B, E_{BS}(T_S, L, K_{AB}, A))\)
	\(E_{BS}(T_S, L, K_{AB}, A), E_{AB}(A, T_A)\) ▶			Bob (B)
	◀ \(E_{AB}(T_A + 1)\)

 

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Reference: Information Security: Principles and Practice 2nd Edition
(Mark Stamp 저, Pearson, 2011)

 

Reference: Computer Security: Principles and Practice 3rd Edition

(William Stallings, Lawrie Brown, Pearson, 2014)

 

Reference: Multi-factor authentication, Wikiepedia, 2022.04.10 작성, URL, 2022.04.19 검색

 

Reference: Needham-Schroeder protocol, Wikipedia, 2022.01.21 작성, URL, 2022.04.20 검색

 

Reference: Kerberos (protocol), Wikipedia, 2022.04.18 작성, URL, 2022.04.20 검색

Reference: 2022학년도 1학기 홍익대학교 네트워크 보안 강의, 이윤규 교수님