Information Science Institute of Sripatum University IS516 Computer Communication and Networks ื่ สารคอมพิวเตอร์และเครือข่าย การสอ Asst.Dr.Surasak Mungsing surasak.mu@spu.ac.th mungsing@gmail.com http://www.spu.ac.th/teacher/surasak.mu Sripatum University 1 SPU Lecture 11 Network Security Information Science Institute of Sripatum University Security Information Security Computer Security protecting information and information systems from unauthorized access, use, disclosure, disruption, modification, perusal, inspection, recording or destruction a branch of computer technology known as information security as applied to computers and networks protection of information and property from theft, corruption, or natural disaster, while allowing the information and property to remain accessible and productive to its intended users Network Security provisions and policies adopted by the network administrator to prevent and monitor unauthorized access, misuse, modification, or denial of the computer network and network-accessible resourcesork Security 3 SPU Information Science Institute of Sripatum University Need for Security Some people who cause security problems and why. 4 SPU Information Science Institute of Sripatum University Security Threats Passive attacks (eavesdropping) Release of message contents - ลักลอบนำข้อมูลออกไป Traffic analysis – แอบวิเครำะห์สภำวะกำรจรำจร และสังเกตุกระบวนกำรรับส่ งข้อมูล Difficult to detect because there is no data alteration Emphasis on prevention through encryption Active attacks - เกี่ยวข้องกับกำรแก้ไขเปลี่ยนแปลงสำยข้อมูลสำยข้อมูล Masquerade – ปลอมเป็ นผูใ้ ช้ที่ได้รับอนุ ญำต Replay – ดักจับข้อมูลโดยไม่ให้รู้ตวั แล้วนำมำส่ งใหม่โดยมีวตั ถุประสงค์ร้ำย Modification of messages - เปลี่ยนแปลงแก้ไขบำงส่ วนของข้อควำมโดยมี วัตถุประสงค์ร้ำย Denial of Service – ป้ องกันกำรใช้งำนตำมปกติหรื อกำรทำให้ server ทำงำนมำก ผิดปกติจนไม่สำมำรถให้บริ กำรได้ตำมปกติ 5 SPU Information Science Institute of Sripatum University Security Requirements Confidentiality – ควำมลับของข้อมูล เฉพำะผูท้ ี่ได้รับอนุญำตเท่ำนั้นจึง จะสำมำรถเข้ำถึงข้อมูลได้เท่ำนั้น Integrity – ควำมมัน่ คงของข้อมูล เฉพำะผูท้ ี่ได้รับอนุญำตเท่ำนั้นจึงจะ สำมำรถเปลี่ยนแปลงแก้ไขข้อมูลได้ Availability - ควำมพร้อมให้บริ กำรข้อมูลเพำะกับผูท้ ี่ได้รับอนุญำต Authenticity - ควำมสำมำรถในกำรพิสูจน์ทรำบผูใ้ ช้ 6 SPU Information Science Institute of Sripatum University Cryptography The encryption model (for a symmetric-key cipher). 7 SPU Information Science Institute of Sripatum University Substitution Ciphers เป็ นวิธีกำรแทนตัวอักษรหนึ่งตัวหรื อหนึ่งกลุ่มด้วยตัวอักษรอีกตัวหนึ่งเพื่อปิ ดบังค่ำที่แท้จริ ง วิธีกำรแบบนี้ที่เก่ำแก่ที่สุดเรี ยกว่ำ Caesar cipher Plaintext: xy z a b c d e fg h i j k l mn o pqr s t u v w Ciphertext: Q W E R T Y U I O P A S D F G H J K L Z X C V BNM ตัวอย่ำงเช่น “attack” จะถูกแปลงเป็ น “QZZQEA” What is plain text for Caesar cipher text “exxegoexsrgi” ? Ciphertext: WKH TXLFN EURZQ IRA MXPSV RYHU WKH ODCB GRJ Plaintext: the quick brown fox jumps over the lazy dog 8 SPU Information Science Institute of Sripatum University Transposition Ciphers เป็ นแบบที่ตวั อักษรยังรักษำลำดับเดิมของตัวอักษรในข้อควำมต้นฉบับ เอำไว้แต่จดั กำรสับเปลี่ยนตัวอักษรเหล่ำนั้นเป็ นตัวอื่นทั้งหมด A transposition cipher. 9 SPU Information Science Institute of Sripatum University One-Time Pads เป็ นการสร ้าง ciphertext ทีไ่ ม่สามารถถอดรหัส (โดยผู ้ทีไ่ ม่ได ้รับอนุญาต) ได ้ ขัน ้ ตอนแรก ่ เลือก จากนัน ให ้เลือก bit string แบบสุม ้ เปลีย ่ น plaintext ให ้เป็ น bit string แล ้วทาการ exclusive OR bit string ทัง้ สองเข ้าด ้วยกันทีละบิต 10 SPU Information Science Institute of Sripatum University Quantum Cryptography ื่ สารสญ ั ญาณผ่านใยแก ้วนาแสงโดยใชหลั ้ กการของ เป็ นการเข ้ารหัสทีใ่ ชกั้ บการสอ quantum mechanics ซงึ่ จะมีการใช ้ polarizing filter เพือ ่ ปรับความเข ้มของแสง ทีล ่ อดออกมา 2 ชุดสาหรับทัง้ ฝ่ ายผู ้รับและฝ่ ายผู ้สง่ คือ rectilinear basis และ diagonal basis 11 SPU Information Science Institute of Sripatum University Symmetric Encryption The only form of encryption prior to late 1970s Five components to the algorithm Plaintext- เอกสำรหรื อข้อมูลต้นฉบับ Encryption algorithm - ขั้นตอนวิธีกำรเข้ำรหัสข้อมูล Secret key - กุญแจที่ใช้ในกำรเข้ำรหัส Ciphertext - ข้อควำมใหม่ที่ผำ่ นกำรเข้ำรหัสแล้ว Decryption algorithm - ขั้นตอนวิธีในกำรถอดรหัสโดยใช้กญ ุ แจตัวเดิม Two requirements Strong encryption algorithm Secure exchange of keys 12 SPU Information Science Institute of Sripatum University Conventional Encryption Operation 13 SPU Information Science Institute of Sripatum University Symmetric Encryption Attacks Cryptanalysis • • เป็ นควำมพยำยำมที่จะวิเครำะห์ข้นั ตอนวิธีกำรเข้ำรหัส หำกมีตวั อย่ำงของข้อควำมก่อนเข้ำรหัส และหลังเข้ำรหัสด้วยแล้วก็ยงิ่ มีโอกำสที่จะนำไปสู่กญ ุ แจที่ใช้ในกำรเข้ำรหัสได้ ถ้ำประสบควำมสำเร็จ ข้อควำมที่ส่งไปแล้วและที่จะส่งใหม่ในอนำคตซึ่งใช้กญ ุ แจดังกล่ำว เข้ำรหัสจะถูกถอดรหัสได้ Brute Force • • เป็ นกำรพยำยำมใช้กญ ุ แจที่คิดว่ำเป็ นไปได้ทุกตัวในกำรถอดรหัส จนกว่ำจะได้ขอ้ ควำมที่อ่ำนได้ อย่ำงมีเหตุผล โดยเฉลี่ยแล้วต้องใช้กญ ุ แจในควำมพยำยำมถึงครึ่ งของกุญแจที่เป็ นไปได้ท้งั หมดจึงจะประสบ ควำมสำเร็จ 14 SPU Information Science Institute of Sripatum University Average time Required for Exhaustive Key Search Key size(bits) Number of Alternative keys Time required at 1 encryption/µs Time required at 106 encryption/µs 32 232=4.3x109 231µs=35.8 minutes 2.15 56 256=7.2x1016 255µs=1142 years 10.01 hours 128 2128=3.4x1038 2127µs=5.4x1024 years 5.4x1018 years 168 2168=3.7x1050 2167µs=5.9x1036 years 5.9x1030 years SPU Information Science Institute of Sripatum University Symmetric Key Encryption Algorithm Most commonly used symmetric encryption algorithm are block ciphers. A block cipher processes the plaintext input in fixed-size blocks and produce a block of ciphertext of equal size for each plaintext block. Two most important symmetric algorithms DES – Data Encryption Standard AES – Advanced Encryption Standard 16 SPU Information Science Institute of Sripatum University Data Encryption Standard (DES) เป็ น encryption algorithm ที่มีควำมโดดเด่นหลังจำกที่เริ่ มใช้งำนในปี 1977 กุญแจขนำด 56-bit ทำให้ algorithm นี้ง่ำยเกินไปที่จะถูก crack ได้ภำยในไม่ เกินปี 1998 ได้มีกำรยืดอำยุกำรใช้ DES โดยใช้เทคนิค triple DES (3DES) Repeats basic DES algorithm three times, using either two or three unique keys Key size of 112 or 168 bits Drawbacks: Algorithm is sluggish in software, 64-bit block size is inefficient 17 SPU Information Science Institute of Sripatum University Data Encryption Standard The data encryption standard. (a) General outline. (b) Detail of one iteration. The circled + means exclusive OR. 18 SPU Information Science Institute of Sripatum University Advanced Encryption Standard 3DES is not a reasonable candidate for long-term use National Institute of Standard and Technology (NIST) proposes AES with equal or better strength than 3DES AES be symmetric cipher with a block length of 128 bits and support for key lengths of 128, 192, and 256 bits 19 SPU Information Science Institute of Sripatum University Advanced Encryption Standard 20 SPU Information Science Institute of Sripatum University Cryptanalysis 21 SPU Information Science Institute of Sripatum University Encryption across a Packet –Switching Network 22 SPU Information Science Institute of Sripatum University Location of Encryption Devices Link encryption Each vulnerable communications link is equipped on both ends with an encryption device. All traffic over all communications links is secured. Vulnerable at each switch End-to-end encryption Encryption process carried out at two end systems Encrypted data transmitted unaltered across network; destination shares key with source to decrypt data Packet headers cannot be secured 23 SPU Information Science Institute of Sripatum University Symmetric Encryption Key Distribution Both parties must have the secret key Key is changed frequently Requires either manual delivery of keys, or a third-party encrypted channel Most effective method is a Key Distribution Center (e.g. Kerberos) 24 SPU Information Science Institute of Sripatum University End-to-End Encryption Two types of keys Session keys – data are encrypted with one-time session key Permanent keys – used between entities for the purpose of distributing session keys Required components Key distribution center – determines which systems are allowed to communicate with each other and provides one-time session key for that connection Security service module (SSM) – performs end-toend encryption and obtain session keys on behalf of users. 25 SPU Information Science Institute of Sripatum University Automated Key Distribution 26 SPU Information Science Institute of Sripatum University Traffic Padding เพื่อป้ องกันกำรโจมตีแบบ Cryptanalysis A function that produces ciphertext output continuously, even in the absence of plaintext Continuous random data stream is generated. When plaintext is available, it is encrypted and transmitted. When input plaintext is not present, the random data are encrypted and transmitted Makes it impossible for an attacker to distinguish between true data flow and noise and therefore impossible to deduce the amount of traffic 27 SPU Information Science Institute of Sripatum University Message Authentication Must verify that contents have not been altered and that source is authentic Approaches Authentication using symmetric encryption Authentication without message encryption Message authentication code One-way hash function 28 SPU Information Science Institute of Sripatum University Message authentication code (MAC) 29 SPU Information Science Institute of Sripatum University Message Authentication using One-Way Hash Function Only sender and receiver share the encryption key. 30 SPU Information Science Institute of Sripatum University Message Authentication using One-Way Hash Function (cont.) 31 SPU Information Science Institute of Sripatum University Message Authentication using One-Way Hash Function (cont.) Technique that uses a hash function but no encryption. 32 SPU Information Science Institute of Sripatum University Hash Function (H) Requirements Can be applied to a block of data of any size. Produces a fixed-length output. H(x) is relatively easy to compute for any given x For any given code h, it is computationally infeasible to find x such that H(x) = h. For any given block x, it is computationally infeasible to find y ≠ x with H(y) = H(x). It is computationally infeasible to find any pair (x, y) such that H(x) = H(y). 33 SPU Information Science Institute of Sripatum University Public-Key Encryption ้ ย ์ใ นการเข า้ รหั ส และถอดรหั ส แตกต่ า งกั น และคีย ์ท ี่ใ ช ้ ใช วิ้ ธ ีก ารเข า้ รหั ส ที่ใ ช คี ้ ้ารหัสได ้ ถอดรหัสนัน ้ ไม่สามารถสร ้างขึน ้ มาจากคียท ์ ใี่ ชเข การเข ้ารหัส (E) และการถอดรหัส (D) จะต ้องอยูใ่ นเงือ ่ นไข 3 ประการ 1. D(E(P))=P 2. เป็ นการยากทีจ ่ ะสร ้าง D ขึน ้ มาจาก E 3. E จะต ้องทนทานต่อวิธก ี ารถอดรหัสแบบ chosen plaintext attack Asymmetric, involving the use of two separate keys ความเข ้าใจผิดเกีย ่ วกับการเข ้ารหัสด ้วย public key คิดว่ามีความปลอดภัยสูงจากการโจมตีแบบ cryptanalysis ้ ้เอนกประสงค์ทท คิดว่าเป็ นเทคนิคทีใ่ ชได ี่ าให ้ conventional encryption ล ้าสมัย คิดว่ามีความยุง่ ยากน ้อยกว่า conventional encryption 34 SPU Information Science Institute of Sripatum University Public-Key Encryption Components Plaintext Encryption algorithm Public and private key Ciphertext Decryption algorithm 35 SPU Information Science Institute of Sripatum University Public-Key Encryption Operation Encryption 36 SPU Information Science Institute of Sripatum University Public-Key Signature Operation Authentication 37 SPU Information Science Institute of Sripatum University Characteristics of Public-Key Computationally infeasible to determine the decryption key given knowledge of the cryptographic algorithm and the encryption key Either of the two related keys can be used for encryption, with the other used for decryption 38 SPU Information Science Institute of Sripatum University Steps in Public Key Encryption Each user generates a pair of keys to be used for the encryption and decryption of messages. Each user places one of the two keys in a public register or other accessible file. This is the public key. The companion key is kept private. If Bob wishes to send a private message to Alice, Bob encrypts the message using Alice's public key. When Alice receives the message, she decrypts it using her private key. No other recipient can decrypt the message because only Alice knows Alice's private key. 39 SPU Information Science Institute of Sripatum University Digital Signature Process 40 SPU Information Science Institute of Sripatum University RSA Encryption Algorithm Developed in 1977, by Ron Rivest, Adi Schamir and Len Adleman at MIT, first published in 1978 Widely accepted and implemented approach to public-key encryption For plaintext block M and ciphertext block C C = Me mod n M = Cd mod n = (Me)d mod n = Med mod n Both sender and receiver must know values of n and e; only receiver knows value of d Public key of KU = {e, n} Private key of KR = {d, n}. 41 SPU Information Science Institute of Sripatum University RSA Encryption Algorithm (cont.) วิธีกำรแบบ RSA นั้นนำพื้นฐำนของทฤษฎีตวั เลขมำใช้ มีข้ นั ตอนกำรทำงำน ดังนี้ 1. เลือกตัวเลขที่เป็ น prime number ขนำดใหญ่ p และ q (โดยทัว่ ไป ขนำด 1024 bit) 2. คำนวณ n=p x q และ z=(p-1) x (q-1) 3. เลือกตัวเลขที่เป็ น prime number เรี ยกว่ำ d 4. หำค่ำ e ซึ่ง e x d =1 mod z 42 SPU Information Science Institute of Sripatum University RSA An example of the RSA algorithm. 43 SPU Information Science Institute of Sripatum University RSA Requirements It is possible to find values of e, d, n such that Med = M mod n for all M < n. It is relatively easy to calculate Me and Cd for all values of M < n. It is infeasible to determine d given e and n. This requirement can be met with large values of e and n 44 SPU Information Science Institute of Sripatum University Approaches to Defeating RSA Brute force approach: try all possible private keys. The larger the number of bits in e and d, the more secure the algorithm. However, the larger the size of the key, the slower the system will run. Cryptanalysis: factoring n into its two prime factors A hard problem, but not as hard as it used to be Currently, a 1024-bit key size is considered strong enough for virtually all applications 45 SPU Information Science Institute of Sripatum University Key Management Symmetric encryption requires both parties to share a secret key Secure distribution of keys is the most difficult problem for symmetric encryption Public key encryption solves this problem, but adds the issue of authenticity Public key certificates address this issue 46 SPU Information Science Institute of Sripatum University Public Key Certificate Process Public-key Certificate consists of a public key plus a User ID of the key owner, with the whole block signed by the third trusted party. 47 SPU Information Science Institute of Sripatum University Public Key Certificate Process 1. A public key is generated by the user and submitted to Agency X for certification. 2. X determines by some procedure, such as a faceto-face meeting, that this is authentically the user’s public key. 3. X appends a timestamp to the public key, generates the hash code of the result, and encrypts that result with X’s private key forming the signature. 4. The signature is attached to the public key. 48 SPU Information Science Institute of Sripatum University Virtual Private Networks (VPNs) Internet connectivity provides easier access for telecommuters and off-site employees Use of a public network exposes corporate traffic to eavesdropping and provides an entry point for unauthorized users A variety of encryption and authentication packages and products are available to secure and authenticate remote access Need for a standard that allows a variety of platforms to interconnect securely 49 SPU Information Science Institute of Sripatum University Virtual Private Networks (a) A leased-line private network. (b) A virtual private network. 50 SPU Information Science Institute of Sripatum University Applications of IPSec Secures communications across a LAN, WANs, and/or the Internet Can encrypt and/or authenticate all traffic at the IP level Examples of use: Secure branch office connectivity over the Internet Secure remote access over the Internet Establishing extranet and intranet connectivity with partners Enhancing electronic commerce security 51 SPU Information Science Institute of Sripatum University Benefits of IPSec When implemented in a firewall or router, provides strong security for all traffic crossing the perimeter IPSec in a firewall is resistant to bypass Runs below the transport layer (TCP, UDP) and so is transparent to applications Can be transparent to end users Can provide security for individual users if needed 52 SPU Information Science Institute of Sripatum University An IP Security Scenario 53 SPU Information Science Institute of Sripatum University IPSec Functions IPSec provides three main facilities authentication-only function referred to as Authentication Header (AH) combined authentication/encryption function called Encapsulating Security Payload (ESP) a key exchange function For VPNs, both authentication and encryption are generally desired 54 SPU Information Science Institute of Sripatum University IPsec The IPsec authentication header in transport mode for IPv4. 55 SPU Information Science Institute of Sripatum University IPsec (2) (a) ESP in transport mode. (b) ESP in tunnel mode. 56 SPU Information Science Institute of Sripatum University ESP Transport and Tunneling Transport Mode provides protection primarily for upperlayer protocols. Typically used for end-to-end communication between two hosts encrypts and optionally authenticates the IP payload but not the IP header useful for relatively small networks; for a full-blown VPN, tunnel mode is far more efficient Tunnel Mode Provides protection to the entire packet Original packet is encapsulated in ESP fields, protecting contents from examination Used when one or both ends is a security gateway Multiple hosts on networks behind firewalls may engage in secure communications without implementing IPSec 57 SPU Information Science Institute of Sripatum University Scope of ESP Encryption and Authentication 58 SPU Information Science Institute of Sripatum University IPSec Key Management Manual System administrator manually configures each system with its own keys and with the keys of other communicating systems Practical for small, relatively static environments Automated Enables the on-demand creation of keys for SAs and facilitates the use of keys in a large distributed system Most flexible but requires more effort to configure and requires more software 59 SPU Information Science Institute of Sripatum University IPSec and VPNs Organizations need to isolate their networks and at the same time send and receive traffic over the Internet Authentication and privacy mechanisms of secure IP allow for security strategy IPSec can be implemented in routers or firewalls owned and operated by the organization, allowing the network manager complete control over security aspects of the VPN 60 SPU Information Science Institute of Sripatum University Firewalls A firewall consisting of two packet filters and an application gateway. 61 SPU Information Science Institute of Sripatum University E-Mail Security - Pretty Good Privacy(PGP) ทาการเข ้ารหัสข ้อมูลโดยการใช ้ block cipher เรียกว่า IDEA (International Data Encryption Algorithm) ใชคี้ ยข ์ นาด 128 bits การบริหารคีย ์ ใชวิ้ ธ ี RSA และการตรวจสอบความถูกต ้องของข ้อมูล เป็ นแบบ MD5 PGP in operation for sending a message. 62 SPU Information Science Institute of Sripatum University Web Security Threats - ภัยคุกคำม Secure Naming- กำรตั้งชื่ออย่ำงปลอดภัย SSL – The Secure Sockets Layer Mobile Code Security-กำรใช้โค้ดที่ปลอดภัยสำหรับโมบำย 63 SPU ภัยคุกคำม Information Science Institute of Sripatum University Hackers- ทีม ่ ค ี วามสามารถสูงกว่าโปรแกรมเมอร์ทั่วไป ่ Yahoo, CIA, NASA เคยถูกโจมตีมาแล ้ว Cracker – เว็บไซต์ยอดนิยม เชน Denial of Service attack ซงึ่ Cracker จะโดมตีด ้วยการสง่ ข่าวสารจานวน มหาศาลมายังเว็บไซต์นัน ้ ทาให ้ไม่สามารถบริการได ้ตามปกติ ปี 1999 Cracker ชาวสวีเดนบุกเข ้าเว็บไซต์ของ Microsoft Hotmail แล ้วสร ้าง ื่ ผู ้ใช ้ hotmail แล ้วอ่าน mirror site ทีอ ่ นุญาตให ้ผู ้ใดก็ได ้สมารถพิมพ์ชอ ข ้อความใน email ได ้ ี อายุ 19 ปี บก Cracker ชาวรัสเซย ุ เข ้าเว็บไซต์ e-commerce แห่งหนึง่ และ ขโมยหมายเลขบัตรเครดิตไปกว่า 30,000 ใบแล ้วเรียกร ้องเงินจากเจ ้าของ เว็บไซต์ $100,000 เจ ้าของร ้านปฏิเสธ จึงประกาศหมายเลขเครดิตการ์ดไปทั่ว ี เงินไปจานวนมาก อินเทอร์เน็ ต ทาให ้เจ ้าของบัตรสูญเสย อีกกรณีหนึง่ หนุ่มชาวแคลิฟอเนีย อายุ 23 ปี สง่ email เป็ นการแถลงข่าวกล่าว ว่า emulex Corporation กาลังจะนารายงานการขาดทุนการประกอบการในไตร มาสทีส ่ ามเป็ นเงินจานวนมากซงึ่ มีผลทาให ้ประธานกรรมการบริหารต ้องลาออก ในทันที ภายในไม่กช ี่ วั่ โมงหลังจากนั น ้ หุ ้นของบริษัทได ้ตกกว่า 60% ทาให ้ผู ้ ถือหุ ้นต ้องขาดทุนไปกว่า $2,000 ล ้าน แม ้กรณีนไ ี้ ม่เกีย ่ วกับการบุกรุกเข ้าไปใน ี หายแก่บริษัทอย่างใหญ่หลวง เว็บไซต์แต่กอ ่ ให ้เกิดความเสย 64 SPU Information Science Institute of Sripatum University Secure Naming (a) Normal situation. (b) An attack based on breaking into DNS and modifying Bob's record. 65 SPU Information Science Institute of Sripatum University Secure DNS An example RRSet for bob.com. The KEY record is Bob's public key. The SIG record is the top-level com server's signed has of the A and KEY records to verify their authenticity. 66 SPU Information Science Institute of Sripatum University SSL—The Secure Sockets Layer Layers (and protocols) for a home user browsing with SSL. 67 SPU Information Science Institute of Sripatum University Java Applet Security Applets inserted into a Java Virtual Machine interpreter inside the browser. 68 SPU Information Science Institute of Sripatum University Next Lecture Networks Services 69 SPU