Moreno Marzolla Dipartimento di Informatica Scienza e Ingegneria (DISI) Università di Bologna http://www.moreno.marzolla.name/
Copyright 2011, 2016, Moreno Marzolla http://www.moreno.marzolla.name/teaching/finfa/ This work is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International (CC BY-SA 4.0) License. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ or send a letter to Creative Commons, 543 Howard Street, 5th Floor, San Francisco, California, 94105, USA. 2
Ringraziamenti Prof. Gabriele D'Angelo, Università di Bologna https://www.unibo.it/sitoweb/g.dangelo/ 3
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La Sicurezza Informatica La sicurezza informatica è la protezione delle risorse dall'accesso, utilizzo, alterazione o distruzione non autorizzati Due tipi di sicurezza Fisica: protezione dei dispositivi fisici tramite allarmi, antifurto, porte ignifughe, casseforti... Logica: protezione delle informazioni tramite risorse non fisiche (crittografia, firma elettronica...) 5
Sicurezza informatica: terminologia Segretezza Impedire la divulgazione non autorizzata di dati, garantire l'autenticità della fonte Integrità Impedire le modifiche non autorizzate ai dati Autenticazione Verificare l'identità della controparte (con chi sto comunicando?) Disponibilità Impedire ritardi nella diffusione dei dati, o la loro rimozione Es: Attacchi Denial of Service (DoS), Ransomware Non ripudiabilità Impedire che la controparte possa negare una sua azione 6
Crittografia Disciplina che studia le tecniche per cifrare un messaggio in modo tale che solo il legittimo destinatario sia in grado di leggerlo Requisiti: Ragionevole efficienza nella creazione del messaggio Difficoltà nell'interpretazione del messaggio cifrato da parte di chi non è autorizzato 8
Principio di base Una procedura di cifratura trasforma un messaggio in chiaro M in un messaggio cifrato M' usando una chiave di cifratura Kenc E' possibile ricavare M da M' mediante una procedura di decifratura, usando una chiave di decifratura Kdec Encryption key Kenc M E(Kenc, M) Encrypt Decryption key Kdec M' = E(Kenc, M) Canale di comunicazione non sicuro D(Kdec, M') M Decrypt 9
Notazione E(K, M) Funzione di cifratura Data una chiave K e un messaggio M, restituisce il messaggio M' ottenuto cifrando M usando la chiave K D(K, M') Funzione di decifratura Dato un messaggio (cifrato) M' e una chiave K, restituisce il messaggio in chiaro M ottenuto decifrando M' con la chiave K 10
Notazione Si deve avere che: D(Kdec, E(Kenc, M)) = M Se cifro un messaggio M usando la chiave Kenc e decifro cio' che ottengo usando Kdec devo ottenere nuovamente M 11
La sicurezza sta nelle chiavi La sicurezza di un algoritmo crittografico deve risiedere SOLO sulle chiavi crittografiche Chi non conosce la chiave NON deve poter leggere il messaggio cifrato anche se conosce il modo con cui il messaggio è stato cifrato Security by obscurity = mantenere segreto l'algoritmo crittografico nella vana speranza di rendere la crittografia più sicura Non fidatevi mai MAI di soluzioni crittografiche fatte in casa, soprattutto se basate su algoritmi segreti MAI 12
Sistemi crittografici A chiave segreta (crittografia simmetrica) Si usa la stessa chiave per cifrare e decifrare In altre parole, Kenc = Kdec A chiave pubblica (crittografia asimmetrica) Le chiavi di cifratura e decifratura sono diverse In altre parole, Kenc Kdec 13
Sistemi crittografici a chiave simmetrica Uno dei primi esempi è il cifrario di Cesare La chiave K è un numero intero Ogni lettera dell'alfabeto viene sostituita da quella che la segue di K posizioni Esempio: se K = 3 allora CIAOATUTTI A -> D B -> E C -> F... Z -> C K=3 Il cifrario di Cesare non è sicuro! FLDRDWXWWL 14
Cifrari a sostituzione https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6635141 15
DES (Data Encryption Standard) Progettato da IBM e adottato come standard dal governo USA nel 1977 Esistono 256 7,2 1016 chiavi Chiave lunga 56 bit Messaggio diviso in blocchi da 64 bit che vengono cifrati individualmente Sembra un numero grande, ma un moderno calcolatore le puo' esaminare tutte in poche ore! Una variante (Triplo DES) usa chiavi più lunghe e fornisce un livello accettabile di sicurezza 16
AES (Advanced Encryption Standard) Adottato come standard nel 2001, sostituisce DES Caratteristiche di AES Il messaggio viene scomposto in blocchi da 128 bit che vengono cifrati individualmente Si possono usare chiavi lunghe 128, 192 o 256 bit Esistono 2128 3,4 1038 chiavi a 128 bit, per cui esaminarle tutte è al momento impraticabile 17
Riassunto Fonte: W. Stallings and L. Brown, Computer Security: Principles and Practice, Pearson; 2 edition, 2011, ISBN 978-0132775069 18
Pro e contro della crittografia simmetrica PRO Gli algoritmi (Triplo DES, AES e altri) possono essere implementati in modo efficiente CONTRO Le parti che comunicano devono prima scambiarsi la chiave in modo sicuro Questo è un punto critico per il quale non esistono al momento soluzioni generali affidabili 20
Crittografia a chiave pubblica (asimmetrica) Introdotta nella seconda metà degli anni '70 da W. Diffie e M. Hellman Idea Ciascun utente ha due chiavi Se si usa una delle due chiavi per cifrare un messaggio, l'altra (e solo quella) può essere usata per decifrarlo E' impossibile derivare una delle due chiavi anche se si conosce l'altra (le due chiavi sono totalmente indipendenti) Bailey Whitfield 'Whit' Diffie (image from Wikipedia) 21 Martin Edward Hellman (image from Wikipedia)
Esempio K+ KM' = E(K+, M) L'Italia è una Repubblica fondata sul lavoro K- Cifratura usando K+ L'Italia è una Repubblica fondata sul lavoro Decifratura usando K- 22
...ma anche K- K+ A M' = E(K-, M) L'Italia è una Repubblica fondata sul lavoro K+ Cifratura usando K- L'Italia è una Repubblica fondata sul lavoro Decifratura usando K+ 23
Formalmente Se cifro con K+, posso decifrare solo con KD(K-, E(K+, M)) = M Se cifro con K- posso decifrare solo con K+ D(K+, E(K-, M)) = M 24
Idea di base Ogni utente possiede due chiavi Una è pubblica, e viene resa disponibile a chiunque L'altra è privata, e l'utente deve custodirla gelosamente e non comunicarla a nessuno Chiavi pubbliche A+ Alice B+ Chiavi private A- Bob B- 25
Alice e Bob A+ B+ M' = E(B+, M) Alice Bob B- A- B1 Alice cifra il messaggio M con la chiave pubblica di Bob B+ 2 Bob decifra il messaggio M' con la propria chiave privata B26
Però......come fa Bob ad essere sicuro che un messaggio proviene proprio da Alice e non da qualcun altro? Infatti chiunque può codificare il messaggio con la chiave pubblica di Bob, dato che tale chiave è disponibile a chiunque La crittografia asimmetrica può essere usata per risolvere anche questo problema 27
Alice e Bob A+ B+ M' = E(B+, E(A-, M)) B+ A- Alice Bob M A- B1 Alice cifra il messaggio M prima con la sua chiave privata A-, e poi con quella pubblica di Bob B+ 2 Bob decifra il messaggio con la propria chiave privata B-, e poi con quella pubblica di Alice A+ 28
Pro e contro della crittografia asimmetrica PRO Non occorre scambiarsi chiavi segrete: le uniche chiavi che è necessario comunicare sono quelle pubbliche (che per definizione sono pubbliche!) CONTRO Gli algoritmi di crittografia asimmetrica sono più lenti di quelli per crittografia simmetrica Come facciamo ad essere certi che la chiave pubblica, ad es., di Alice è veramente di Alice? 29
Integrità e firma digitale La crittografia a chiave pubblica può essere combinata con le funzioni hash crittografiche per autenticare l'origine di un messaggio e garantirne l'integrità Si fa uso delle funzioni hash crittografiche (dette anche one-way hash o funzioni digest, cioè funzioni riassunto) che vengono applicate al messaggio e ne producono un riassunto (MD = message digest). 30
Esempio (SHA-256) msg1.txt All work and no play makes Jack a dull boy All work and no play makes Jack a dull boy All work and no play makes Jack a dull boy sha256 5f10e43e591ed245374fae017f8c11e429f6bc6ebf42f2d1d75fb4d6e39b8f3b msg2.txt All work and no play makes Jack a dull boy All work and no play makes jack a dull boy All work and no play makes Jack a dull boy sha256 369c932a24add019689c3896657b4c625dc7864d4959aaccaffa2b75254e955b 31
Caratteristiche di funzione hash crittografica Dato un messaggio M, una funzione hash produce un riassunto (digest) di M, che indichiamo con MD(M), con la seguente proprietà Il digest MD(M) ha una certa lunghezza fissa (es., 256 bit) che dipende dalla funzione hash usata Dato un digest, deve essere difficile costruire un messaggio M che abbia esattamente quel digest Se due messaggi M1 ed M2 differiscono di poco, i due digest MD(M1) e MD(M2) dovrebbero essere diversi Nota: è comunque impossibile garantire che messaggi diversi abbiano sempre digest diversi! 32
Funzioni hash usate in pratica MD5 Sviluppato da Ronald Rivest nel 1991 Genera un digest lungo 128 bit Attualmente non ritenuto sicuro SHA (Secure Hash Algorithm) Ronald R. Rivest (Fonte: Wikipedia) SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512 Famiglia di funzioni hash crittografiche sviluppate dalla NSA a partire dal 1993 SHA-x genera un digest lungo x bit (quindi SHA-512 genera un digest lungo 512 bit) Si preferisce usare SHA-256 o SHA-512 33
Uso del digest Alice vuole mandare un messaggio M (es., un contratto) da lei firmato in forma digitale Come puo' Bob essere sicuro dell'autenticità della firma di Alice? Come puo' Alice essere sicura che nessuno possa alterare il contenuto del messaggio da lei firmato, o falsificare la sua firma? 34
Firma digitale A+ B+ M A- Alice Bob MD(M) A- B1 Alice calcola il digest MD(M) del messaggio M; quindi, cifra il digest con la propria chiave privata. Invia M e il digest cifrato a Bob 2 Bob decifra il digest che accompagna il messaggio. Puo' quindi ricalcolare il digest e confrontarlo con quello inviato da Alice 35
La crittografia nella vita quotidiana: TLS TLS viene utilizzato per autenticare l'identità del server cui si è connessi Sono veramente connesso al server della mia banca? 36
Come funziona TLS (molto approssimativo) Il browser dice: Dimostrami che sei veramente en.wikipedia.org Wikipedia risponde con un certificato digitale Contiene, tra l'altro, nome del server e chiave pubblica Firmato da una Certification Authority (CA) Il browser decifra il certificato con la chiave pubblica della CA e lo verifica Il browser genera un numero casuale, lo cifra con la chiave pubblica di Wikipedia e lo invia a en.wikipedia.org Il browser e Wikipedia usano quel numero come chiave di un algoritmo a chiave privata (es, AES) 37
Punti chiave Crittografia simmetrica: DES, AES Efficienti, ma bisogna condividere le chiavi in modo sicuro Crittografia a chiave pubblica Non ci sono chiavi da condividere in modo sicuro Consentono la firma digitale Poco efficienti, quindi prevalentemente usati per scambiarsi chiavi condivise La forza di un algoritmo crittografico sta solo nelle chiavi usate security by obscurity non funziona, né funzionerà mai Se il numero di possibili chiavi è troppo basso, è facile provarle tutte. LA lunghezza della chiave deve essere adeguata La crittografia è difficile Non inventatevi il vostro algoritmo crittografico fatto in casa Non fidatevi di algoritmi crittografici segreti L'anello debole sono quasi sempre persone Sicurezza le e Crittografia 38
Due letture interessanti (e non tecniche) 39