Autenticação Criptográfica

Resumão

MAC significa Código de Autenticação de Mensagem (Message Authentication Code). Este código é enviado junto com a mensagem, para provar sua integridade e autenticidade.

Integridade: Se algum bit da mensagem for alterado o MAC fica inválido. Semelhante a enviar a mensagem junto com sua hash.

Autenticidade: Apenas quem possui a chave criptográfica K é capaz de criar e verificar uma mensagem autenticada com esta chave.

A partir da chave e da mensagem criamos o código de autenticação, também chamado de TAG de autenticação. Enviamos o par (MENSAGEM, TAG) e quem recebe este par pode verificar a integridade e autenticidade da mensagem usando a chave K.

A chave K e a tag de autenticação precisam ambas ter comprimentos de acordo com o nível de segurança da aplicação.

Autenticação HMAC

A primeira opção é HMAC, que usa uma Função Hash para criar o código de autenticação. Eis o algoritmo:

se (comprimento(K) > Hash.Tamanho_Bloco) { K = Hash(K) }
enquanto (comprimento(K) < Hash.Tamanho_Bloco) { K = K || 00 }
K1 = K XOR 5C…5C
K2 = K XOR 36…36
TEMP = Hash(K2 || MENSAGEM)
TAG = Hash(K1 || TEMP)

Usamos uma chave para criar duas chaves diferentes. Cada uma é usada em uma etapa: criar uma hash da mensagem (TEMP) e tag de autenticação (TAG). Note que estamos utilizando o símbolo || com o significado de concatenação.

Antes de gerar K1 e K2, a chave K deve ter o tamanho do bloco da função hash. Este preenchimento do bloco permite pré-computar Hash(K1) e Hash(K2), acelerando a autenticação.

Se o comprimento da chave K for maior que o bloco de entrada da função hash (64 bytes/512 bits para SHA-256 ou 128 bytes/1024 bits SHA-512), primeiro realizamos a hash da chave.

Então, se o comprimento da cahve K for menor que o tamanho do bloco de entrada da função hash adicionamos zeros até completar o tamanho.

Podemos usar qualquer função hash com HMAC.

TAG =HMAC-SHA256(K, MENSAGEM)
TAG =HMAC-SHA512(K, MENSAGEM)

Obviamente vamos utilizar hashes que são criptograficamente seguras, por exemplo SHA2 e SHA3, e com comprimentos de saída adequados para o nível de segurança exigido pela aplicação. A chave K também precisa ser longa o suficiente para ser segura.

Autenticação KMAC

KMAC é uma extensão do padrão SHA3 usando XOFs (funções hash com saída de comprimento variável) baseada na esponja criptográfica Keccak.

Uma vantagem clara de usar KMAC, é que permite diferentes comprimentos de saída, gerando TAGs completamente diferentes para cada comprimento de saída.

KMAC é mais flexível e complicada que HMAC. Não vamos entrar em detalhes.

Podemos escolher entre os níveis de segurança máximos de 128 e 256 bits.

TAG =KMAC-128(K, MENSAGEM, COMPRIMENTO_TAG)
TAG =KMAC-256(K, MENSAGEM, COMPRIMENTO_TAG)

A chave K e a TAG precisam ter comprimentos compatíveis com o nível de segurança da aplicação e a função KMAC também precisa ser escolhida adequadamente. Ex: chave 256 bits e tag 256 bits só fazem sentido com KMAC-256.

Autenticação CBC-MAC

É possível também usar o sistema de autenticação CBC-MAC, que usa cifras em blocos como AES em modo CBC.

CBC-MAC possui características semelhantes a HMAC. Usa duas chaves diferentes K1 e K2, geradas a partir de uma chave mestre K. Primeiro calculamos Cn, o último bloco do modo CBC com a chave K1. Então criptografamos este bloco com a chave K2, gerando a tag de autenticação.

K1 = K XOR 5C…5C
K2 = K XOR 36…36
C0 = EK1(IV)
Ci = EK1(Pi XOR Ci-1)
Cn = EK1(Pn XOR Cn-1)
TAG = EK2(Cn)

A tag de autenticação tem o mesmo comprimento do bloco da cifra, 128 bits no caso de AES.

TAG = CBC-MAC-AES(K, MENSAGEM)

Porque não usar HMAC ou KMAC sempre? Em sistemas embarcados com pouca memória de programa, por exemplo, pode ser inviável implementar uma cifra (como AES-128) e também uma hash (como SHA2 ou SHA3). Então usa-se a cifra para ambos criptografia e autenticação.

Vetor de inicialização e MACs

Note que no modo CBC-MAC, deixamos explícito a existência de um vetor de inicialização (IV).

Este é um nonce, um número utilizado apenas uma vez com a chave K. Ele pode ser aleatório ou um contador incrementado a cada mensagem.

O nonce serve para que duas mensagens tenham tags diferentes, mesmo se o conteúdo seja idêntico.

HMAC e KMAC também podem utilizar um IV, basta colocá-lo logo antes da mensagem:

MENSAGEM = IV || MENSAGEM

Isso é semelhante ao CBC-MAC, que coloca o IV no bloco zero, antes da mensagem.

Se considerarmos os IV como sendo parte da mensagem, sua função é de fazer com que sempre tenhamos uma mensagem diferente sendo autenticada, gerando sempre uma tag diferente.

Note que o vetor de inicialização (IV) é enviado junto com a mensagem, ou seja, não é secreto. Em alguns casos ele não é transmitido, se pode ser identificado pelo contexto.

Links Externos

Wikipedia HMAC

HMAC – FIPS PUB 198-1 – The Keyed-Hash Message Authentication Code

KMAC – NIST 800-185 – SHA-3 Derived Functions

Wikipedia CBC-MAC

CBC-MAC – FIPS PUB 113 – Computer Data Authentication

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Autor: Djones Boni

Engenheiro Eletricista.

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