Cryptographie Systèmes symétriques et asymétriques

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1 Cryptographie Systèmes symétriques et asymétriques
Fonctions de hachage Signature numérique

2 Problématique Failles dans les protocoles de communication
Toute information circulant sur Internet peut être capturée et enregistrée et/ou modifiée Problème de confidentialité et d’intégrité Toute personne peut falsifier son adresse IP (spoofing) ce qui engendre une fausse identification Problème d’authentification Aucune preuve n’est fournie par Internet quant à la participation dans un échange électronique Problème d’absence de traçabilité

3 Cryptographie Science mathématique permettant d’effectuer des opérations sur un texte intelligible afin d’assurer une ou plusieurs propriétés de la sécurité de l’information. Confidentialité Non Répudiation Intégrité Authentification

4 Définition d’un crypto-système
Un crypto-système est décrit par cinq uplets (P,C,K,E,D), satisfaisant ces conditions: « P » est un ensemble fini de textes clairs (Plain text) « C » est un ensemble fini de textes cryptés (Cypher text) « K » est l’espace de clés (key space), représente un ensemble fini de clés possibles. Pour chaque k € K, il existe une fonction cryptage ek € E, et une fonction de décryptage correspondante dk € D Les fonctions ek : P  C et dk : C  P doivent satisfaire: dk(ek(x))=x pour chaque x € P

5 Principaux objectifs Le texte clair ne doit pas être facilement obtenu à partir d’un texte crypté. Les clés ne doivent pas être facilement obtenues à partir d’un texte crypté. L’espace des clés doit être assez large pour résister aux attaques brute-force.

6 Cryptanalyse Principes et méthodes permettant de trouver un message clair à partir d’un message crypté sans connaissance de la clé. Attaques classifiées selon le type de connaissance disponible pour l’intrus (cryptanalyst). Connaissant C=E(P,K) mais pas K, l’objectif est de trouver P ou K. Types d’attaques de cryptanalyse: Texte chiffré uniquement: uniquement C et E sont connus par l’intrus Texte clair connu: Uniquement E, C, et quelques paires de messages clairs/cryptés avec K, sont connus par l’intrus Texte clair choisi: E, C, sont connus, et P a été choisi par l’intrus. …

7 Cryptage symétrique Exigences:
Un algorithme de cryptage solide. Une clé secrète partagée et connue entre l’émetteur et le récepteur. Y = EK(X) X = DK(Y) Suppose que l’algorithme de cryptage est connu à l’avance. Les clés sont distribuées à travers des canaux sécurisés. Exemples : Algorithmes : DES, IDEA, AES Taille des clés : … bits

8 Cryptage symétrique: principe de base
Emetteur Récepteur Transmission par canal sécurisé Clé Clé Cryptanalyst Texte clair Cryptage Texte clair Décryptage Internet Voici le numéro de ma carte de crédit 111111, Voici le numéro de ma carte de crédit 111111, ☺☼♀☻ ♠♣▼╫◊ ♫◙◘€£ ¥₪Ω٭ Texte crypté

9 Cryptage symétrique: Modes Opérationnels
Cryptage par flux (Stream Cipher) Principe: Traite les éléments d’entrée de façon continue, produisant à la fois un élément de sortie (crypté). La clé est aussi longue que le stream de données. Mode adapté pour la communication en temps réel: Pas besoin d’attendre l’arrivé du block entier Implémenté en général sur des supports hardware. Cryptage par bloc (Bloc Cipher) Principe: Le texte est divisé en différents blocks de taille fixe. Un block est traité à la fois, produisant un block de données cryptées. le block doit être entièrement disponible avant le traitement La même fonction et la même clé est utilisée pour crypter les blocks successifs. Implémentation d’une manière logicielle en générale.

10 Chiffrement Par Flux Chiffrement symétrique
La clé de chiffrement est la même que la clé de déchiffrement

11 Chiffrement Par Flux Caractéristiques
Pas besoin de lire le message ni d'avoir sa longueur pour commencer a chiffrer Génération de pseudo-aléa, appelé flux de clé (keystream) que l'on combine (souvent par XOR) avec le flux de donnees

12 Chiffrement Par Flux

13 Cryptographie Symétrique: opérations de base
Substitution Remplacement de chaque élément (bit, lettre, groupe de bits ou de lettres) dans le texte clair par un autre élément. Transposition Réarrangement des éléments du texte clair La plupart des systèmes utilisent plusieurs étapes de transposition et de substitution. Aucune information ne doit être perdue durant ces deux opérations

14 Exemple de cryptage par substitution
Exemple: Caesar's cipher Etapes: Clé = 3 Remplacer chaque lettre par celle qui la succède de trois (3). a devient d, b devient e, …, y devient b, z devient c L’algorithme peut être décrit comme suit: C = E(p) = (p+3) mod (26) Problèmes rendant la cryptanalyse de cet algorithme simple: Algorithme de cryptage et de décryptage connu. Seulement 25 clés à essayer. Le langage du message clair est connu et facilement identifiable.

15 Exemple de cryptage par transposition
Exemple: Rail fence technique Principe: Le texte clair est réécrit comme une séquence de lignes, puis réordonnée comme une séquence de colonnes Key: Plaintext: a t t a c k p o s t p o n e d u n t i l t w o a m x y z Ciphertext: TTNA APTM TSUO AODW COIX KNLY PETZ Cryptanalyse possible vue que l’algorithme préserve la fréquence de distribution des lettres du texte original.

16 Cryptographie Symétrique : exemples
Algorithmes de chiffrement en continu (Stream Cipher) Exemple : RC4 (RSA Security) Taille de la clé variable (128 bits en pratique). Algorithmes de chiffrement par blocs (Block Cipher) Chiffrement par blocs de texte clair: 64 bits (DES), 128 bits (AES). DES (clé 56 bits), 3DES (clé de 168 bits ou 112 bits). RC2 (clé 128 bits), Blowfish (clé 128bits, jusqu'à 448 bits), AES (clé 128, 192, 256 bits).

17 Cryptage symétrique Avantages Limitations Confidentialité des données.
Rapidité, et facilité de mise en œuvre sur des circuits. Limitations Problématique de l'échange de la clé de chiffrement Établissement préalable d'un canal sûr pour la transmission de la clé Une tierce partie ne peut pas s’assurer de l’authenticité des messages. Problème de la distribution des clés de cryptage Nécessité d’établir un canal sécurisé pour la transmission de la clé Nombre de clés échangées (en n²).

18 Exemple: Chiffrement RC4

19 Chiffrement RC4

20 Chiffrement RC4

21 Chiffrement RC4

22 Chiffrement RC4

23 DES (Data Encryption Standard)
L’algorithme de cryptage (Block cipher) à clés symétriques le plus utilisé. Crypte des blocks de 64 bits en utilisant des clés relativement courtes (taille effective 56-bit). Produit de transpositions et de substitutions. Implémentation facile en matériel. Boites transposition P-Box Boites de substitution S-Box

24 Algorithme DES 1 48 bits 3 2 4

25 DES (étapes 1 et 3): P-Box Permutation initiale Permutation finale
Le bit numéro 1 deviendra à la position 58 Implémentation simple en matériel

26 DES (étape 2) Les sous-clés (Round keys) sont générées à partir de la clé principale de 56 bits: Diviser la clé de 56 bits en deux segments. Rotation de chaque segment par un ou deux bits à droite. Sélection de 24 bits de chaque segment.

27 DES (étape 3) Un tour DES (One DES round)
Cryptage Décryptage Block de 64 bits en entrée Block de 64 bits en entrée 32 bits Li 32 bits Ri Sous-clé de 48 bits Sous-clé de 48 bits 32 bits Li+1 32 bits Ri+1 Fonction de cryptage Fonction de cryptage + + 32 bits Li+1 32 bits Ri+1 32 bits Li 32 bits Ri Block de 64 bits en sortie Block de 64 bits en sortie

28 Fonction de cryptage A B C

29 A- Fonction d’expansion
Etendre les blocks d’entré Ri de 32 bits à un block Ri’ de 48 bits. Division des 32 bits en des segments de 4 bits Élargir chaque segment de 4 bits avec les bits de ses voisins pour attendre 6 bits. XOR des 48 bits en sortie avec la clé. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 … 32 1 2 3 4 5 4 5 6 7 8 9

30 B- Fonction de substitution
1 1110 01=1 0100=4 14 Un sous-bloc de 6 bits est transformé en un sous-bloc de 4 bits.

31 Les boites de substitution

32 C – Fonction de permutation
Bit en position 1 est envoyé en position 16

33 Obtention des sous clés Ki

34 Limites de DES Les progrès en cryptanalyse et en électronique a fait que la longueur 56 des clés est devenu un problème pour DES  La taille de l’ensemble : {0,1}56 permet de retrouver la clé à partir d’un texte clair connu en faisant du brute force. 3-DES (triple DES) a été lancé comme un nouveau standard en 1999. Utilise 2 ou 3 clés. Niveau de sécurité satisfaisant. Permet de continuer l’utilisation des boites S-Box et P-Box matériel et logiciel, en attendant la migration vers AES. K3 Cryptage décryptage Cryptage DES Cryptage Cryptage Cryptage

35 AES: L’algorithme de base: Rijndael
Taille clé (bits) Taille de bloc (bits) 128 192 256 10 12 14 AES Tableau de nombre de rondes pour le Rijndael, déterminé en fonction de la taille des blocs et de la taille de la clé

36 Comparatif DES AES DES AES Taille de clé 56 bits 128, 192 ou 256 bits
Type de chiffre Chiffre à bloc symétrique Taille de bloc 64 bits Resistance à la cryptanalyse Vulnérable à la cryptanalyse linéaire et différentielle; tables de substitution faibles Résistant contre des attaques différentielles, linéaires et par interpolation. Sécurité Prouvé comme inadéquat Considéré sécurisé Clés possibles 256 2128,2192 ou 2256 Clés possibles composées de caractères ASCII affichables* 957 9516, 9524 ou 9532 Recherche sur toutes les clés possibles à 50 milliard de clés par seconde** Pour une clé de 56 bits: 400 jours Pour une clé de 128 bits: 5 x 1021 years * - Il y a 95 caractères ASCII affichables ** - Temps affiché pour une recherche sur 100% des clés. ¨En théorie, une clé peut être trouvée après 50% de recherche. Source :

37 AES: Aperçu général ronde 7 2 4 1 3 6 9 8 5
bloc départ Clé de chiffrage AddRoundKey ronde initiale SubBytes Le chiffrement se fait sur 10 rondes composées de 4 étapes. ShiftRows 9 rondes MixColumns Clé de ronde n AddRoundKey SubBytes ronde finale ShiftRows Clé de ronde 10 AddRoundKey ronde bloc arrivé 7 2 4 1 3 6 9 8 5

38 AES: Domaines d’utilisation
Chiffrement de documents confidentiels L’algorithme AES est utilisé pour protéger des documents confidentiels. Voix sur IP: Skype “Skype uses AES (Advanced Encryption Standard), […] which is used by U.S. Government organizations to protect sensitive, information.” WiFi: pour le WPA2 (norme IEEE i) Utilise l’algorithme AES plutôt que RC4 (utilisé par WEP et WPA) Compression de fichiers: WinRAR et WinZip The Committee on National Security Systems

39 Cryptographie asymétrique (1)
Appelé aussi: cryptographie à clé publique / à paire de clés / asymétrique Représente une révolution dans l’histoire de la cryptographie Utilisation de deux clés: Clé publique: Connue par tout le monde, et peut être utilisée pour crypter des messages ou pour vérifier la signature. Clé privée: Connue par le récepteur uniquement, utilisée pour décrypter les messages, ou pour créer la signature. Si on crypte avec l’une de ces clés le décryptage se fait uniquement avec l’autre. Impossible de trouver la clé privée à partir de la clé publique.

40 Cryptographie asymétrique (2)
Clés à grande taille (ex: RSA: …). Fonction trappe à sens unique Kpr: clé privée, Kpu: clé publique Y=fKpr(X) facile à calculer si Kpr et X sont connus. X=fKpu-1(Y) facile si Kpu et Y sont connus, mais impossible si Y est connu et Kpu non connue. Utilisé généralement pour Cryptage / décryptage: assurer la confidentialité. Signature numérique: assurer l’authentification et la non répudiation. Distribution de clés: se mettre d’accord sur une clé de session.

41 Cryptographie asymétrique: scénarios d’utilisation
Scénario: confidentialité Emetteur Récepteur Clé publique du récepteur Clé privée du récepteur Internet Texte clair Texte clair Cryptage Décryptage Voici le numéro de ma carte de crédit 111111, Voici le numéro de ma carte de crédit 111111, ☺☼♀☻ ♠♣▼╫◊ ♫◙◘€£ ¥₪Ω٭ Texte crypté

42 Cryptographie asymétrique: scénarios d’utilisation
Scénario: authenticité de l’émetteur et non répudiation d’envoi Emetteur Récepteur Clé privée de l’émetteur Clé publique de l’émetteur Internet Texte clair Texte clair Cryptage Décryptage Voici le numéro de ma carte de crédit 111111, Voici le numéro de ma carte de crédit 111111, ☺☼♀☻ ♠♣▼╫◊ ♫◙◘€£ ¥₪Ω٭ Texte crypté

43 Cryptographie asymétrique: scénarios d’utilisation
Scénario: Distribution des clés de session (clés symétriques)

44 Cryptographie asymétrique : exemples
RSA Développé par Rivest, Shamir & Adleman à MIT en 1977, publié en 1978. Le plus connu et le plus utilisé comme algorithme de cryptage asymétrique : utilisé pour le cryptage et la signature électronique. Utilise des entiers très larges bits La sécurité repose sur le coût de factorisation des entiers larges. Diffie-Hellman Algorithme utilisé pour l’échange et la distribution des clés symétriques. Etapes Sélectionner deux entiers premiers entre eux « p » et « q » Calculer n = p x q Calculer φ(n)=(p-1)(q-1) Sélectionner « e » tel que: pgcd(φ(n),e)=1 ; 1<e<φ(n) En général « e » est un entier de petite taille. Calculer d=e-1 mod φ(n) En d’autre terme: d.e = 1 mod (φ(n)) Clé publique: Kpu={e,n} Clé privée Kpr = {d,n} Pour crypter un message M < n, l’émetteur: Obtient une clé publique du récepteur et calcule « C= Me mod n » Pour décrypter un message crypté C le récepteur Utilise sa clé privée et calcule « M = Cd mod n »

45 Cryptage asymétrique: Avantages et inconvénients
Pas besoin d’établir un canal sûr pour la transmission de la clé. Plusieurs fonctions de sécurité: confidentialité, authentification, et non-répudiation Inconvénient Généralement dix fois plus lent que le cryptage symétrique. Problème d’implémentation sur les équipements disposants de faible puissance de calcul (ex: cartes bancaire, stations mobiles, etc.) Clés longues Complexité algorithmique de la méthode (ex: réalisation des opérations modulo n)  Solution: Utilisation du cryptage asymétrique pour l’échange des clés secrètes de session d'un algorithme symétrique à clés privées.

46 Fonction de hachage Entrée: message M avec contenu et taille arbitraire. Sortie: message de taille fixe h=H(M). La fonction de hachage permet d’extraire une empreinte qui caractérise les données. Une empreinte a toujours une taille fixe indépendamment de la taille des données. Irréversible: Etant donnée h, il est difficile de trouver x tel que: h = H(x) Complexité de l’ordre de 2n, n est le nombre de bits du digest. Calcul facile et rapide (plus rapide que le cryptage symétrique). Exemples: MD5, SHA, … Taille du digest: … bits

47 Fonctions de Hachage: Principes
Texte clair Internet Texte clair =? Hachage Hachage Empreinte Empreinte reçue Empreinte recalculée Empreinte reçue recalculée = Le texte reçu est intègre 1) Empreinte reçue recalculée ≠ Le texte reçu est altéré 2)

48 Propriétés d’une fonction de hachage
Irréversible Soit « y » le résultat de hachage, il est pratiquement infaisable de trouver « x » tel que h(x)=y. Résistance forte à la collision: Soit « x » et « y=h(x) », il est pratiquement infaisable de trouver «x’x » tel que h(x’)=h(x). Il est pratiquement infaisable de trouver deux valeurs distinctes « x’ » et « x » tel que h(x’)=h(x).

49 Fonctions de Hachage: Exemples
MD5 : Message Digest 5 Développé en 1991 Génère une empreinte de taille 128 bits en traitant les données d’entrée par blocs de 512 bits. SHA-1 : Secure Hash algorithm Génère une empreinte de taille 160 bits. Plus fort que MD5.

50 Signature numérique Principe de fonctionnement Soit:
Le Hash (résultat de la fonction de hachage) d’un message est crypté avec la clé privée de l’émetteur. La clé publique est utilisée pour la vérification de la signature Soit: M: message à signer, H: fonction de hachage Kpr, Kpu: paire de clés privée/publique de l’émetteur. E / D: fonction de cryptage / Décryptage en utilisant Kpu / Kpr. En recevant (M, EKpr(H(M))), le récepteur vérifie si: H(M)=DKpu(EKpr(H(M)))

51 Signature numérique: Génération
Processus de Génération de la Signature numérique Clé privée du signataire Signature numérique Texte clair Fonction de Hachage Cryptage Asymétrique Empreinte

52 Signature numérique: Vérification
Texte clair Hachage =? Empreinte recalculée Clé publique de l’émetteur Signature numérique Décryptage Empreinte reçue 1) = La signature reçue est correcte Empreinte reçue Empreinte recalculée 2) ≠ La signature reçue est incorrecte Empreinte reçue Empreinte recalculée

53 Emetteur Cryptage du résultat de hachage avec la clé privée de l’émetteur Transmission du message, du résultat de hachage crypté, et des informations relatives aux algorithmes utilisés Récepteur Décryptage avec la clé public de l’émetteur Emetteur du message authentifié, message intègre, et l’émetteur ne peut pas répudier l’envoi Signature incorrecte Résultats différent Résultats égaux

54 Signature numérique VS Signature Manuscrite
Les deux signatures (numérique & manuscrite ) assurent: Authentification du signataire Non répudiation. La signature numérique, seule, assure l’intégrité des données. Intégrité Authentification Non Répudiation

55 SSL Le SSL est un procédé de sécurisation des transactions effectuées via Internet système SSL est indépendant du protocole utilisé, ce qui signifie qu'il peut aussi bien sécuriser des transactions faites sur le Web par le protocole HTTP que des connexions via le protocole FTP ou POP . En effet, SSL agit telle une couche supplémentaire, permettant d'assurer la sécurité des données, située entre la couche application et la couche transport (protocole TCP par exemple). Au milieu de l'année 2001, le brevet de SSL appartenant jusqu'alors à Netscape a été racheté par l'IETF (Internet Engineering Task Force) et a été rebaptisé pour l'occasion TLS (Transport Layer Security).

56 SSL