Improve GTK-DOC coverage.
[gnutls.git] / doc / protocol / draft-ietf-tls-sharedkeys-02.txt
blob91be42d4e18a5904ac758336729470716dd67444
2 TLS Working Group                                              P.Gutmann
3 Internet-Draft                                    University of Auckland
4 Expires: April 2004                                         October 2003
6                   Use of Shared Keys in the TLS Protocol
7                        draft-ietf-tls-sharedkeys-02
9 Status of this Memo
11 This document is an Internet-Draft and is in full conformance with all
12 provisions of Section 10 of RFC2026.
14 Internet-Drafts are working documents of the Internet Engineering Task Force
15 (IETF), its areas, and its working groups.  Note that other groups may also
16 distribute working documents as Internet- Drafts.
18 Internet-Drafts are draft documents valid for a maximum of six months and may
19 be updated, replaced, or obsoleted by other documents at any time.  It is
20 inappropriate to use Internet-Drafts as reference material or to cite them
21 other than as "work in progress."
23 The list of current Internet-Drafts can be accessed at
24 http://www.ietf.org/ietf/1id-abstracts.txt
26 The list of Internet-Draft Shadow Directories can be accessed at
27 http://www.ietf.org/shadow.html.
29 Copyright Notice
31 Copyright (C) The Internet Society (2003).  All Rights Reserved.
33 1. Abstract
35 The TLS handshake requires the use of CPU-intensive public-key algorithms with
36 a considerable overhead in resource-constrained environments or ones such as
37 mainframes where users are charged for CPU time.  This document describes a
38 means of employing TLS using symmetric keys or passwords shared in advance
39 among communicating parties.  As an additional benefit, this mechanism
40 provides cryptographic authentication of both client and server without
41 requiring the transmission of passwords or the use of certificates.  No
42 modifications or alterations to the TLS protocol are required for this
43 process.
45 The key words "MUST", "MUST NOT", "REQUIRED", "SHALL", "SHALL NOT", "SHOULD",
46 "SHOULD NOT", "RECOMMENDED", "MAY", and "OPTIONAL" in this document (in
47 uppercase, as shown) are to be interpreted as described in [RFC 2119].
49 2. Problem analysis
51 TLS is frequently used with devices with little CPU power available, for
52 example mobile and embedded devices.  In these situations the initial TLS
53 handshake can take as long as half a minute with a 1Kbit RSA key.  In many
54 cases a fully general public-key-based handshake is unnecessary, since the
55 device is only syncing to a host PC or contacting a fixed base station, which
56 would allow a pre-shared symmetric key to be used instead.  An example of this
57 kind of use is using 3GPP cellular mechanisms to establish keys used to secure
58 a TLS tunnel to a mobile device.
60 In a slight variation of this case, CPU power is available but is too
61 expensive to devote to public-key operations.  This situation is common in
62 mainframe environments, where users are charged for CPU time.  As with mobile
63 devices, mainframe-to-mainframe or client-to-mainframe communications are
64 generally fixed in advance, allowing shared symmetric keys to be employed.
66 In order to solve these problems, we require a means of eliminating the
67 expensive public-key operations in the TLS handshake, while providing an
68 equivalent level of security using shared symmetric keys.  The solution is
69 fairly straightforward.  Observe that after the initial handshake phase, TLS
70 is operating with a quantity of symmetric keying material derived from the
71 information exchanged during the initial handshake.  Using shared symmetric
72 keys involves explicitly deriving the TLS master secret from the shared key,
73 rather than sharing it implicitly via the public-key-based key agreement
74 process.  TLS already contains such a mechanism built into the protocol in the
75 form of the session cacheing mechanism, which allows a TLS session to be
76 resumed without requiring a full public-key-based re-handshake.
78 The solution to the problem then is obvious: We need to seed the TLS session
79 cache with the shared symmetric key.  When the client connects, the session
80 cacheing mechanism takes over and the client and server "resume" the phantom
81 session created by seeding the cache.  This mechanism requires an absolute
82 minimum of code changes to existing TLS implementations (it can be bolted onto
83 any existing TLS engine without needing to change the engine itself), and no
84 changes to the TLS protocol itself.
86 2.1 Design considerations
88 In order to work within the existing TLS protocol design, we require a means
89 of identifying a particular session (the session ID in TLS terminology), and
90 the keying material required to protect the session.  The { ID, key }
91 combination is analogous to the { user name, password } combination
92 traditionally used to secure access to computer systems.
94 In TLS, the session ID is a variable-length value of up to 32 bytes, but is
95 typically 32 or less frequently 16 bytes long.  For our use we don't really
96 care about its form.  A (somewhat unsound) practice would be to use the user
97 name as the session ID.  A more secure alternative would be to employ a value
98 derived from the user name in such a way that it can't be directly connected
99 to it, for example a MAC of the user name.
101 Normally the exact format of the session ID is determined explicitly by the
102 server and remembered by the client for use during session resumption.
103 However, when "resuming" a phantom session in the manner described here, both
104 the client and the server must be able to implicitly generate identical
105 session ID values in order to identify the phantom session to be resumed.  To
106 create a canonical session ID value, we pad the variable-length value out to a
107 fixed length by appending zero bytes.
109 The TLS master secret is a 48-byte value, which is unlikely to correspond to
110 the value of the shared symmetric key or password, which would typically be a
111 128-bit key or a text password/passphrase.  In order to transform this into
112 the type of keying material required by TLS, we need to apply the TLS
113 pseudorandom function (PRF) to produce the master secret with which we seed
114 the session cache.  The shared secret thus takes the place of the 48-byte
115 premaster secret usually used to derive the master secret.  As with the
116 variable-length session ID, we need to canonicalise the variable-length
117 secret.
119 The obvious way to do this would be to by zero-pad it to the standard 48-byte
120 length usually used for the premaster secret, as for the session ID.
121 Unfortunately this straightforward approach doesn't work.  Unlike the SSL PRF,
122 which uses the full secret for both the MD5 and SHA-1 halves, the TLS PRF
123 isn't a pure black-box design because it splits the secret into two halves
124 before using it.  This would result in the second (SHA-1) half in most cases
125 end up with only the zero padding bytes as its "secret".  The reasoning behind
126 this splitting of the secret was that there might be some interaction between
127 the two algorithms that could cause security problems.
129 As a result, it's necessary to be aware of the PRF's internal structure and
130 pre-process the input in a way that negates what the PRF does.  Some of the
131 possible options to fix the problem are:
133 1. Synthesise a new PRF from HMAC to pre-PRF the input to the TLS PRF.  Apart
134    from just being an awful approach, this violates the minimal code-change
135    requirement for TLS implementations that the shared-keys mechanism is
136    supposed to provide.  Instead of simply feeding data in via a standard
137    mechanism, implementors would now need to extend their TLS implementation
138    to introduce new crypto mechanisms.
140 2. Repeat the input (or some variant thereof) to fill the 48-byte secret
141    value.  This is problematic in that it creates key equivalence classes,
142    for example "ABCD" == "ABCDABCD".
144 3. Unsplit the input, so that instead of arranaging it as 1 x 48 bytes it's
145    done as 2 x 24 bytes.  This limits the overall key size, and is specific to
146    the PRF being used - a future PRF design may not split the input in this
147    manner, negating the un-splitting step.
149 The least ugly solution is a variation of 2, prepending a single length byte
150 to the secret, then repeating it to fill 48 bytes, to fix the problem of key
151 equivalence classes.  This is the approach used here.
153 Currently the shared-key mechanism always uses the TLS PRF (even if it's used
154 with SSL, since this is purely a TLS mechanism).  If in the future a new PRF
155 is introduced, it will be necessary to provide some means of switching over to
156 the new PRF if both it and the current one are in active use.  Presumably the
157 only reason to introduce a new, incompatible PRF would be a successful attack
158 on the current one, in which case the point is moot.  However, if for some
159 reason it's necessary to keep both PRFs in active use at the same time, then
160 some mechanism such as adding the session ID and shared key in the standard
161 manner using the TLS PRF and some transformation of the session ID and the
162 shared key using the new PRF can be adopted.  Since the details of a possible
163 PRF switch are impossible to predict (it may entail a complete protocol
164 overhaul for example), this document does not attempt to guess at the details
165 beyond providing this implementation hint.
167 Finally, we need a means of injecting the resulting session ID and master
168 secret into the session cache.  This is the only modification required to
169 existing TLS implementations.  Once the cache is seeded, all further details
170 are handled automatically by the TLS protocol.
172 It should be noted that this mechanism is best suited for situations where a
173 small number of clients/servers are communicating.  While seeding a session
174 cache with IDs and keys for 10,000 different users is certainly possible, this
175 is rather wasteful of server resources, not to mention the accompanying key
176 management nightmare involved in handling such a large number of shared
177 symmetric keys.
179 3. TLS using shared keys
181 [Note: The following is phrased fairly informally, since it's really an
182  application note rather than a standards-track RFC]
184 Before any exchange takes place, the client and server session caches are
185 seeded with a session ID identifying the user/session, and a master secret
186 derived from the shared secret key or password/passphrase.  The exact form of
187 the data used to create the session ID is application specific (but see the
188 comment in the security considerations).  The data used to create the session
189 ID is zero-padded to 16 bytes (128 bits) if necessary to meet the requirements
190 given in section 2.1.  In C this may be expressed as:
192   memset( session_id, 0, 16 );
193   memcpy( session_id, input_data, min( input_data_length, 16 ) );
195 The master secret used to seed the cache is computed in the standard manner
196 using the TLS PRF:
198   master_secret = PRF(shared_secret, "shared secret", "")[0..47];
200 The shared secret or password/passphrase takes the place of the premaster
201 secret that is normally used at this point, arranged as follows: First, the
202 shared secret/password has a single length byte prepended to it.  The length +
203 secret value is then repeated as required to fill the standard 48 bytes.  In C
204 this may be expressed as:
206   for( premaster_index = 0; premaster_index < 48; )
207     {
208     int i;
210     premaster_secret[ premaster_index++ ] = shared_secret_length;
211     for( i = 0; i < shared_secret_length && premaster_index < 48; i++ )
212       premaster_secret[ premaster_index++ ] = shared_secret[ i ];
213     }
215 This formats the shared secret in a manner that allows it to be used directly
216 in place of the standard premaster secret derived from the public-key-based
217 key agreement process.
219 The 'seed' component of the calculation (normally occupied by the client and
220 server nonces) is empty in this case, however applications may choose to use
221 an application or system-specific value to ensure that the same shared secret
222 used with another application or system yields a different master secret.
223 When the 'seed' component is non-empty, it should not contain information
224 computed from the shared_secret value [SIGMA].  Note that the use of the
225 client and server nonces will always produce different keys for each session,
226 even if the same master secret is employed.
228 The final step involves injecting the session ID and master secret into the
229 session cache.  This is an implementation-specific issue beyond the scope of
230 this document.  All further steps are handled automatically by the TLS
231 protocol, which will "resume" the phantom session created by the above steps
232 without going through the full public-key-based handshake.
234 Session cache entries are normally expired after a given amount of time, or
235 overwritten on an LRU basis.  In order to prevent shared secret-based entries
236 from vanishing after a certain amount of time, these cache entries will need
237 to be distinguished from standard cache entries and made more persistent then
238 the latter, for example by giving them a longer expiry time when they are
239 added or periodically touching them to update their last-access time.  Again,
240 this is an implementation issue beyond the scope of this document.
242 3.1 Use of shared keys with SSLv3
244 If this key management mechanism is used with an implementation that supports
245 SSLv3 alongside TLS (as most do), the TLS PRF must be used for both SSLv3 and
246 TLS.  This is required in order to allow the mechanism to function for both
247 SSLv3 and TLS, since using different PRFs would require a different session ID
248 for each PRF used.
250 3.2 Test vectors
252 The following test vectors are derived from the transformation of the password
253 "test" into a master_secret value to be added to the session cache:
255   Shared secret:
257     74 65 73 74   ("test")
259   Shared secret expanded to 48-byte premaster secret size:
261     04 74 65 73 74 04 74 65
262     73 74 04 74 65 73 74 04
263     ...
265   Master secret added to session cache:
267     F5 CE 30 92 B8 09 70 D9
268     22 D5 A1 2C EB 7C 43 FA
269     9C 46 A8 83 EA 6E EF 98
270     EB A5 15 12 FD B1 B6 5A
271     5A 47 B8 C4 C5 63 5B 30
272     86 96 F4 FC FB D5 45 78
274 4. Security considerations
276 The session ID used to identify sessions is visible to observers.  While using
277 a user name as the session ID is the most straightforward option, it may lead
278 to problems with traffic analysis, with an attacker being able to track the
279 identities of communicating parties.  In addition since the session ID is
280 reused over time, traffic analysis may eventually allow an attacker to
281 identify parties even if an opaque session ID is used.  [RFC 2246] contains a
282 similar warning about the contents of session IDs with TLS in general.  It
283 should be noted though that even a worse-case non-opaque session ID results in
284 no more exposure than the use of client certificates during a handshake.
286 As with all schemes involving shared keys, special care should be taken to
287 protect the shared values and to limit their exposure over time.  Documents
288 covering other shared-key protocols such as Kerberos [RFC 1510] contain
289 various security suggestions in this regard.
291 Use of a fixed shared secret of limited entropy (for example a password)
292 allows an attacker to perform an online password-guessing attack by trying to
293 resume a session with a master secret derived from each possible password.
294 This results in a fatal decrypt_error alert (or some equivalent such as
295 handshake_failure or bad_record_mac) which makes the session non-resumable
296 (that is, it clears the phantom session from the session cache).
297 Implementations should limit the enthusiasm with which they re-seed the
298 session cache after such an event; standard precautions against online
299 password-guessing attacks apply.
301 This mechanism is purely a shared-key session establishment mechanism and does
302 not provide perfect forward secrecy (PFS) by negotiating additional new keying
303 material for each session.  Users requiring PFS can either use a shared-key
304 mechanism that also provides PFS such as SRP [SRP], or perform a rehandshake
305 using a standard PFS-providing mechanism over the shared key-protected
306 channel.  Note though that both of these mechanisms negate the two main
307 advantages of the shared-key mechanism, requiring both considerable re-
308 engineering of an existing TLS implementation and considerable CPU time to
309 perform the PFS cryptographic operations.
311 Since it does not contain an innate cryptographic mechanism to provide PFS,
312 the shared-key mechanism is vulnerable to an offline password-guessing attack
313 as follows: An attacker who records all of the handshake messages and knows
314 the plaintext for at least one encrypted message can perform the TLS key-
315 derivation using a selection of guessed passwords, perform the cryptographic
316 operations required to process the TLS handshake exchange, and then apply the
317 resulting cryptographic keys to the known-plaintext message.  Such an attack
318 consumes considerable time and CPU resources, but is nevertheless possible.
320 There are three possible defences against this type of attack, the first two
321 of which are standard defences against password-guessing attacks:
323 1. Don't use weak, easily-guess passwords or keys.
325 2. Perform iterated pre-processing of the password/key before adding it to the
326    session cache.  This has the disadvantage that it negates the shared-key
327    advantage of low CPU consumption during the handshake phase, however the
328    preprocessing can be performed offline on a one-off basis and only the
329    preprocessed key stored by the two communicating parties.  An attacker can,
330    however, also generate a dictionary of pre-processed keys offline, given
331    sufficient CPU and storage space.  The use of a per-server diversifier
332    ('seed' in the PRF process) makes use of a precomputed dictionary
333    impractical, and a secret diversifier makes a general offline attack
334    considerably more difficult through to impossible depending on the
335    circumstances.
337 3. Use a mechanism that allows for the use of shared keys but also provides
338    PFS, with the advantages and disadvantages described earlier.
340 Note that the two password-guessing attacks possible against the shared-key
341 mechanism, while superficially similar, have quite different requirements on
342 the attacker's side.  An online attack merely requires that the attacker know
343 the URL of the server that they wish to attack.  An offline attack requires
344 that an attacker both know the URL of the server that they wish to attack and
345 be able to record complete sessions between the client and the server in order
346 to provide the material required for the offline attack.
348 The TLS specification requires that when a session is resumed, the resumed
349 session use the same cipher suite as the original one.  Since with a shared-
350 secret session there is no actual session being resumed, it's not possible to
351 meet this requirement.  Two approaches are possible to resolve this:
353 1. When the session cache is seeded on the server, a cipher suite acceptable
354    to the server is specified for the resumed session.  This complies with the
355    requirements, but requires that the server know that the client is capable
356    of supporting this particular suite.  In closed environments (for example
357    syncing to a host PC or a fixed base station, or in a mainframe
358    environment) this is likely to be the case.
360 2. The requirements are relaxed to allow the client and server to negotiate a
361    cipher suite in the usual manner.  In order to subvert this, an attacker
362    would have to be able to perform a real-time simultaneous break of both
363    HMAC-MD5 and HMAC-SHA1.  In particular the attacker would need to be able
364    to subvert:
366      HMAC( secret, PRF( secret, MD5+SHA1 hash ) )
368    in the Finished message, which expands to:
370      HMAC( secret, HMAC-MD5^HMAC-SHA1( secret, MD5+SHA1 hash ) )
372    Because of the unlikeliness of this occurring (an attacker capable of doing
373    this can subvert any TLS session, with or without shared secrets), it
374    appears safe to relax the requirement for resuming with the same cipher
375    suite.
377 References (Normative)
379   [RFC 2119] "Key words for use in RFCs to Indicate Requirement Levels",
380              Scott Bradner, RFC 2119, March 1997.
382   [RFC 2246] "The TLS Protocol", RFC 2246, Tim Dierks and Christopher
383              Allen, January 1999.
385 References (Informative)
387   [RFC 1510] "The Kerberos Network Authentication Service (V5)",
388              RFC 1510, John Kohl and B. Clifford Neuman, September
389              1993.
391   [SIGMA] "SIGMA: the `SIGn-and-MAc' Approach to Authenticated
392           Diffie-Hellman and its Use in the IKE Protocols", Hugo
393           Krawczyk, Proceedings of of Crypto'03, Springer-Verlag
394           Lecture Notes in Computer Science No.2729, p.399.
396   [SRP] "Using SRP for TLS Authentication", David Taylor, IETF draft,
397         November 2002.
399 Author's Address
401 Peter Gutmann
402 University of Auckland
403 Private Bag 92019
404 Auckland, New Zealand
406 Email: pgut001@cs.auckland.ac.nz
408 Full Copyright Statement
410 Copyright (C) The Internet Society (2003).  All Rights Reserved.
412 This document and translations of it may be copied and furnished to others,
413 and derivative works that comment on or otherwise explain it or assist in its
414 implementation may be prepared, copied, published and distributed, in whole or
415 in part, without restriction of any kind, provided that the above copyright
416 notice and this paragraph are included on all such copies and derivative
417 works.  However, this document itself may not be modified in any way, such as
418 by removing the copyright notice or references to the Internet Society or
419 other Internet organizations, except as needed for the purpose of developing
420 Internet standards in which case the procedures for copyrights defined in the
421 Internet Standards process must be followed, or as required to translate it
422 into languages other than English.
424 The limited permissions granted above are perpetual and will not be revoked by
425 the Internet Society or its successors or assigns.
427 This document and the information contained herein is provided on an "AS IS"
428 basis and THE INTERNET SOCIETY AND THE INTERNET ENGINEERING TASK FORCE
429 DISCLAIMS ALL WARRANTIES, EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO ANY
430 WARRANTY THAT THE USE OF THE INFORMATION HEREIN WILL NOT INFRINGE ANY RIGHTS
431 OR ANY IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR A PARTICULAR
432 PURPOSE.
434 Acknowledgement
436 Funding for the RFC Editor function is currently provided by the Internet
437 Society.