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2 INTERNET-DRAFT                                         Clifford Neuman
3 draft-ietf-cat-kerberos-pk-init-00.txt                      Brian Tung
4 Updates: RFC 1510                                                  ISI
5 expires September 3, 1995                                    John Wray
6                                          Digital Equipment Corporation
9     Public Key Cryptography for Initial Authentication in Kerberos
12 0. Status Of this Memo
14    This document is an Internet-Draft.   Internet-Drafts  are  working
15    documents of the Internet Engineering Task Force (IETF), its areas,
16    and its working groups.  Note that other groups may also distribute
17    working documents as Internet-Drafts.
19    Internet-Drafts are draft documents valid  for  a  maximum  of  six
20    months  and  may  be updated, replaced, or obsoleted by other docu-
21    ments at any time.  It is inappropriate to use  Internet-Drafts  as
22    reference  material  or  to  cite them other than as ``work in pro-
23    gress.''
25    To learn the current status of any Internet-Draft, please check the
26    ``1id-abstracts.txt'' listing contained in the Internet-Drafts Sha-
27    dow Directories on ds.internic.net (US East  Coast),  nic.nordu.net
28    (Europe),  ftp.isi.edu  (US  West Coast), or munnari.oz.au (Pacific
29    Rim).
31    The distribution of  this  memo  is  unlimited.   It  is  filed  as
32    draft-ietf-cat-kerberos-pk-init-00.txt, and expires August 6, 1995.
33    Please send comments to the authors.
36 1. Abstract
38    This document defines extensions to the Kerberos protocol  specifi-
39    cation  (RFC  1510,  "The  Kerberos  Network Authentication Service
40    (V5)", September 1993) to provide a method for using public key
41    cryptography during initial authentication.  The method defined 
42    specifies the way in which preauthentication data fields and error
43    data fields in Kerberos messages are to be used to transport public
44    key data. 
46 2. Motivation
48    Public key cryptography provides a means by which a principal may
49    demonstrate possession of a key, without ever having divulged this
50    key to anyone else.  In conventional cryptography, the encryption key
51    and decryption key are either identical or can easily be derived from
52    each other.  In public key cryptography, however, neither key can be
53    derived easily from the other; hence, the ability to encrypt a message
54    does not imply the ability to decrypt it in turn.  Additionally, each
55    key is a full inverse of the other, so that either key can be used
56    for encryption or decryption.
58    The advantages provided by public key cryptography have produced a
59    demand for its integration into the Kerberos authentication protocol.
60    There are two important areas where public key cryptography will have
61    immediate use: in the initial authentication of users registered with
62    the KDC or using public key certificates from outside authorities,
63    and to establish inter-realm keys for cross-realm authentication.
64    This memo describes a method by which the first of these can be done.
65    The second case will be the topic for a separate proposal.
67    Some of the ideas on which this proposal is based arose during
68    discussions over several years between members of the SAAG, the
69    IETF-CAT working group, and the PSRG, regarding integration of
70    Kerberos and SPX.  Some ideas are drawn from the DASS system, and
71    similar extensions have been discussed for use in DCE.  These changes
72    are by no means endorsed by these groups.  This is an attempt to
73    revive some of the goals of that group, and the proposal approaches
74    those goals primarily from the Kerberos perspective.
76    This proposal will allow users with keys already registered for use
77    with X.509, PEM, or PGP, to use those keys to obtain Kerberos
78    credentials which can then be used for authentication with application
79    servers supporting Kerberos.
81    Use of public-key will not be a requirement for Kerberos, but if one's
82    organization runs a KDC supporting public key, then users may choose
83    to be registered with public keys instead of the current secret key.
84    The application request and response, between Kerberos clients and
85    application servers, will continue to be based on conventional
86    cryptography, and the application servers will continue to be
87    registered with conventional keys.
90 3. Initial authentication of users with public keys
92    This section proposes extensions to Version 5 of the Kerberos
93    protocol that will support the use of public key cryptography 
94    by users in the initial request for a ticket granting ticket.
96    The advantage of registering public keys with the KDC lies in the
97    ease of recovery in case the KDC is compromised.  With Kerberos as it
98    currently stands, compromise of the security KDC is disastrous.  All
99    keys become known by the attacker and all keys must be changed.  
101    If users register public keys, compromise of the KDC does not divulge
102    their private key.  Compromise of security on the KDC is still
103    disastrous, since the attacker can impersonate any user.  An
104    attacker with the private key of the KDC can use it to certify a
105    bogus nonce key, and impersonate a user.  Changing this key
106    invalidates all bogus certifications.  Legitimate users must
107    re-certify their keys with the new KDC key, but users' public
108    keys do not have to be changed.  (Users who store their private
109    keys in an encrypted form on the KDC do have to change their
110    keys, since the encryption key is a symmetric key derived from
111    a password (as described below) and hence vulnerable to dictionary
112    attacks.  The difference is that, assuming good password policy,
113    site policy may allow the use of the old password only for the
114    purpose of key change for a time after the compromise, which means
115    that users can change their own passwords, rather than forcing the
116    administrator to re-key everyone.)
118    In the event of compromise of the KDC, recovery is simple since only
119    the KDC's key, keys for application servers, and users' private keys
120    stored in the KDC (as described above) must be changed.
121    Since there are usually fewer servers than users, and since an
122    organization usually has better procedures for updating servers,
123    changing these keys is much easier than having to individually
124    contact every user.
126    This proposed extension will not require users to register with
127    public keys.  It is intended to allow them to do so, but we recognize
128    that there are many reasons, including licensing terms, that users or
129    an organization as a whole will choose not to use the public key
130    option.  Users registered will public keys will only be able to
131    perform initial authentication from a client that support public key,
132    and must be registered in a realm that supports public key.  But they
133    will be able to use services registered in realms that support only
134    conventional Kerberos.  Further, users registered with conventional
135    Kerberos keys will be able to use all clients.
137    This proposal specifically does not address the registration of
138    public keys for services.  The application request and response,
139    between Kerberos clients and application servers, will continue to be
140    based on conventional cryptography, and the application servers will
141    continue to be registered with conventional keys. There are
142    performance issues and other reasons that servers may be better off
143    using conventional cryptography.  There are also reasons that they
144    may want to use public key.  For this proposal, however, we feel that
145    80 percent of the benefits of integrating public key with Kerberos
146    can be attained for 20 percent of the effort, by addressing only
147    initial authentication. This proposal does not preclude separate
148    extensions.
150    This proposal address two ways in which users may use public key
151    cryptography for initial authentication with Kerberos.  In both
152    cases, the end result is that the user obtains a conventional ticket
153    granting ticket, or conventional server ticket, that may be used for
154    subsequent authentication, with such subsequent authentication using
155    only conventional cryptography.
157    Users may register keys directly with the KDC, or they may present
158    certificates by outside certification authorities (or certifications
159    by other users) attesting to the association of the public key with
160    the named user.  We first consider the case where the user's key is
161    registered with the KDC.
164 3.1 Initial request for user registered with public key on KDC 
166    In this scenario it is assumed that the user is registered with a public
167    key on the KDC.  The user's private key may be known to the user, or
168    may be stored on the KDC, encrypted so that it can not be used by the KDC.
170    We consider first the case where the user knows the private key, then
171    add support for retrieving the private key from the KDC.
173    The initial request to the KDC for a ticket granting ticket proceeds
174    according to RFC 1510.  Typically, preauthentication using a secret
175    key would not be included, but if included it may be ignored by the
176    KDC.  (This may introduce a problem: even if the KDC should ignore
177    the preauthentication, an attacker may not, and use an
178    intercepted message to guess the password off-line.)
179    If the private key is known to the client in advance, the
180    response from the KDC would be identical to the response in RFC1510,
181    except that instead of being encrypted in the secret key shared by the
182    client and the KDC, it is encrypted in a random key freshly generated
183    by the KDC.  A preauthentication field (specified below)
184    accompanies the response, containing a certificate with the public
185    key for the KDC, and a package containing the secret key in which the
186    rest of the response is encrypted, itself encrypted in the private key
187    of the KDC, and the public key of the user.  This package also contains
188    the same nonce used in the rest of the response, in order to prevent
189    replays of this part of the message, accompanied by a reconstructed
190    response.
192    PA-PK-AS-REP ::= SEQUENCE {
193            kdc-cert     SEQUENCE OF OCTET STRING,
194            encryptPack  EncryptedData -- EncPaPkAsRepPart
195    }
197    EncPaPkAsRepPart ::= SEQUENCE {
198            enc-sess-key INTEGER,
199            nonce        INTEGER
200    }
202    Upon receipt of the response from the KDC, the client will verify the
203    public key for the KDC from PA-PK-AS-REP preauthentication data field,
204    The certificate must certify the key as belonging to a principal whose
205    name can be derived from the realm name.  We solicit discussion on the
206    form of the kdc-cert.  If client systems are expected to know (by
207    being hard-coded, for example) at least one public key, and to verify
208    certificates from that key, then there should be at least some policy
209    about which key that is, or alternatively some way to inform the KDC
210    which key the client possesses.
212    If the certificate checks
213    out, the client then extracts the message key for the rest of the
214    response by decrypting the field in the PA-PK-AS-REP with the public
215    key of the KDC and the private key of the user.  The client then uses
216    the message key to decrypt the rest of the response, and continues as
217    per RFC1510[1].
220 3.1.1. Private key held by KDC
222    When the user's private key is not carried with the user, the user may
223    encrypt the private key using conventional cryptography, and register
224    the encrypted private key with the KDC.
226    When the user's private key is registered with the KDC, the KDC record
227    will also indicate whether preauthentication is required before
228    returning the record (we recommend that it be required).  If such
229    preauthentication is required, when the initial request is received
230    the KDC will respond with a KRB_ERROR message of type
231    KDC_ERR_PREAUTH_REQUIRED and with an error data field set to:
233    PA-PK-AS-INFO ::= SEQUENCE {
234            kdc-cert     OCTET STRING}
235    }
237    The kdc-cert field is identical to that in the PA-PK-AS-REP
238    preauthentication data field returned with the KDC response, and must
239    be validated as belonging to the KDC in the same manner.
241    Upon receipt of the KRB_ERROR message with a PA-PK-AS-INFO field, the
242    client will prompt the user for the password that will be used to
243    decrypt the private key when returned, calculate a one way hash H1 of the
244    key, and send a request to the KDC, including a timestamp and a
245    client-generated nonce secret key that will be used to super-encrypt
246    the encrypted private key before it is returned to the client.  This
247    information is sent to the KDC in a subsequent AS_REQ message in a
248    preauthentication data field:
250    PA-PK-AS-REQ ::= SEQUENCE {
251            enc-part     EncryptedData -- EncPaPkAsReqPart
252    }
254    EncPaPkAsReqPart ::= SEQUENCE {
255            tstamp       KerberosTime,
256            noncekey     INTEGER
257    }
259    encrypted first with the hash H1, then the public key of the KDC from
260    the certificate in the PA-PK-AS-INFO field of the error response.
262    Upon receipt of the authentication request with the PA-PK-AS-REQ the
263    KDC verifies the hash of the user's DES encryption key by comparing it
264    to the hash stored in the users database record.  If valid, it
265    generates the AS response as defined in RFC1510, but additionally
266    includes a preauthentication field of type PA-PK-USER KEY.  This
267    response will also be included in response to the initial request
268    without preauthentication if preauthentication is not required for the
269    user and the user's encrypted private key is stored on the KDC.  The
270    KDC generates a preauthentication data field of type PA-PK-USER-KEY
271    which will be returned with the KDC reply (together with the
272    PA-PK-AS-REP that is already returned).
274    PA-PK-USER-KEY ::= SEQUENCE {
275            enc-priv-key         OCTET STRING OPTIONAL
276    }
278    This message contains the encrypted private key that has been
279    registered with the KDC by the user, as encrypted by the user,
280    super-encrypted with the noncekey from the PA-PK-AS-REQ message if
281    preauthentication using that method was provided.  Note that since
282    H1 is a one-way hash, it is not possible for one to decrypt the
283    message if one possesses H1 but not the noncekey that H1 is derived
284    from.
287 3.2. Clients with a public key certified by an outside authority
289    In the case where the client is not registered with the current KDC,
290    the client is responsible for obtaining the private key on its own.
291    The client will request initial tickets from the KDC using the TGS
292    exchange, but instead of performing pre-authentication using a
293    Kerberos ticket granting ticket, or with the PA-PK-AS-REQ that is used
294    when the public key is known to the KDC, the client performs
295    preauthentication using the preauthentication data field of type
296    PA-PK-AS-EXT-CERT:
298    PA-PK-AS-EXT-CERT ::= SEQUENCE {
299            user-cert    SEQUENCE OF OCTET STRING,
300            authent      EncryptedData -- PKAuthenticator
301    }
303    PKAuthenticator ::= SEQUENCE {
304            cksum        Checksum OPTIONAL,
305            cusec        INTEGER,
306            ctime        KerberosTime,
307    }
309    The fields in the encrypted authenticator are the same as those
310    in the Kerberos authenticator.  The structure is itself signed using
311    the user's private key corresponding to the public key in the
312    certificate. 
314    The KDC will verify the preauthentication authenticator, and check the
315    certification path against its own policy of legitimate certifiers.
316    This may be based on a certification hierarchy, or simply a list of
317    recognized certifiers in a system like PGP.
319    If all checks out, the KDC will issue Kerberos credentials, as in 3.1,
320    but with the names of all the certifiers in the certification path
321    added to the transited field of the ticket, with a principal name
322    taken from the certificate (this might be a long path for X.509, or a
323    string like "John Q. Public <jqpublic@company.com>" if the certificate
324    was a PGP certificate.  The realm will identify the kind of
325    certificate and the final certifier (e.g. PGP:<endorser@company.com>)[2].
328 4. Compatibility with One-Time Passcodes
330    We solicit discussion on how the use of public key crytpgraphy for
331    intial authentication will interact with the proposed use of one time
332    passwords discussed in Internet Draft
333    draft-ietf-cat-kerberos-passwords-00.txt 
335 5. Expiration
337    This Internet-Draft expires on August 6, 1995.
340 6. Authors' Addresses
342    B. Clifford Neuman
343    USC/Information Sciences Institute
344    4676 Admiralty Way #1001
345    Marina del Rey, CA 90292-6695
347    Phone: 310-822-1511
348    EMail: bcn@isi.edu
351    Brian Tung
352    USC/Information Sciences Institute
353    4676 Admiralty Way #1001
354    Marina del Rey, CA 90292-6695
356    Phone: 310-822-1511
357    EMail: brian@isi.edu
360    John Wray
361    Digital Equipment Corporation
362    550 King Street, LKG2-2/Z7
363    Littleton, MA 01460
365    Phone: 508-486-5210
366    EMail: wray@tuxedo.enet.dec.com
368 [1] Note: We have not yet defined the public key encryption method for
369 encrypting the enc-sess-key field in the PA-PK-AS-REP.
371 [2] Note: We are soliciting input on the form of the name.  We believe the
372 name part must be taken without modification from the certificate, but the
373 realm part is open for discussion.