update .gitignore
[heimdal.git] / doc / standardisation / draft-ietf-krb-wg-cross-problem-statement-04.txt
blobd73e613d8a9826cc3d6499fcdf1df646df986d1f
7 INTERNET-DRAFT                                                 S. Sakane
8 Intended Status: Informational                           Ken'ichi Kamada
9 Expires: January 31, 2010                        Yokogawa Electric Corp.
10                                                                S. Zrelli
11                                                                    JAIST
12                                                              M. Ishiyama
13                                                            Toshiba Corp.
14                                                            July 30, 2009
17        Problem statement on the cross-realm operation of Kerberos
18             draft-ietf-krb-wg-cross-problem-statement-04.txt
23                           Status of this Memo
25    This Internet-Draft is submitted to IETF in full conformance with the
26    provisions of BCP 78 and BCP 79.
28    Internet-Drafts are working documents of the Internet Engineering
29    Task Force (IETF), its areas, and its working groups.  Note that
30    other groups may also distribute working documents as Internet-
31    Drafts.
33    Internet-Drafts are draft documents valid for a maximum of six months
34    and may be updated, replaced, or obsoleted by other documents at any
35    time.  It is inappropriate to use Internet-Drafts as reference
36    material or to cite them other than as "work in progress."
38    The list of current Internet-Drafts can be accessed at
39    http://www.ietf.org/1id-abstracts.html
41    The list of Internet-Draft Shadow Directories can be accessed at
42    http://www.ietf.org/shadow.html
44    This Internet-Draft expires in January 31, 2010.
47 Copyright Notice
49    Copyright (c) 2009 IETF Trust and the persons identified as the
50    document authors.  All rights reserved.
52    This document is subject to BCP 78 and the IETF Trust's Legal
53    Provisions Relating to IETF Documents in effect on the date of
54    publication of this document (http://trustee.ietf.org/license-info).
58 S.Sakane, et al.                                                [Page 1]
60 Internet-Draft                                                 July 2009
63    Please review these documents carefully, as they describe your rights
64    and restrictions with respect to this document.
67 Abstract
69    As industrial automation is moving towards wider adoption of Internet
70    standards, the Kerberos authentication protocol represents one of the
71    best alternatives for ensuring the confidentiality and the integrity
72    of communications in control networks while meeting performance and
73    security requirements.
75    However, the use of Kerberos cross-realm operations in large scale
76    industrial systems may introduce issues that could cause performance
77    and reliability problems. This document describes some examples of
78    actual large scale industrial systems, and lists requirements and
79    restriction regarding authentication operations in such environments.
80    The document then describes standing issues in the Kerberos cross-
81    realm authentication model that should be fixed before Kerberos can
82    be adopted in large scale industrial systems.
86 Conventions used in this document
88    It is assumed that the readers are familiar with the terms and
89    concepts described in the Kerberos Version 5 [RFC4120].
114 S.Sakane, et al.                                                [Page 2]
116 Internet-Draft                                                 July 2009
119 Table of Contents
121     1. Introduction .................................................  4
122     2. Kerberos system ..............................................  4
123        2.1. Kerberos basic operation ................................  4
124        2.2. Cross-realm operation ...................................  5
125     3. Applying Cross-Realm Kerberos in Complex Environments ........  6
126     4. Requirements .................................................  7
127     5. Issues .......................................................  8
128        5.1. Unreliability of authentication chain ...................  8
129        5.2. Possibility of MITM in case of the indirect trust model .  9
130        5.3. Scalability of the direct trust model ...................  9
131        5.4. Exposure to DoS Attacks .................................  9
132        5.5. Client's performance .................................... 10
133        5.6. Pre-authentication problem in roaming scenarios ......... 10
134     6. Implementation consideration ................................. 11
135     7. IANA Considerations .......................................... 11
136     8. Security Considerations ...................................... 11
137     9. Acknowledgments .............................................. 11
138    10. References ................................................... 11
139        10.1. Normative References ................................... 11
140        10.2. Informative References ................................. 12
141    Authors' Addresses ............................................... 12
170 S.Sakane, et al.                                                [Page 3]
172 Internet-Draft                                                 July 2009
175 1.  Introduction
177    Kerberos Version 5 is a widely deployed mechanism that enables a
178    server to authenticate a client's access.  Each client belongs to a
179    managed domain called realm.  Kerberos supports authentication when a
180    client and a server belong to different realms.  This is called
181    cross-realm operation.
183    Meanwhile, there are lots of manners of operation in actual systems,
184    where Kerberos could be applied.  Large systems or distributed
185    systems are typically split into several managed domains.  For
186    example, systems could be split into multiple domains for
187    geographical reasons, or to implement different management policies.
188    Even in such systems, a common authentication mechanism for the
189    different managed domains is required.  When the cross-realm
190    operation of Kerberos is applied to such systems, some issues come
191    out.
193    This document briefly describes the Kerberos Version 5 system and its
194    cross-realm mode of operation.  Then, it describes two actual systems
195    that Kerberos could be applied to.  and describes seven requirements
196    of those systems in term both of management and operation.  Finally,
197    it lists six issues of the cross-realm operation when it is applied
198    to those system.
200    Note that this document might not describe all of the issues of
201    cross-realm operation.  New issues might be found in the future.  It
202    also does not propose any solution to solve the issues.  Furthermore,
203    publication of this document does not mean that each of the issues
204    have to be solved by the IETF members.  Hence, in further step, we
205    will analyze the issues, define problems and explore the solutions.
206    These works will be described in another document.
208    This document is assumed that the readers are familiar with the terms
209    and concepts described in the Kerberos Version 5 [RFC4120].
212 2.  Kerberos system
215 2.1.  Kerberos basic operation
217    Kerberos [RFC4120] is a widely deployed authentication system.  The
218    authentication process in Kerberos involves principals and a Key
219    Distribution Center (KDC).  The principals can be users or services.
220    Each KDC maintains a database of principals and shares a secret key
221    with each registered principal.
226 S.Sakane, et al.                                                [Page 4]
228 Internet-Draft                                                 July 2009
231    The authentication process allows a user to acquire the needed
232    credentials from the KDC.  These credentials allow services to
233    authenticate the users before granting them access to the resources.
234    An important part of the credentials are called Tickets.  There are
235    two kind of tickets: Ticket Granting Ticket (TGT) and Service Ticket.
236    The TGT is obtained periodically from the KDC and has a limited limit
237    after which it expires and the user must renew it.  The TGT is used
238    to obtain the other kind of tickets, Service Tickets.  The user
239    obtains a TGT from the Authentication Service (AS), a logical
240    component of the KDC.  The process of obtaining a TGT is referred to
241    as 'AS exchange'.  When a TGT request is issued by an user, the AS
242    responds by sending a reply packet containing the credentials which
243    consists of the TGT along with a random key called 'TGS Session Key'.
244    The TGT contains a set of information encrypted using a secret key
245    associated with a special service referred to as TGS (Ticket Granting
246    Service).  The TGS session key is encrypted using the user's key so
247    that the user can obtain the TGS session key only if she knows the
248    secret key shared with the KDC.  The TGT then is used to obtain
249    Service Tickets from the Ticket Granting Service (TGS)- the second
250    component of the KDC.  The process of obtaining service tickets is
251    referred to as 'TGS exchange'.  The request for a service ticket
252    consists on a packet containing a TGT and an 'Authenticator'.  The
253    Authenticator is encrypted using the TGS session key and contains the
254    identity of the user as well as time stamps (for protection against
255    replay attacks).  After decrypting the TGT (which was encrypted by
256    the AS using the TGS's secret key), the TGS extracts the TGS session
257    key.  Using that session key, it decrypts the Authenticator and
258    authenticates the user.  Then, the TGS issues credentials requested
259    by the user.  These credentials consist on a service ticket and a
260    session key that will be used to authenticate the user with the
261    desired application service.
264 2.2.  Cross-realm operation
266    The Kerberos protocol provides cross-realm authentication
267    capabilities.  This allows users to obtain service tickets to access
268    services in foreign realms.  In order to access such services, the
269    users first contact their home KDC asking for a TGT that will be used
270    with the TGS of the foreign realm.  If there is a direct trust
271    relationship between the home realm and the foreign realm, namely
272    both realms share keys (this is called inter-realm keys), the home
273    KDC delivers the requested TGT.
275    However, if the home realm does not share inter-realm keys with the
276    foreign realm the home KDC will provide a TGT that can be used with
277    an intermediary foreign realm that is likely to be sharing inter-
278    realm keys with the target realm.  The client can use this
282 S.Sakane, et al.                                                [Page 5]
284 Internet-Draft                                                 July 2009
287    'intermediary TGT' to communicate with the intermediary KDC which
288    will iterate the actions taken by the home KDC.  If the intermediary
289    KDC does not share inter-realm keys with the target foreign realm it
290    will point the user to another intermediary KDC (just as in the first
291    exchange between the user and its home KDC).  However, in the other
292    case (when it shares inter-realm keys with the target realm), the
293    intermediary KDC will issue a TGT that can be used with the KDC of
294    the target realm.  This is so-called indirect trust model.  After
295    obtaining a TGT for the desired foreign realm, the client uses it to
296    obtain service tickets from the TGS of the foreign realm.  Finally,
297    the user access the service using the service ticket.
299    When the realms belong to the same institution, a chain of trust can
300    be determined by the client or the KDC by following the DNS domain
301    hierarchy and supposing that the parent domains share keys with all
302    its child sub-domains.  However, because the inter-realm trust model
303    is not necessarily constructing the hierarchic approach anytime, the
304    trust path must be specified manually.  When intermediary realms are
305    involved, the success of the cross-realm operation completely depends
306    on the realms that are part of the authentication path.
309 3.  Applying Cross-Realm Kerberos in Complex Environments
311    In order to help understanding both requirements and restriction,
312    this section describes scale and operation of two actual systems that
313    could be supported by cross-realm Kerberos.  The two systems would be
314    most naturally implemented using different models, which will imply
315    different requirements for cross-realm Kerberos.
317    We refer to actual petrochemical enterprise [SHELLCHEM], and show two
318    examples among its plants.  The enterprise produces bulk
319    petrochemicals and their delivery to large industrial customers.
320    There are 43 typical plants of the enterprise all over the world.
321    They are managed by the operation sites placed in 35 countries.  This
322    section shows two examples of them.
324    One is an example of a centralized system [CSPC].  CSPC is operated
325    by a joint enterprise of two companies.  This system is one of the
326    largest systems of this enterprise in the world.  This is placed in
327    the area of 3.4 square kilo meters in the north coast of Daya Bay,
328    Guangdong, which is at the southeast of China.  3,000 network
329    segments are established in the system.  16,000 control devices are
330    connected to the local area network.  These devices belong to
331    different 9 sub systems, A control device has some control points,
332    which are controlled and monitored by other devices remotely.  There
333    are 200,000 control points in all.  They are controlled by 3
334    different control center.
338 S.Sakane, et al.                                                [Page 6]
340 Internet-Draft                                                 July 2009
343    Another example is a distributed system [NAM].  The NAM (Nederlandse
344    Aardolie Maatschappij) is operated by a partnership company of two
345    enterprises that represent the oil company.  This system is
346    constituted by some plants that are geographically distributed within
347    the range of 863 square kilometers in the northern part of
348    Netherlands.  26 plants, each is named "cluster", are scattered in
349    the area.  They are connected each other by a private ATM WAN.  Each
350    cluster has approximately 500-1,000 control devices.  These devices
351    are managed by each local control center in each cluster.  In the
352    entire system of the NAM, there are one million control points.
354    In the both of the systems, the end devices are basically connected
355    to a local network by a twisted pair cable, which is a low band-width
356    of 32 kbps.  Low clock CPU, for example H8 [RNSS-H8] and M16C [RNSS-
357    M16C], are employed by many control devices.  Furthermore, to
358    suppress power consumption, these CPU may be lowered the number of
359    clocks.  Because there is a requirement of the explosion-proof.  The
360    requirement restricts the amount of total energy in the device.
362    A device on the network collects data from other devices which are
363    monitoring condition of the system.  The device uses the data to make
364    a decision how to control another devices.  And then the device gives
365    more than one instruction that controls other devices.  If it took
366    time for data to reach, they could not be associated.  The travel
367    time of data from the device to the other device is demanded within 1
368    second at least.
370    A part of the operation, like control of these system, maintenance,
371    and the environmental monitoring, is consigned to an external
372    organization.  Agents who are consigned walk around the plant to get
373    their information, or watch the plant from a remote site.
376 4.  Requirements
378    This section lists the requirements derived from the previous
379    section.  R-1, R-2, R-3 and R-4 are related to the management of the
380    divided system.  R-5, R-6 and R-7 are related to the restriction to
381    such industrial network.
384    R-1  It is necessary to partition a management domain into some
385         domains.  Or it is necessary to delegate a management authority
386         to another independent management domain.
388    R-2  It is necessary to allow different independent management
389         domains to coexist on the same network because two or more
390         organizations need to enter into the system and to management
394 S.Sakane, et al.                                                [Page 7]
396 Internet-Draft                                                 July 2009
399         it.
401    R-3  It is necessary that a device controls other devices that belong
402         to a different domain.
404    R-4  It is necessary to consider that a device is not always
405         geographically or network topologically close to the other
406         devices even when the devices belong to a same management
407         domain.
409    R-5  It is demanded to reduce the management cost as much as
410         possible.
412    R-6  It is necessary to consider the processing performance of the
413         device.  And, it is necessary to suppress the power consumption
414         of the device.
416    R-7  It is necessary to consider bandwidth of the communication.
419 5.  Issues
421    This section lists the issues in the cross-realm operation when we
422    apply the Kerberos version 5 into the system described in the section
423    3, and consider the system applied the Kerberos with the requirements
424    described in the section 4.
427 5.1.  Unreliability of authentication chain
429    When the relationship of trust is constructed like a chain or
430    hierarchical, the authentication path is not dependable since it
431    strongly depends on intermediary realms that might not be under the
432    same authority.  If any of the realms in the authentication path is
433    not available, then the principals of the end-realms can not perform
434    the cross-realm operation.
436    The end-point realms do not have full control and responsibility of
437    the success of the operations even if their respective KDCs are fully
438    functional.  Dependability of a system decreases if the system relies
439    on uncontrolled components.  We can not be sure at 100% about the
440    result of the authentication since we do not know how is it going in
441    intermediary realms.
443    This issue will happen as a by-product of a result meeting the
444    requirements R-1 and R-2.
450 S.Sakane, et al.                                                [Page 8]
452 Internet-Draft                                                 July 2009
455 5.2.  Possibility of MITM in case of the indirect trust model
457    Every KDC in the authentication path knows the shared secret between
458    the client and the remaining KDCs in the authentication path.  This
459    allows a malicious KDC to perform MITM attacks on communications
460    between the client and any KDC in the remaining authentication chain.
461    A malicious KDC also may learn the service session key that is used
462    to protect the communication between the client and the actual
463    application service, and performs a MITM attack between them.
465    In [SPECCROSS], the authors have analyzed the cross-realm operations
466    in Kerberos and provided formal proof of the issue discussed in this
467    section.
469    This issue will happen as a by-product of a result meeting the
470    requirements R-1 and R-2.
473 5.3.  Scalability of the direct trust model
475    In the direct relationship of trust between each realm, the realms
476    involved in the cross-realm operation share keys and their respective
477    TGS principals are registered in each other's KDC.  When direct trust
478    relationships are used, the KDC of each realm must maintain keys with
479    all foreign realms.  This can become a cumbersome task when the
480    number of realms increase.  This also increases maintenance cost.
482    This issue will happen as a by-product of a result meeting the
483    requirements R-1, R-2 and R-5.
486 5.4.  Exposure to DoS Attacks
488    One of the assumption made when allowing the cross-realm operation in
489    Kerberos is that users can communicate with KDCs located in remote
490    realms.  This practice introduces security threats because KDCs are
491    open to the public network.  Administrators may think of restricting
492    the access to the KDC to the trusted realms only.  However, this
493    approach is not scalable and does not really protect the KDC.
494    Indeed, when the remote realms have several IP prefixes (e.g. control
495    centers or outsourcing companies, located world wide), then the
496    administrator of the local KDC must collect the list of prefixes that
497    belong to these organization.  The filtering rules must then
498    explicitly allow the incoming traffic from any host that belongs to
499    one of these prefixes.  This makes the administrator's tasks more
500    complicated and prone to human errors.  And also, the maintenance
501    cost increases.  On the other hand, when ranges of external IP
502    addresses are allowed to communicate with the KDC, the risk of
506 S.Sakane, et al.                                                [Page 9]
508 Internet-Draft                                                 July 2009
511    becoming target to attacks from remote malicious users increases.
513    This issue will happen as a by-product of a result meeting the
514    requirements R-3, R-4 and R-5.
517 5.5.  Client's performance
519    In the cross-realm operation, Kerberos clients have to perform TGS
520    exchanges with all the KDCs in the trust path, including the home KDC
521    and the target KDC.  TGS exchange requires cryptographic operations.
522    This exchange demands important processing time especially when the
523    client has limited computational capabilities.  The overhead of these
524    cross-realm exchanges grows into unacceptable delays.
526    We ported the MIT Kerberos library (version 1.2.4), implemented a
527    Kerberos client on our original board with H8 (16-bit, 20MHz), and
528    measured the process time of each Kerberos message [KRBIMPL].  It
529    takes 195 milliseconds to perform a TGS exchange with the on-board
530    H/W crypto engine.  Indeed, this result seems reasonable to the
531    requirement of the response time for the control network.  However,
532    we did not modify the clock speed of the H8 during our measurement.
533    The processing time must be slower in a actual environment because H8
534    is used with lowered clock speed in such system.  Also, the delays
535    can grow to unacceptable delays when the number of intermediary
536    realms increases.
538    This issue will happen as a by-product of a result meeting the
539    requirements R-1, R-2, R-6 and R-7.
542 5.6.  Pre-authentication problem in roaming scenarios
544    In roaming scenarios, the client needs to contact her home KDC to
545    obtain a cross-realm TGT for the local (or visited) realm.  However,
546    the policy of the network access providers or the gateway in the
547    local network usually does not allow clients to communicate with
548    hosts in the Internet unless they provide valid authentication
549    credentials.  In this manner, the client encounters a chicken-and-egg
550    problem where two resources are interdependent; the Internet
551    connection is needed to contact the home KDC and for obtaining
552    credentials, and on the other hand, the Internet connection is only
553    granted for clients who have valid credentials.  As a result, the
554    Kerberos protocol can not be used as it is for authenticating roaming
555    clients requesting network access.
557    This issue will happen as a result meeting the requirements R-3 and
558    R-4.
562 S.Sakane, et al.                                               [Page 10]
564 Internet-Draft                                                 July 2009
567 6.  Implementation consideration
569    This document just describes issues of the cross-realm operation.
570    However, there are important matters to be considered, when we solve
571    these issues and implement solution.  Solution must not introduce new
572    problem.  It should use existing components or protocols as much as
573    possible, and it should not introduce any definition of new
574    component.  It should not require new changes to existing deployed
575    clients, and it should not influence the client code-base as much as
576    possible.  Because a KDC is a significant server of the Kerberos
577    system.  New burden should not be introduced into a KDC as much as
578    possible.  You must not forget that there would be a trade-off matter
579    anytime.  So an implementation may not solve all of the problems
580    stated in this document.
583 7.  IANA Considerations
585    This document makes no request of IANA.
588 8.  Security Considerations
590    This document clarifies the issues of the cross-realm operation of
591    the Kerberos V system, which include security issues to be
592    considered.  See Section 5.1, 5.2, 5.3 and 5.4 for further details.
595 9.  Acknowledgments
597    The authors are grateful to Nobuo Okabe, Kazunori Miyazawa, and
598    Atsushi Inoue.  They gave us lots of comments and suggestions to this
599    document from the early stage.  Nicolas Williams, Chaskiel Grundman
600    and Love Hornquist Astrand gave valuable suggestions and corrections.
601    Finally, the authors thank to Jeffrey Hutzelman.  He gave us a lot of
602    suggestions for completion of this document.
605 10.  References
608 10.1.  Normative References
610    [RFC4120]     Neuman, C., Yu, T., Hartman, S., and K. Raeburn, "The
611                  Kerberos Network Authentication Service (V5)", RFC
612                  4120, July 2005.
618 S.Sakane, et al.                                               [Page 11]
620 Internet-Draft                                                 July 2009
623 10.2.  Informative References
625    [CSPC]        http://www.shellchemicals.com/news/1,1098,72-news_id=
626                  531,00.html
628    [KRBIMPL]     "A Prototype of a Secure Autonomous Bootstrap Mechanism
629                  for Control Networks", Nobuo Okabe, Shoichi Sakane,
630                  Masahiro Ishiyama, Atsushi Inoue and Hiroshi Esaki,
631                  SAINT, pp. 56-62, IEEE Computer Society, 2006.
633    [NAM]         http://www.nam.nl/
635    [RNSS-H8]     http://www.renesas.com/fmwk.jsp?cnt=h8_family_landing.
636                  jsp&fp=/products/mpumcu/h8_family/
638    [RNSS-M16C]   http://www.renesas.com/fmwk.jsp?cnt=m16c_family_landi
639                  ng.jsp&fp=/products/mpumcu/m16c_family/
641    [SHELLCHEM]   http://www.shellchemicals.com/home/1,1098,-1,00.html
643    [SPECCROSS]   I. Cervesato and A. Jaggard and A. Scedrov and C.
644                  Walstad, "Specifying Kerberos 5 Cross-Realm
645                  Authentication", Fifth Workshop on Issues in the Theory
646                  of Security, Jan 2005.
648 Authors' Addresses
650    Shoichi Sakane
651    Ken'ichi Kamada
652    Yokogawa Electric Corporation
653    2-9-32 Nakacho, Musashino-shi,
654    Tokyo  180-8750 Japan
655    E-mail: Shouichi.Sakane@jp.yokogawa.com,
656            Ken-ichi.Kamada@jp.yokogawa.com
659    Saber Zrelli
660    Japan Advanced Institute of Science and Technology
661    1-1 Asahidai, Nomi,
662    Ishikawa  923-1292 Japan
663    E-mail: zrelli@jaist.ac.jp
674 S.Sakane, et al.                                               [Page 12]
676 Internet-Draft                                                 July 2009
679    Masahiro Ishiyama
680    Toshiba Corporation
681    1, komukai-toshiba-cho, Saiwai-ku,
682    Kawasaki  212-8582 Japan
683    E-mail: masahiro@isl.rdc.toshiba.co.jp
730 S.Sakane, et al.                                               [Page 13]