Протоколы аутентификации

Сергей Панасенко,
к. т. н., начальник отдела разработки ПО фирмы «Анкад»
develop@ancud.ru

Типы аутентификации

Как известно, практически в любых компьютерных системах существует необходимость аутентификации. В ходе этой процедуры компьютерная система проверяет, действительно ли пользователь тот, за кого себя выдает. Для того, чтобы получить доступ к компьютеру, в Интернет, к системе удаленного управления банковским счетом и т. д., пользователю необходимо убедительно доказать компьютерной системе, что «он есть та самая персона», а не кто-либо еще. Для этого он должен предъявить системе некую аутентификационную информацию, на основании которой модуль аутентификации данной системы выносит решение о предоставлении ему доступа к требуемому ресурсу (доступ разрешен/нет).

В настоящее время для такой проверки применяется информация трех видов.

Первый — уникальная последовательность символов, которую пользователь
должен знать для успешного прохождения аутентификации. Простейший пример — парольная
аутентификация, для которой достаточно ввести в систему свой идентификатор (например,
логин) и пароль.

Второй вид информации — уникальное содержимое или уникальные характеристики
предмета. Простейший пример — ключ от любого замка. В случае же компьютерной
аутентификации в этом качестве выступают любые внешние носители информации:
смарт-карты, электронные таблетки iButton, USB-токены и т. д.

И, наконец, третий вид аутентификации — по биометрической информации,
которая неотъемлема от пользователя. Это может быть отпечаток пальца, рисунок
радужной оболочки глаза, форма лица, параметры голоса и т. д.

Очень часто комбинируют несколько видов информации, по которой проводится аутентификация.
Типичный пример: аутентификационная информация хранится на смарт-карте, для
доступа к которой нужно ввести пароль (PIN-код). Такая аутентификация называется
двухфакторной. Существуют реальные системы и с трехфакторной аутентификацией.

В ряде случаев требуется и взаимная аутентификация — когда оба участника информационного обмена проверяют друг друга. Например, перед передачей удаленному серверу каких-либо важных данных пользователь должен убедиться, что это именно тот сервер, который ему необходим.

Удаленная аутентификация

В случае удаленной аутентификации (скажем, пользователь намерен получить доступ к удаленному почтовому серверу для проверки своей электронной почты) существует проблема передачи аутентификационной информации по недоверенным каналам связи (через Интернет или локальную сеть). Чтобы сохранить в тайне уникальную информацию, при пересылке по таким каналам используется множество протоколов аутентификации. Рассмотрим некоторые из них, наиболее характерные для различных применений.

Доступ по паролю

Простейший протокол аутентификации — доступ по паролю (Password Access Protocol,
PAP): вся информация о пользователе (логин и пароль) передается по сети в открытом
виде (рис. 1). Полученный сервером пароль сравнивается с эталонным паролем данного
пользователя, который хранится на сервере. В целях безопасности на сервере чаще
хранятся не пароли в открытом виде, а их хэш-значения (о хэшировании см. «Цифровая
подпись — как это делается», «BYTE/Россия» № 1’2004).

Рис. 1. Схема протокола PAP.

Данная схема имеет весьма существенный недостаток: любой злоумышленник, способный перехватывать сетевые пакеты, может получить пароль пользователя с помощью простейшего анализатора пакетов типа sniffer. А получив его, злоумышленник легко пройдет аутентификацию под именем владельца пароля.

По сети в процессе аутентификации может передаваться не просто пароль, а результат его преобразования — скажем, тот же хэш пароля. К сожалению, это не устраняет описанный выше недостаток — злоумышленник с тем же успехом может перехватить хэш пароля и применять его впоследствии.

Недостатком данной схемы аутентификации можно считать и то, что любой потенциальный пользователь системы должен предварительно зарегистрироваться в ней — как минимум ввести свой пароль для последующей аутентификации. А описанные ниже более сложные протоколы аутентификации типа «запрос-ответ» позволяют в принципе расширить систему на неограниченное количество пользователей без их предварительной регистрации.

Запрос-ответ

В семейство протоколов, называемых обычно по процедуре проверки «запрос-ответ», входит несколько протоколов, которые позволяют выполнить аутентификацию пользователя без передачи информации по сети. К протоколам семейства «запрос-ответ» относится, например, один из наиболее распространенных — протокол CHAP (Challenge-Handshake Authentication Protocol).

Процедура проверки включает как минимум четыре шага (рис. 2):

• пользователь посылает серверу запрос на доступ, включающий его логин;
• сервер генерирует случайное число и отправляет его пользователю;
• пользователь шифрует полученное случайное число симметричным алгоритмом шифрования
  на своем уникальном ключе (см. «Современные
  алгоритмы шифрования», «BYTE/Россия» № 8’2003), результат зашифрования
  отправляется серверу;
• сервер расшифровывает полученную информацию на том же ключе и сравнивает с исходным случайным числом. При совпадении чисел пользователь считается успешно аутентифицированным, поскольку признается владельцем уникального секретного ключа.

Рис. 2. Схема протокола аутентификации типа «запрос-ответ».

Аутентифицирующей информацией в данном случае служит ключ, на котором выполняется шифрование случайного числа. Как видно из схемы обмена, данный ключ никогда не передается по сети, а лишь участвует в вычислениях, что составляет несомненное преимущество протоколов данного семейства.

Основной недостаток подобных систем аутентификации — необходимость иметь на локальном компьютере клиентский модуль, выполняющий шифрование. Это означает, что, в отличие от протокола PAP, для удаленного доступа к требуемому серверу годится только ограниченное число компьютеров, оснащенных таким клиентским модулем.

Однако в качестве клиентского компьютера может выступать и смарт-карта либо аналогичное «носимое» устройство, обладающее достаточной вычислительной мощностью, например, мобильный телефон. В таком случае теоретически допустима аутентификация и получение доступа к серверу с любого компьютера, оснащенного устройством чтения смарт-карт, с мобильного телефона или КПК.

Протоколы типа «запрос-ответ» легко «расширяются» до схемы взаимной аутентификации (рис. 3). В этом случае в запросе на аутентификацию пользователь (шаг 1) посылает свое случайное число (N1). Сервер на шаге 2, помимо своего случайного числа (N2), должен отправить еще и число N1, зашифрованное соответствующим ключом. Тогда перед выполнением шага 3 пользователь расшифровывает его и проверяет: совпадение расшифрованного числа с N1 указывает, что сервер обладает требуемым секретным ключом, т. е. это именно тот сервер, который нужен пользователю. Такая процедура аутентификации часто называется рукопожатием.

Рис. 3. Схема протокола взаимной аутентификации.

Как видно, аутентификация будет успешна только в том случае, если пользователь предварительно зарегистрировался на данном сервере и каким-либо образом обменялся с ним секретным ключом.

Заметим, что вместо симметричного шифрования в протоколах данного семейства
может применяться и асимметричное шифрование, и электронная цифровая подпись.
В таких случаях схему аутентификации легко расширить на неограниченное число
пользователей, достаточно применить цифровые сертификаты в рамках инфраструктуры
открытых ключей (см. «Открытые ключи — опасности
и защита от них», «BYTE/Россия» № 7’2004).

Протокол Kerberos

Протокол Kerberos, достаточно гибкий и имеющий возможности тонкой настройки под конкретные применения, существует в нескольких версиях. Мы рассмотрим упрощенный механизм аутентификации, реализованный с помощью протокола Kerberos версии 5 (рис. 4):

Рис. 4. Схема протокола Kerberos.

Прежде всего стоит сказать, что при использовании Kerberos нельзя напрямую получить доступ к какому-либо целевому серверу. Чтобы запустить собственно процедуру аутентификации, необходимо обратиться к специальному серверу аутентификации с запросом, содержащим логин пользователя. Если сервер не находит автора запроса в своей базе данных, запрос отклоняется. В противном случае сервер аутентификации формирует случайный ключ, который будет использоваться для шифрования сеансов связи пользователя с еще одним специальным сервером системы: сервером предоставления билетов (Ticket-Granting Server, TGS). Данный случайный ключ (обозначим его Ku-tgs) сервер аутентификации зашифровывает на ключе пользователя (Kuser) и отправляет последнему. Дополнительная копия ключа Ku-tgs с рядом дополнительных параметров (называемая билетом) также отправляется пользователю зашифрованной на специальном ключе для связи серверов аутентификации и TGS (Ktgs). Пользователь не может расшифровать билет, который необходим для передачи серверу TGS на следующем шаге аутентификации.

Следующее действие пользователя — запрос к TGS, содержащий логин пользователя, имя сервера, к которому требуется получить доступ, и тот самый билет для TGS. Кроме того, в запросе всегда присутствует метка текущего времени, зашифрованная на ключе Ku-tgs. Метка времени нужна для предотвращения атак, выполняемых повтором перехваченных предыдущих запросов к серверу. Подчеркнем, что системное время всех компьютеров, участвующих в аутентификации по протоколу Kerberos, должно быть строго синхронизировано.

В случае успешной проверки билета сервер TGS генерирует еще один случайный ключ для шифрования сеансов связи между пользователем, желающим получить доступ, и целевым сервером (Ku-serv). Этот ключ шифруется на ключе Kuser и отправляется пользователю. Кроме того, аналогично шагу 2, копия ключа Ku-serv и необходимые целевому серверу параметры аутентификации (билет для доступа к целевому серверу) посылаются пользователю еще и в зашифрованном виде (на ключе для связи TGS и целевого сервера — Kserv).

Теперь пользователь должен послать целевому серверу полученный на предыдущем шаге билет, а также метку времени, зашифрованную на ключе Ku-serv. После успешной проверки билета пользователь наконец-то считается аутентифицированным и может обмениваться информацией с целевым сервером. Ключ Ku-serv, уникальный для данного сеанса связи, часто применяется и для шифрования пересылаемых в этом сеансе данных.

В любой системе может быть несколько целевых серверов. Если пользователю необходим доступ к нескольким из них, он снова формирует запросы к серверу TGS — столько раз, сколько серверов нужно ему для работы. Сервер TGS генерирует для каждого из таких запросов новый случайный ключ Ku-serv, т. е. все сессии связи с различными целевыми серверами защищены при помощи разных ключей.

Процедура аутентификации по протоколу Kerberos выглядит достаточно сложной. Однако не стоит забывать, что все запросы и зашифровывание их нужными ключами автоматически выполняет ПО, установленное на локальном компьютере пользователя. Вместе с тем необходимость установки достаточно сложного клиентского ПО — несомненный недостаток данного протокола. Впрочем, сегодня поддержка Kerberos встроена в наиболее распространенные ОС семейства Windows, начиная с Windows 2000, что нивелирует данный недостаток.

Второй недостаток — необходимость в нескольких специальных серверах (доступ к целевому серверу обеспечивают как минимум еще два, сервер аутентификации и TGS). Однако в системах с небольшим числом пользователей все три сервера (аутентификации, TGS и целевой) могут физически совмещаться на одном компьютере.

Вместе с тем следует подчеркнуть, что сервер аутентификации и TGS должны быть надежно защищены от несанкционированного доступа злоумышленников. Теоретически злоумышленник, получивший доступ к TGS или серверу аутентификации, способен вмешаться в процесс генерации случайных ключей или получить ключи всех пользователей и, следовательно, инициировать сеансы связи с любым целевым сервером от имени любого легального пользователя.

* * *

Выбор того или иного протокола зависит в первую очередь от важности информации, доступ к которой предоставляется по результатам аутентификации. Другой критерий — удобство использования. И здесь, как и везде, полезно соблюдать разумный баланс. Иногда, если нет особых требований к секретности процедуры аутентификации, вместо надежного (но непростого в реализации) протокола типа Kerberos лучше использовать «элементарный» парольный протокол РАР, простота и удобство применения которого часто перевешивают все его недостатки.