Sejni ključ (TEK): definicija in vloga v kriptografiji

Sejni ključ (TEK): definicija in vloga v kriptografiji — kako deluje, zakaj je pomembna menjava ključev, varnostne prakse in zaščita komunikacij pred napadi.

Ključ seje je simetrični ključ za enkratno uporabo, ki se uporablja za šifriranje vseh sporočil v eni komunikacijski seji. Tesno povezan izraz je ključ za šifriranje prometa ali TEK, ki se nanaša na kateri koli simetrični ključ, ki se uporablja za šifriranje prometnih sporočil. Običajno se TEK pogosto spreminjajo, v nekaterih sistemih vsak dan, v drugih pa za vsako sporočilo.

Sejni ključi v kriptosistem vnašajo zapletenost. Pomagajo pa tudi pri reševanju nekaterih resničnih težav, zato se uporabljajo. Za uporabo sejnih ključev obstajata dva glavna razloga:

• Prvič, več kriptoanalitičnih napadov je lažjih, saj je na voljo več šifriranega besedila, šifriranega z določenim ključem. Z omejevanjem števila sporočil, šifriranih z enim ključem, so ti napadi težji.
• Drugič, mnogi sicer dobri algoritmi za šifriranje zahtevajo varno distribucijo ključev pred uporabo šifriranja. To nezaželeno lastnost imajo vsi algoritmi s simetričnim tajnim ključem. Obstajajo tudi drugi algoritmi, ki ne zahtevajo varne distribucije tajnih ključev, vendar so prepočasni, da bi bili praktični za šifriranje dolgih sporočil (glejte Kriptografija z javnim ključem). Z uporabo enega od teh "asimetričnih" algoritmov za distribucijo šifriranega tajnega ključa za drug, hitrejši algoritem s simetričnim ključem, je mogoče znatno izboljšati splošno zmogljivost.

Tako kot vsi kriptografski ključi morajo biti tudi sejni ključi izbrani tako, da jih napadalec ne more predvideti. V običajnem primeru to pomeni, da morajo biti izbrani naključno. Neustrezna izbira ključev seje (ali katerega koli drugega ključa) je velika pomanjkljivost vsakega kriptosistema.

Kako delujejo sejni ključi in TEK v praksi

V tipičnem scenariju se po vzpostavitvi komunikacijske povezave stranki dogovorita o tem, kateri TEK bosta uporabljali. Ta dogovor se običajno izvede s pomočjo mehanizma za izmenjavo ključev (npr. protokoli, ki temeljijo na Diffie–Hellmanovi izmenjavi ali na asimetričnem šifriranju), nato pa se z dobljenimi vrednostmi generira dejanski sejski ključ z uporabo key derivation function (KDF), kot je npr. HKDF. Zgled poteka lahko izgleda takole:

• Stranki izvedeta varno izmenjavo (ephemeral Diffie–Hellman ali asimetrično šifriranje) za prenos ali ustanovitev skrivnega gradnika.
• Iz tega gradnika KDF izvede razširitev in derivacijo ter proizvede enega ali več sejnih ključev (za šifriranje, integriteto, avtentikacijo, itd.).
• Sejni ključi se uporabijo z algoritmi simetričnega šifriranja (npr. AES-GCM ali ChaCha20-Poly1305), ki nudijo takojšnjo in zmogljivo zaščito za tok sporočil.

Vloga integritete in AEAD

Poleg zaupnosti (šifriranja) je pomembna tudi integriteta in avtentikacija sporočil. Zato se pri praktičnih implementacijah pogosto uporabljajo AEAD-sheme (Authenticated Encryption with Associated Data), kot so AES-GCM ali ChaCha20-Poly1305, ki hkrati zagotavljajo šifriranje in preverjanje integritete. V takšnih shemah TEK ni le ključ za šifriranje, temveč tudi ključ za preverjanje pristnosti (MAC), kar preprečuje spreminjanje ali vstavljanje sporočil brez zaznave.

Prakse in priporočila

• Naključno generiranje: Sejni ključi morajo biti generirani s kriptografsko varnim generatorjem naključnih števil (CSPRNG). Ponovna uporaba ali deterministični, slabo izbrani ključi vodijo do ranljivosti.
• Dolžina ključev: Za AES se danes pogosto uporabljata 128-bitni ali 256-bitni ključi; izbira je odvisna od zahtevanega nivoja varnosti in delovanja.
• Rotacija ključev (rekeying): Redna menjava TEK zmanjšuje možnost, da bi kompromitiran ključ izpostavil veliko količino zgodovinskih sporočil. Frekvenca rotacije je odvisna od aplikacije — lahko je na sejo, na določeno število paketov ali po časovnem oknu.
• Uničevanje ključev: Po koncu uporabe mora sistem zagotoviti varno izbrisanje sejnih ključev iz pomnilnika, da prepreči obnovitev zlonamernih postopkov.
• Perfect Forward Secrecy (PFS): Uporaba ephemernih ključev (npr. ephemeral DH) zagotavlja PFS: kompromitacija dolgoročnih ključev ne omogoči dešifriranja že zajetih sej, če so seji imeli ephemerne ključe.
• Uporaba KDF-jev: Za izpeljavo več ključev iz enega gradnika (npr. ločen ključ za šifriranje in ločen za integriteto) uporabimo preverjene KDF-je (HKDF, PBKDF2 v specifičnih primerih) s primernimi soli in dodatnimi parametri.

Primeri uporabe

• TLS (HTTPS): po kriptografski izmenjavi (RSA ali (EC)DHE) se izvede KDF, ki ustvari sejni ključ/ključe za šifriranje prometa med brskalnikom in strežnikom.
• IPsec: uporablja sejemske ključe (TEK) za zaščito IP paketov; IKE protokol se uporablja za postavitev in menjavo teh ključev.
• Mobilne in sporočilne aplikacije (npr. Signal, WhatsApp): uporabljajo kombinacijo dolgotrajnih in ephemernih ključev ter sofisticirane sheme za izpeljavo sejnih ključev in zagotavljanje PFS ter možnosti rekeyanja.

Tveganja ob kompromisu in strategije ublažitve

Če je sejni ključ kompromitiran, napadalec lahko dešifrira promet, ki je bil zakodiran s tem ključem, dokler je kompromitacija trajala. Ukrepi za zmanjšanje posledic vključujejo:

• kratko obdobje veljavnosti TEK (pogosta rotacija);
• uporaba PFS, da kompromitacija dolgoročnih ključev ne razkrije preteklih sej;
• mehanizmi zaznave in prekinitve seje ob sumu kompromisa (revokacija in odjava);
• zapisovanje in nadzor dostopa do sistemov, ki upravljajo ključe, ter uporaba strojnih varnostnih modulov (HSM) ali varnih elementov na napravah.

Zaključek

Sejni ključi oziroma TEK so ključni (besedno in dejansko) za učinkovito in varno šifriranje komunikacij, saj kombinirajo zmogljivost simetričnih algoritmov z varnim upravljanjem in kratko življenjsko dobo. Pravilna generacija, derivacija, uporaba, rotacija in uničevanje sejnih ključev so temelj dobre prakse v kriptografskem inženirstvu—neupoštevanje teh pravil lahko hitro izniči koristi, ki jih šifriranje sicer nudi.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je ključ seje?

V: Kakšna je razlika med ključem seje in ključem za šifriranje prometa (TEK)?

V: Zakaj se uporabljajo sejni ključi?

V: Kako naj se izberejo ključi seje?

V: Kaj se zgodi, če je izbrana napačna vrsta ključev seje?

V: Kako pogosto se TEK običajno spreminjajo?

Išči po črki