]> git.ipfire.org Git - thirdparty/openvpn.git/commit
Add control channel encryption (--tls-crypt)
authorSteffan Karger <steffan.karger@fox-it.com>
Tue, 15 Nov 2016 13:29:46 +0000 (14:29 +0100)
committerGert Doering <gert@greenie.muc.de>
Wed, 16 Nov 2016 19:06:59 +0000 (20:06 +0100)
commitc6e24fa3e16c32f9b427e360fd07102f613aa5c6
treeac003b7385f173bdbf889fa36187c7ab5dd585f6
parent1de37f3b194e56ff3245b9e6cf22eaff54ca3efe
Add control channel encryption (--tls-crypt)

This adds a --tls-crypt option, which uses a pre-shared static key (like
the --tls-auth key) to encrypt control channel packets.

Encrypting control channel packets has three main advantages:

* It provides more privacy by hiding the certificate used for the TLS
  connection.
* It is harder to identify OpenVPN traffic as such.
* It provides "poor-man's" post-quantum security, against attackers who
  will never know the pre-shared key (i.e. no forward secrecy).

Control channel packet encryption
---------------------------------

We propose to use the following encryption method, based on the SIV
construction [0], to achieve nonce misuse-resistant authenticated
encryption:

   msg      = control channel plaintext
   header   = opcode (1 byte) || session_id (8 bytes) || packet_id (8
bytes)
   Ka       = authentication key (256 bits)
   Ke       = encryption key (256 bits)
   (Ka and Ke are pre-shared keys, like with --tls-auth)

   auth_tag = HMAC-SHA256(Ka, header || msg)
   IV       = 128 most-significant bits of auth_tag
   ciph     = AES256-CTR(Ke, IV, msg)

   output   = Header || Tag || Ciph

This boils down to the following on-the-wire packet format:

   -opcode- || -session_id- || -packet_id- || auth_tag || * payload *

   Where
   - XXX - means authenticated, and
   * XXX * means authenticated and encrypted.

Which is very similar to the current tls-auth packet format, and has the
same overhead as "--tls-auth" with "--auth SHA256".

The use of a nonce misuse-resistant authenticated encryption scheme
allows us to worry less about the risks of nonce collisions.  This is
important, because in contrast with the data channel in TLS mode, we
will not be able to rotate tls-crypt keys often or fully guarantee nonce
uniqueness.  For non misuse-resistant modes such as GCM [1], [2], the
data channel in TLS mode only has to ensure that the packet counter
never rolls over, while tls-crypt would have to provide nonce uniqueness
over all control channel packets sent by all clients, for the lifetime
of the tls-crypt key.

Unlike with tls-auth, no --key-direction has to be specified for
tls-crypt.  TLS servers always use key direction 1, and TLS clients
always use key direction 2, which means that client->server traffic and
server->client traffic always use different keys, without requiring
configuration.

Using fixed, secure, encryption and authentication algorithms makes both
implementation and configuration easier.  If we ever want to, we can
extend this to support other crypto primitives.  Since tls-crypt should
provide privacy as well as DoS protection, these should not be made
negotiable.

Security considerations:
------------------------

tls-crypt is a best-effort mechanism that aims to provide as much
privacy and security as possible, while staying as simple as possible.
The following are some security considerations for this scheme.

1. The same tls-crypt key is potentially shared by a lot of peers, so it
   is quite likely to get compromised.  Once an attacker acquires the
   tls-crypt key, this mechanism no longer provides any security against
   the attacker.

2. Since many peers potentially use the tls-crypt key for a long time, a
   lot of data might be encrypted under the tls-crypt key.  This leads
   to two potential problems:

   * The "opcode || session id || packet id" combination might collide.
     This might happen in larger setups, because the session id contains
     just 64 bits or random.  Using the uniqueness requirement from the
     GCM spec [3] (a collision probability of less than 2^(-32)),
     uniqueness is achieved when using the tls-crypt key for at most
     2^16 (65536) connections per process start.  (The packet id
     includes the daemon start time in the packet ID, which should be
     different after stopping and (re)starting OpenPVN.)

     And if a collision happens, an attacker can *only* learn whether
     colliding packets contain the same plaintext.  Attackers will not
     be able to learn anything else about the plaintext (unless the
     attacker knows the plaintext of one of these packets, of course).
     Since the impact is limited, I consider this an acceptable
     remaining risk.

   * The IVs used in encryption might collide.  When two IVs collide, an
     attacker can learn the xor of the two plaintexts by xorring the
     ciphertexts.  This is a serious loss of confidentiality.  The IVs
     are 128-bit, so when HMAC-SHA256 is a secure PRF (an assumption
     that must also hold for TLS), and we use the same uniqueness
     requirement from [3], this limits the total amount of control
     channel messages for all peers in the setup to 2^48.  Assuming a
     large setup of 2^16 (65536) clients, and a (conservative) number of
     2^16 control channel packets per connection on average, this means
     that clients may set up 2^16 connections on average.  I think these
     numbers are reasonable.

(I have a follow-up proposal to use client-specific tls-auth/tls-crypt
keys to partially mitigate these issues, but let's tackle this patch
first.)

References:
-----------

[0] Rogaway & Shrimpton, A Provable-Security Treatment of the Key-Wrap
    Problem, 2006
    (https://www.iacr.org/archive/eurocrypt2006/40040377/40040377.pdf)

[1] Ferguson, Authentication weaknesses in GCM, 2005

(http://csrc.nist.gov/groups/ST/toolkit/BCM/documents/comments/CWC-GCM/Ferg
uson2.pdf)

[2] Joux, Authentication Failures in NIST version of GCM, 2006

(http://csrc.nist.gov/groups/ST/toolkit/BCM/documents/comments/800-38_Serie
s-Drafts/GCM/Joux_comments.pdf)

[3] Dworking, Recommendation for Block Cipher Modes of Operation:
    Galois/Counter Mode (GCM) and GMAC, 2007
    (http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-38D/SP-800-38D.pdf)

Patch history:
--------------

v2 - processed Arne's review comments:

 * Error out early with a clear error message when AES-256-CTR or
   HMAC-SHA-256 are not supported by the crypto library.
 * Clarify that cipher_ctx_reset() sets the IV.

v3 - actually add error messages promised in v2...

Signed-off-by: Steffan Karger <steffan.karger@fox-it.com>
Acked-by: Arne Schwabe <arne@rfc2549.org>
Message-Id: <1479216586-20078-1-git-send-email-steffan.karger@fox-it.com>
URL: https://www.mail-archive.com/openvpn-devel@lists.sourceforge.net/msg13069.html
Signed-off-by: Gert Doering <gert@greenie.muc.de>
14 files changed:
Changes.rst
doc/openvpn.8
src/openvpn/Makefile.am
src/openvpn/crypto.c
src/openvpn/crypto.h
src/openvpn/init.c
src/openvpn/openvpn.h
src/openvpn/options.c
src/openvpn/options.h
src/openvpn/ssl.c
src/openvpn/ssl.h
src/openvpn/ssl_common.h
src/openvpn/tls_crypt.c [new file with mode: 0644]
src/openvpn/tls_crypt.h [new file with mode: 0644]