Anahtar Değişimi ve Hibrit Şifreleme

Simetrik şifreleme, her iki tarafın güvenli iletişim kurmadan önce aynı gizli anahtarı paylaşmasını gerektirir. Ancak önceden güvenli bir kanalınız yoksa bu anahtarı nasıl güvenli biçimde paylaşırsınız? Bu anahtar dağıtımı sorunu, Whitfield Diffie ve Martin Hellman'ın 1976'da devrim niteliğinde bir makale yayımlamasına kadar çözülemez kabul ediliyordu. Çözümleri olan Diffie-Hellman anahtar değişimi, iki tarafın anahtarın kendisini, araya giren herhangi bir dinleyicinin görebileceği şekilde bile iletmeden, güvenli olmayan bir kanal üzerinden ortak bir gizli anahtar oluşturmasına olanak tanır.

Diffie-Hellman (DH), ayrık logaritma problemine dayanan akıllıca bir matematiksel yöntem kullanır. Both taraf iki ortak değeri (büyük bir asal sayı p ve bir üreteç g) kabul eder. Her taraf rastgele bir özel sayı üretir, bundan bir ortak değer hesaplar ve ortak değerleri değiş tokuş eder. Ardından her taraf kendi özel sayısını ve diğer tarafın ortak değerini kullanarak aynı paylaşılan gizli değeri hesaplayabilir; ancak yalnızca ortak değerleri gören bir dinleyici, büyük sayılar için hesaplama açısından uygulanabilir olmayan ayrık logaritma problemini çözmeden paylaşılan gizli değeri hesaplayamaz.

Eliptik Eğri Diffie-Hellman (ECDH), Diffie-Hellman anahtar değişiminin modern ve daha verimli biçimidir. Modüler üs alma yerine eliptik eğri matematiğini kullanır ve çok daha küçük parametrelerle aynı güvenlik düzeyine ulaşır. 256 bitlik bir ECDH anahtarı, 3072 bitlik bir DH anahtarına eşdeğer güvenlik sağlar. ECDHE (buradaki 'E' Ephemeral anlamına gelir), her oturum için yeni bir anahtar çifti üreterek perfect forward secrecy sağlar. TLS 1.3, anahtar değişimi için ECDHE'yi zorunlu kılar; bu da onu modern web güvenliğinde baskın anahtar değişimi mekanizması hâline getirir.

Perfect Forward Secrecy (PFS), sunucunun uzun vadeli özel anahtarı daha sonra ele geçirilse bile oturum anahtarlarının tehlikeye atılmamasını sağlar. PFS, her oturumun anahtar değişiminde geçici anahtar çiftleri kullanılarak elde edilir; oturum anahtarı, oturum sona erdikten sonra silinen geçici bir anahtar çiftinden türetilir. PFS olmadan (RSA anahtar değişimi kullanıldığında), bugün şifrelenmiş trafiği kaydeden ve daha sonra özel anahtarı ele geçiren bir saldırgan, geçmişteki tüm trafiğin şifresini geriye dönük olarak çözebilir. PFS ile anahtar ele geçirilse bile geçmiş oturumlar güvende kalır.

Hibrit şifreleme, asimetrik ve simetrik kriptografiyi bir araya getirerek asimetrik şifrelemenin sunduğu key yönetimi avantajlarını ve simetrik şifrelemenin performansını birlikte sağlar. Süreç şöyledir: (1) rastgele bir simetrik oturum anahtarı oluşturulur, (2) büyük miktardaki veri bu simetrik anahtarla şifrelenir (hızlıdır), (3) simetrik anahtar alıcının açık anahtarıyla şifrelenir (güvenli anahtar iletimi), (4) hem şifrelenmiş veri hem de şifrelenmiş anahtar gönderilir. Alıcı, simetrik anahtarı kendi özel anahtarıyla çözer ve ardından veriyi elde ettiği simetrik anahtarla çözer.

TLS Handshake, hibrit şifrelemenin gerçek dünyadaki en yaygın uygulamasıdır. TLS 1.3 sürecinde: (1) İstemci, desteklediği şifre takımlarını ve anahtar paylaşımını (ECDHE açık değerini) gönderir. (2) Sunucu, kendi anahtar paylaşımını, certificate (açık anahtarını içeren) ve bir imzayı göndererek yanıt verir. (3) Her iki taraf da ECDH aracılığıyla aynı ortak sırrı hesaplar. (4) Bundan sonraki tüm trafik, ortak sırdan türetilen simetrik bir anahtarla (AES-256-GCM) şifrelenir. Tüm süreç, simetrik anahtarı hiçbir zaman doğrudan iletmeden, tek bir gidiş-dönüşte şifrelenmiş bir kanal oluşturur.

Modern kriptografi, bir oturum anahtarının doğrudan asimetrik şifrelemeyle şifrelenmesine kıyasla anahtar değişimi için daha biçimsel ve güvenli bir yaklaşım olarak Key Encapsulation Mechanisms (KEM) kullanır. KEM, taraflardan birinin simetrik bir anahtar oluşturmasına ve bu anahtarı alıcının açık anahtarını kullanarak, yalnızca alıcının kapsülü açıp anahtarı geri elde edebileceği şekilde “kapsüllemesine” olanak tanır. NIST'in kuantum sonrası standardı CRYSTALS-Kyber, tamsayı çarpanlarına ayırma veya eliptik eğriler yerine kafes problemlerine dayanır; bu da onu kuantum bilgisayar saldırılarına karşı dirençli kılar.

TLS 1.3'e kadar RSA anahtar değişimi yaygındı: istemci bir ana anahtar öncesi sırrı oluşturur, bunu sunucunun RSA açık anahtarıyla şifreler ve sunucuya gönderirdi. Sorun şudur: bu yöntem ileri gizlilik sağlamaz. Sunucunun özel anahtarı daha sonra ele geçirilirse, bu yöntemle şifrelenmiş geçmişteki tüm oturumların şifresi çözülebilir. TLS 1.3, tüm bağlantılarda ileri gizliliği zorunlu kılmak amacıyla RSA anahtar değişimini tamamen kaldırır ve yalnızca ECDHE'ye izin verir. Bu nedenle, hâlâ statik RSA'ya izin veren TLS 1.0 ve 1.2'yi devre dışı bırakmak ve TLS 1.3'ü zorunlu kılmak güvenliği artırır.

Diffie-Hellman değişimi sonucunda elde edilen ortak sır, doğrudan bir şifreleme anahtarı olarak kullanılmaz. Bunun yerine, gerçek şifreleme anahtarlarını ve başlatma vektörlerini üretmek için bir Key Derivation Function (KDF) girdisi olarak kullanılır. TLS 1.3, her yöndeki şifreleme için ayrı anahtarlar türetmek üzere HKDF (HMAC-based Key Derivation Function) kullanır. KDF'ler hesaplama maliyeti ekler (bu da kaba kuvvet saldırılarını zorlaştırır), kısa sırları gereken sayıda anahtar baytına genişletir ve türetilen anahtarların simetrik anahtar olarak kullanıma uygun iyi istatistiksel özelliklere sahip olmasını sağlar.

Pretty Good Privacy (PGP) ve bunun açık kaynaklı eşdeğeri OpenPGP, e-posta için hibrit şifreleme kullanır. Alice, Bob'a şifrelenmiş bir e-posta gönderdiğinde PGP rastgele bir simetrik oturum anahtarı oluşturur, e-posta gövdesini bu anahtarla (AES) şifreler, oturum anahtarını Bob'un RSA veya ECC açık anahtarıyla şifreler ve ikisini birlikte gönderir. İmzalı e-postalarda PGP, iletinin özetini alır ve bu özeti Alice'in özel anahtarıyla imzalar; böylece inkâr edilemezlik sağlanır. PGP'nin güven ağı modeli (kullanıcıların birbirlerinin anahtarlarını imzalaması), sertifika yetkilisine dayalı PKI'ya bir alternatiftir.

Diffie-Hellman anahtar değişimi pasif dinleyicilere karşı güvenlidir; ancak taraflar birbirlerini doğrulamazsa aktif ortadaki adam (MITM) saldırılarına karşı savunmasızdır. Saldırgan, Alice'in açık değerini ele geçirip kendi değerini koyabilir ve hem Alice hem de Bob ile ayrı DH oturumları oluşturabilir; tarafların her biri diğer tarafla iletişim kurduğunu sanır. TLS'nin DH anahtar değişimini certificate doğrulamasıyla birleştirmesinin nedeni budur: güvenilen bir CA tarafından imzalanmış sunucu certificate'ı sunucunun kimliğini kanıtlar ve Handshake sırasında açık anahtarın MITM tarafından değiştirilmesini önler.

Bu dersteki CompTIA Security+ (SY0-701) kavramlarını anlayıp anlamadığınızı test edin.

Bu derste şunları öğrendiniz: Diffie-Hellman, tarafların güvenli olmayan bir kanal üzerinden ortak bir sır türetmesini sağlayarak anahtar değişimi sorununu çözer; ECDHE (geçici), Perfect Forward Secrecy sağlar; hibrit şifreleme, verimlilik için asimetrik anahtar değişimini simetrik toplu veri şifrelemeyle birleştirir; TLS 1.3 ise tüm bağlantılar için ECDHE'yi zorunlu kılar. Sırada Certificate Authorities and Trust Chains konusunu inceleyeceğiz.