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http://www.alexkyte.me/2016/10/how-textsecure-protocol-signal-whatsapp.html これエキサイト翻訳か？主語が全部theyという支離滅裂な英語なんだが。
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TextSecureの目標は「経路末端までのセキュリティ、否認性、前方秘匿性、将来の秘匿性のすべて」を提供することである。具体的には、可能な限り短い時間だけ鍵情報を保持するメッセージストリームを二者の間に構築するということを目指す。将来に鍵の危殆化があっても、現在観測されたトラフィックを復号化できなくするのだ。
以下にSignal Protocolの批評的分析を羅列してある。実装の構造を研究し、発見した欠陥を記述し、上述の目標がどれほど実現されているかを評価するものである。まず仕組みの説明をしてから、より詳細な分析を続けることにする。
TextSecureは、今ではSignalと呼ばれているアプリに与えられた名の一つだ。コードも文書も一貫してTextSecureという名を使っている。一貫性を保つため、システム全体をTextSecureと呼ぶことにする。
TextSecureは、非同期整合性に焦点を当ててOff-The-Recordというチャットプロトコルを改造したものだ。OTRが対話的ハンドシェイクを必要とする一方、TextSecureは不確定な遅延を認めない。メッセージを送れるようになるまでアプリを表示したままにしてハンドシェイクを遂行しなければならないというのであれば、ユーザ体験はひどいことになる。
そうではなく、通常の鍵交換においてサーバが果たす役割の部分だけ、将来のクライアントが取得しに来るよう中央サーバに格納される。このサーバは、すべてを復号化できる鍵情報は預けておかない、信用なし経路となる。すべての暗号化は末端どうしだ。
TextSecureは暗号学の基礎のほんの一部を使うものである。公開鍵暗号は楕円Diffie-Hellmanを通し、Curve25519を用いて実行される。AESがパディングなしカウンター(CTR)モードとサイファーブロックチェーン(CBC)モードの双方で対称暗号に使われる。HMAC-SHA256がメッセージ認証に使われる。これらが信頼の基礎(TCB)である。
TextSecureの暗号化エンジンの中心部はAxolotlダブルラチェット・アルゴリズムである。大まかに言うと、一方向にだけ回ることのできるラチェットが二つあり、一つは受信ラチェット、もう一つは送信ラチェットである。この構造により、鍵交換の前半を保管しておいて、後から非同期的に再生し完全なハンドシェイクを得ることが可能になっている。
受信ラチェットはメッセージが受信されるときに使われるが、そこには次の鍵交換のための新しい材料が含まれていなければならない。この材料が後ほど暗号化やメッセージ認証に使う対称鍵の生成に用いられる。
送信ハッシュラチェットは前回の整合性ある共有秘密から生成された鍵ストリームを使って新たな鍵セットを生成する。このラチェットは、受信ラチェットが進んで共有秘密が変化するとリセットされる。
ここで注目すべきは、メッセージを送信するために送信者が待つ必要は一切ないということだ。いつでも送信の第一歩を踏み出すことができ、その一歩は必ず有限の時間で終わる。メッセージはすべて異なる対称鍵で暗号化されるが、これにより、ある時点の鍵は、どちら側のデバイス上のものであっても、過去に送信されたメッセージを復号化するためには使えないことになる。(ただし後で一つ警告がある。)
登録は、クライアントに言って、連絡用の電話番号をサーバに教えてもらうことから始まる。また同時に、トークンを通話とSMSどちらで受け取りたいかの希望も登録してもらう。このトークンが持ち主の証明となり、TextSecureで情報を登録できるようにしてくれる。
クライアントはメッセージ認証と暗号化の対称鍵('signaling'鍵)、および長期公開鍵を送る。
また、複数のプレ鍵も送信する。これはクライアントが受信者になる時の鍵交換の半分、クライアント側部分の使い捨てコピーである。こうして保管されているプレ鍵のおかげで、将来の送信者はクライアントの応答を待つ必要もなく鍵交換を完了でき、こうして遅延を劇的に減らすことができる。クライアントは「最後の手段のプレ鍵」もアップロードするが、これは最後に使われ、受信者が新しいプレ鍵を追加するまでのセッションでずっと共有され続ける。
他のクライアントからも使われるプレ鍵に頼ることについてSignalが警告をしないというのは、筆者の意見では、理想と程遠い。
クライアントは次にGoogle Cloud Messagingに登録して、登録IDをTextSecureに出す。このTextSecureへの登録には、クライアントがSMSを受け取りたいかデータだけにしたいかの情報も含まれる。
TextSecureはクライアントどうしがお互いの長期鍵のフィンガープリントを比較して本人確認できるようになっている。鍵をQRコードとして表示して便利に検証できるようにする機能も含まれている。
送信者は、まず相手のプレ鍵を要求し、プレ鍵インデックス、プレ鍵、登録ID、長期公開鍵をもらう。これらを使い、HKDFという鍵派生アルゴリズムを通して共有秘密を取り決める。この秘密情報をルート鍵と呼ぶ。
このメッセージだけの一時鍵ペアが生成される。ルート鍵を使ってHKDFで新しいルート鍵とつなぎ鍵を派生させる。このつなぎ鍵は、暗号化とMACの鍵を生成するのに使われる。
最後にAESカウンターが初期化される。カウンターは二つある: ctrとpctrだ。ctrカウンターはメッセージ送信ごとに増える一方で、pctrカウンターは、最後の既読メッセージの番号を保持する。これにより、受信者側にバラバラの順番で届いたメッセージを正しく並べ直すことができる。
これらを使って相手にメッセージを暗号化し、それをSignalサーバに送る。このメッセージには、相手が鍵交換ハンドシェイクを完了できるだけの必要情報が含められている。
SignalサーバはGoogle Cloud Messenger登録IDが件の電話番号に合っているかチェックし、メッセージを'signaling'鍵で暗号化してからクラウドサーバに送る。この遠回しな方法により、Google Cloud Messengerがメッセージの送信元を知らずにいることが保障される。
受信者はプレ鍵インデックスを受け取り、送信者がどのプレ鍵を使ったかをそれで調べる。そして送られてきた情報を使ってハンドシェイクを完了したり送信者と同じルート鍵を持ったりする。送られてきたメッセージを復号化するために使う鍵は、このルート鍵が生成する。
相手が返信する前に、もとの送信者から続きのメッセージを送りたい場合は、新しいつなぎ鍵を生成して、これを使って新しい暗号化およびメッセージ認証の鍵を得る。
受信者が返事を出したい時は、まず新しい一時鍵ペアを選ぶ。送信者の一時公開鍵と自分の一時秘密鍵を使って、新しい共有秘密を生成する。これを使って新しいつなぎ鍵を得て、そこから新しい暗号化と認証の鍵を得る。これを使ってメッセージを暗号化し、さきほどの新しい一時公開鍵と一緒に送信する。
TextSecureは、サーバとクライアント間の共有秘密、いわば機械生成パスワードを使って、新しいプレ鍵のアップロードを認証する。これは送信メッセージの認証にも使われる。このパスワードを漏らしてしまうと、それだけでメッセージの送信も鍵アップもそのユーザになりすましてできてしまうことになる。エキスポート機能があった頃はTextSecureクライアントを別のスマホに移行することができたが、この機能は削除された。エキスポート情報には機械生成パスワードが含まれていたからだ。この平文バックアップはデバイスのSDカードに置かれていたので、他のアプリから読むことができたのだ。
この機能はそれ以来削除されたままだ。なくて困る人がいるとしても、これはユーザビリティの問題ではなく、現実の問題であり、それに対する後ろ向きな対策なのである。
この攻撃は偽配送の一種だ。攻撃者がUKS攻撃を実行すると、ある送信者が攻撃者に向けて送ったつもりのメッセージが、攻撃者から別の人(標的)へのメッセージとして送信される。
これは能力のある攻撃者にとっては簡単にできる。TextSecureサーバ上にある自分の公開鍵を、標的の公開鍵に変えればいい。これは自分の電話番号を再登録すればできる。送信者はQRコードを使って、相手のフィンガープリントが合っていることを検証できるが、これが本当に標的の鍵のフィンガープリントになるのである。
それから、今度は送信者のアカウントを再登録して、その検証SMSか確認通話が送信者に到達しないよう横取りしなければならない。これは太っ腹に権限を与えられた人には造作もないことだ。こうして、送信者として認証し、既知の署名つきメッセージを送信できるようになる。
この攻撃はTextSecureでは解決されていない。プレ鍵の署名は追加したが、まだ暗号学的にIDと関連付けられているわけではないので、奪われて再生される危険がある。
できることがあるとすれば、送信者と受信者の双方がメッセージの暗号化された本文内で言及されるようにすることなどだ。
TextSecureはその構造のおかげで前方秘匿性を獲得している。前方秘匿性(forward secrecy)は、もし長期公開鍵が安全なままであれば、ある時点の対称鍵が漏れても、そのセキュリティ突破は限定的な時間範囲にしか有効でないとする。新しいラチェットのそれぞれに公開鍵が必要であることから、これは達成されている。
完全前方秘匿性(perfect forward secrecy)は、クライアントの持つある時点の鍵が奪取されても、それ以前に送信したメッセージの復号化が不可能である性質と定義されている。このことはTextSecureのwire protocolにより施行されるが、少々ことば遊びに入ってくる。というのも鍵はデバイス上にのみ格納されているので、アプリ上の他の鍵にアクセスすることなく鍵が暴露されることはありそうにない。長期鍵だけではメッセージを復号化できず、ラチェットのステートに対応する一時鍵が必要になるが、これはそのスマホから引き出すことができるので、送信したものの返信されていない(前回のラチェットを使用した)メッセージを復号化できる。これは技術的に言えば「以前の」メッセージの暴露である。
否認性(アリバイ)はさらにあやふやだ。ある特定のメッセージについて、それはだれにでも作成できたのだと言うことは可能だが、その一方で、プレ鍵は公開されているので、TextSecureの中央集中構造が脅威をもたらす。TextSecureサーバは認証とメッセージ転送をするものだが、それを記録することもできる。内容は末端どうしで暗号化されているとはいえ、メタデータは違う。
Analysis Whitepaper:
http://ieeexplore.ieee.org/document/7467371/
Marlinspike, Moxie (30 March 2016). "Signal on the outside, Signal on the inside". Open Whisper Systems. Retrieved 31 March 2016. https://whispersystems.org/blog/signal-inside-and-out/
