[논문 리뷰] Authentication as a service: Shamir Secret Sharing with byzantine components

Andrea Bissoli, Fabrizio d’Amore|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 19.

User Authentication and Security Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 샤미르의 (k,n)-임계값 기반 비밀 분할 기법과 저지성에 강건한 구성 요소를 활용한 새로운 인증 서비스 프레임워크를 제안한다. 여기서 암호문은 분산된 클라우드 노드에 저장된 공유로 나누어진다. 절댓값을 숨기고 페르데르센 검증 가능한 비밀을 사용함으로써, 이 방식은 정보 이론적 보안을 달성하여, 딜러와 k−1명의 주주가 유출되더라도 암호문이 계산적으로 해독 불가능하게 유지됨을 보장한다. 작동 가능한 프로토타입을 통해 공격 상황에서도 실행 가능성과 강건성을 입증하였다.

ABSTRACT

We present a practical methodology for securing the password-based authentication scheme. We propose a solution based on the well-known (k,n) threshold scheme of Shamir for sharing a secret, where in our case the secret is the password itself and (k,n) threshold scheme means that n password-derived secrets (shares) are created and k less than n shares are necessary and sufficient for reconstructing the password, while k-1 are not sufficient. The scheme is information-theoretic secure. Since each of the n shares is stored on a different host (shareholder), an attacker will need to compromise k different shareholders for obtaining an amount of data sufficient for reconstructing the secret. Furthermore, in order to be resistant to the compromising of the server (dealer) coordinating the shareholders we define a variant of the classic Shamir, where the Shamir's abscissae are unknown to dealer and shareholders, making the reconstruction impossible even in the case of dealer and shareholders compromised. In addition we use the Pedersen technique for allowing the verification of shares. For the described scenario we have designed two protocols: the registration (user's sign-up, to be carried out once), and authentication (user's login). We analyse several scenarios where dealer and/or shareholders are partially/totally compromised and confirm that none of them is enabling the attacker to break the authentication. Furthermore we focus on cases where one or more byzantine servers are presented, analysing the impact on the framework and show the adopted mechanisms to be safe against these kinds of attacks. We have developed a prototype demonstrating that our framework works correctly, effectively and efficiently. It provides a first feasibility study that will provide a base for structured and engineered cloud-based implementations aiming at providing an authentication-as-a-service.

연구 동기 및 목표

• 재사용되거나 泄露된 암호문으로 인해 광범위한 계정 침해가 발생하는 암호문 기반 인증의 심각한 보안 결함을 해결하기 위해.
• 사용자가 단 하나의 비밀번호만 기억하면 되는 확장 가능한 클라우드 네이티브 인증 시스템을 설계하기 위해.
• 샤미르의 기법을 새로운 암호적 강화를 통해 딜러의 유출과 주주 노드의 비정상적 동작에 대한 저항력을 확보하기 위해.
• 강력한 보안 보장을 제공하고 성능 효율성을 확보하면서도 실세계 인증 워크로드를 지원하는 실용적이고 구현 가능한 솔루션을 제공하기 위해.
• 형식적 보안 분석과 기능성 검증 프로토타입을 바탕으로 공학적이고 실용적인 클라우드 기반 인증 서비스의 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 사용자 암호문을 n개의 암호학적으로 안정적인 공유로 나누기 위해 샤미르의 (k,n)-임계값 기반 비밀 분할 기법을 사용하며, 각 공유는 별개의 신뢰할 수 없는 서버(주주)에 저장된다.
• 공유의 절댓값(x좌표)은 딜러와 주주 모두에게 숨겨져 있어, 둘 다 완전히 손상된 경우에도 복원이 불가능하다.
• 페르데르센의 검증 가능한 비밀 분할 기법을 통합하여, 주주가 비밀을 알지 못한 채 자신의 공유가 정확한지 암호학적으로 검증할 수 있도록 한다.
• 두 단계 프로토콜을 설계: 등록(일회성 설정) 및 인증(상호작용 기반 로그인), 클라이언트, 딜러, 주주 간의 안전한 메시지 교환을 포함한다.
• 모든 구성 요소의 모듈화, 격리, 재현 가능성을 확보하기 위해 도커 컨테이너 기반 배포를 활용한다.
• 다양한 위협 모델 하에서 보안을 형식적으로 분석하였으며, 딜러 및 주주의 부분적 또는 완전한 손상, 네트워크 내 비정상적 동작에 대비한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 딜러와 다수의 주주가 손상된 상황에서도 비밀 분할 기법을 통해 암호문 기반 인증 시스템을 정보 이론적으로 보장할 수 있는가?
• RQ2 절댓값이 딜러나 주주에게 알려지지 않은 상황에서 샤미르의 비밀 분할 기법을 어떻게 수정하여 복원을 방지할 수 있는가?
• RQ3 비정상적 또는 악성 주주 존재 상황에서 공유의 무결성과 진위성을 확보하기 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 강력한 암호학적 보장을 갖추고도 수용 가능한 성능을 보장하는 실용적인 클라우드 기반 인증 서비스 프레임워크를 구축할 수 있는가?
• RQ5 자격 증명 泄露, 재생 공격, 동적 노드 손상 등의 실세계 위협 상황에서 시스템은 어떻게 행동하는가?

주요 결과

• 제안된 방식은 암호문에 대해 정보 이론적 보안을 달성하여, 무한한 계산 능력을 가진 공격자라도 적어도 k명의 주주를 손상하지 않는 한 비밀을 복원할 수 없음을 보장한다.
• 딜러와 주주 모두에게 절댓값을 숨김으로써, 딜러가 완전히 손상되고 k−1명의 주주가 유출된 상황에서도 시스템은 안전하다.
• 페르데르센의 검증 가능한 비밀 분할 기법 통합으로 모든 공유가 암호학적으로 검증 가능해져, 악성 주주가 잘못되거나 위조된 공유를 제출하는 것을 방지한다.
• 프로토타입 구현을 통해 시스템이 기능적으로 정확하고 효율적이며, 실세계 배포에 적합한 측정 가능한 성능을 확보하고 있음을 입증하였다.
• 보안 분석 결과, 딜러와 주주의 조합(최대 k−1명)이 손상된 경우에도 공격자가 암호문을 복원하거나 사용자를 위조할 수 없다.
• 시스템은 다중 기기 모델을 지원하며, 동적 딜러 선출, 자동 장애 탐지, 광범위한 통합을 위한 표준화된 API 등으로 확장 가능하다.