.NET Dünyasında Kriptografi

Kriptografi Nedir? Neden ve Nerede Kullanılır?

Kriptografi, en geniş anlamıyla bilgileri gizlemektir. Fiziksel dünyadaki bilginin elektronik dünyaya taşınması ile ortaya çıkan güvenlik endişelerini gidermek için kullanıldığında söz bize, yazılımcılara düşer. Hepimiz gündelik hayatta güvenlik önlemleri altında hayatımıza devam ediyoruz. Bilgisayarınızı açtığınızda kim olduğunuzu kanıtlamak veya alışveriş sitesinde kredi kartı ile alışveriş yapmak bunlara verilebilecek en basit örneklerdir. Her iki işlemde de belirli parametreler (kredi kartı no. veya kullanıcı adı ve parolası) belirli adreslere gönderilip kontrol edilirken şifrelenirler.

Encryption & Decryption

Gizleme işlemine şifreleme diğer bir adıyla da encryption, şifrelenen mesajın şifresinin kaldırılmasına (okunması) ise decryption denir.
Örneğin, size bir mesaj gönderildiğini, bu mesajın şifrelendiğini ve anahtarın sadece mesajı gönderen kişide ve sizde olduğunu düşünün. Böylece mesaj vericinin elinden çıktığı andan alıcının eline ulaştığı ana kadar şifrelenmiş olacaktır. (Aynı şifreleme algoritmasının kullanıldığı bu işleme simetrik anahtar algoritması diğer adıyla symmeric encryption denir. İleride değineceğim.)

Mesajın gönderilmeden önce şifrelenmesi

Mesajın alıcıya ulaşmadan önce şifrenin kaldırılması

Kriptografinin Ana Konseptleri

• Gizlilik: Yaptığınız işin içeriğinde kullanılan parametrelerin ne olduğunun asla bilinmemesi,
• Bütünlük: İşlemin başından sonuna kadar şifrelenmiş verinin değişime uğramadan gideceği adrese ulaşması,
• Reddedilmeme: Şifrelemeyi gerçekleştiren kişinin doğrulama adına imzasının olması,
• Kimlik: Gizliliğin olduğu herhangi bir ortama erişim için kanıtlanmış kimlik.

Rastgele Sayılarla Kriptografi

• Şifreleme anahtarı oluşturmak için kullanılır,
• Bazı sistemlerde cihazın sahip olduğu donanım bilgisi şifreleme işlemlerinde kullanılır. Mesela MAC ethernet adresi gibi. Donanımda bunun kullanılamadığı durumlar da söz konusu. Burada devreye yazılım tabanlı şifreleme girmeli. Bu yöntem için tamamen “rastgele” denemez,
• Rastgelelik durumu insan etkileşimi ile oluşturulabilir,
• Sunucu uygulamaları için uygun değildir çünkü manipülasyona açıktır. O yüzden belirli bir algoritma ya da donanıma ait bilgiler kullanılmalıdır.

Donald. E.Knuth adlı bilgisayar bilimcinin “Subtractive Random Number Generator” çalışması temel alınmıştır. Daha fazla bilgi için => The Art of Computer Programming

System.Random ve Sorunları

• Microsoft, uygulamanızda tek bir System.Random sınıfı instance’ı kullanılmasını öneriyor. Bkz. Random Class,
• System.Random thread safe değildir (tek thread kullanımına dikkat edin aksi takdirde 0 değeri dönebilir),

Rastgele Numaraları RNGCryptoServiceProvider sınıfı ile kullanırsanız daha güvenli şifreleme işlemleri gerçekleştirirsiniz. System.Random’a göre performans açısından daha yavaştır fakat tamamen rastgeledir.

Hashing Algoritmaları İle Kriptografi

• Verilen parametreyi kolayca hash’leyip hazırlar,
• Hash’lenmiş bir veriyi ilk haline çevirmek için kullanılamaz, tek yönlüdür,
• Hash’lenmiş verinin, orijinal halinde yapılacak en ufak bir değişiklik, tamamen farklı bir değerin üretilmesine sebep olacaktır,
• İki farklı parametre aynı hash değeri üretemez (parmak izi örnek verilebilir, eşi yoktur),

• Hashing ile geri döndürme işlemi yapılamaz. Yani, şifreli bir mesajı tekrar orijinal parametre haline çeviremezsiniz. Encryption’da bu mümkün. Yön farkları buradan gelmektedir,
• Orijinal parametre değişmedikçe hash işlemi yapıldıkça üretilecek değerler aynı olacaktır (tek bir karakteri bile değişse, çok farklı bir değer üretileceğini belirtmiştik).

MD5

• 1991 yılında MD4’un yerini almıştır,
• 128-bit,
• 1996 yılında ilk açık bulundu, 2004 yılında bulunan açıkların sayısı arttı. Kriptografcılar SHA gibi diğer yöntemlerin kullanılmasını öneriyor (çok nadir de olsa iki farklı veri seti aynı hash değer üretebiliyordu),

• Yine de eski uygulamalarda kullanılmaktadır.

SHA (Secure Hash Algorithm)

• SHA-1, NSA (National Security Agency) tarafından geliştirildi. 160 bit uzunluktadır. Bulunan sorunlardan ötürü daha fazla gelişimi sürmedi,
• SHA-2, SHA-256 ve SHA-512 ailelerini temsil eder. SHA-256 256-bit, SHA-512 542-bit. NSA tarafından geliştirilmiştir,
• SHA-3, 2012 yılında non-NSA yarışması sonucu doğmuştur. SHA-2’nin sahip olduğu hash uzunluğuna sahiptir. .NET Framework tarafından desteklenmemektedir. Üçüncü parti yazılımlarla ekleme yapmak mümnkün (.NET Framework desteği olmadığı için üzerinde durmayacağım).

Hashed Message Authentication Codes (HMAC)

Diğer adı hash MAC olan yöntemle verinizin bütünlüğü yine bir anahtar aracılığıyla kontrol edilebilir. Anahtar (input) kullanılarak şifrelenmiş veriniz, aynı anahtar kullanılarak tekrar üretilecek şifre değeri ile aynı olur ve tutarlılık kontrolü yapılabilir. Temel seviyedeki hash şifreleme sistemine göre daha az etkilidir. MD5 veya SHA ailesi kullanılarak şifreleme yapılır. Bu şifreleme yöntemine karşı en çok yapılan saldırı tipi Brute Force‘tur.

Şifre Depolama Yöntemleri

Kesinlikle uygulanmaması gereken depolama şekli. Eğer şifrelenmesi gereken veriniz şifresiz bir şekilde yolculuk ediyor ve gideceği noktada yine şifrelenmemiş bir şekilde kayıt altında tutuluyorsa, sisteminizde çok büyük güvenlik zafiyeti vardır. Sisteme erişim halinde hassas verileriniz çıplak bir şekilde sergileniyor olacak (plain text).

Encryption

Uygulamalarımızda hassas verilerin veritabanına şifreli olarak kaydedilmesi, veritabanına erişim sonrası yaşanacak sorunları bir nebze azaltacaktır. Fakat encrypt edilen bir verinin, tekrar kullanımı için decrypt edilmesi lazım. Yani şifre oluşturulurken kullanılan anahtar sözcüğün (key) de yönetimi söz konusu. Veritabanına kaydedilmiş şifreli verinin decrypt edilememesi gerekir. Çünkü anahtar çalınırsa tüm kilitler açılır.

Hash

Encryption’dan daha güvenilir ve kullanışlı olan hash yönteminin de kendince sorunlar var. Önce artılarına bakalım; hash işlemi geri çevrilemediği için şifrelenmeden önceki halinin ne olacağı bilinemiyor böylece sisteme sızılması durumunda veriler kötü niyetli kişiler için anlamsız oluyor. Ayrıca key kullanılmadığı, tamamen rastgele değerler üretildiği için key management gibi bir sorun da yok.

1. Brute Force Attack : Saldıran kişi, farklı kombinasyonlarla üretilmiş hash değerini sisteminizde kaydedilmiş herhangi bir kayıtla eşleşmesi için sürekli deneyecektir. Kulağa eşleşmesi neredeyse imkansızmış gibi geldiğinin farkındayım fakat teknolojinin nimetlerinden yararlanarak milyonlarca kaydı çok kısa süre içerisinde çoktan eşleştirmiş oluyorlar (o yüzden, kullanılmış, herkes tarafından bilinen 12345 gibi şifreleri asla kullanmayın).
2. Rainbow Table Attack :  Farklı şifrelerin hashlenmiş hallerini üzerinde bulunduran büyük bir kaynak (key-value ve GB’larca olması mümkün) ve bu kaynaktan sisteme girilmeye çalışıldığını düşünün,

Salted Hashes

Hash kullanarak yarattığınız değerlere kendi kombinasyonlarınızı da uygulayabilirsiniz. Mesela hash’lemek istediğiniz parametrenin byte dizisi ile yine kendi yarattığınız rastgele (random) sayıların byte dizisini birleştirebilir (combine) ve bu birleşimi hash’leyebilirsiniz. Böylece Brute Force ve Rainbow Table saldırılarında önceden hashlenmiş değerlerin sizinki ile uyuşması, ya da tahmin edilebilir olması zorlaşacaktır.

Password-Based Key Derivation Function (PBKDF2)

Hash fonksiyonun salt ile birlikte kullanımı bile bizim için yeteri kadar güvenli bir ortam oluşturmuyor. Bunun sebebi ise her geçen gün işlemcilerin veya bilgisayarların giderek daha da hızlanması ile Brute Force ve Rainbow Table saldırılarının tehlikeli boyutlara gelmiş olması (bkz. Moore Yasası) Haliyle bize daha güvenli bir yöntem lazım. Burada devreye RSA Public Key Cryptographic Standards serisi devreye giriyor. Diğer adı Internet Engineering Task Force’s RFC 2898‘dır.

PBKDF, parametreyi (şifrelenecek veri, password) alır, üstüne salt ekler daha sonra ise belirtilen sayıda algoritmanın üreteceği değeri daha da karmaşık hale getirir. Böylece saldırılara karşı daha da güvenilir, karmaşık ve denendiği halde eşleşmesi çok daha uzun süre alacak bir değer üretilecektir. (LastPass, şifrelerinizi tek bir yerde toplayan ve yönetilebirliği artıran bir uygulama. JavaScript client için 5bin, server-side için 100bin iterasyon kullanmış bkz. LastPass Password Iterations (PBKDF2))

NOT

1. 64bit (8byte) salt uzunluğu öneriliyor,
2. Sisteminizi performans açısından zorlamayacak sayıda yineleme (iterasyon) işlemi yapılmalı,
3. Moore Yasası baz alınırsa, her iki senede yineleme sayısını iki kat artıracak şekilde işlemlerinizi gerçekleştirin,
4. Salt hiçbir yöntemde gizli olma zorunluluğu taşımaz.

Çıktısı =>

Simetrik Şifreleme (Symmetric Encryption)

Çift yönlü şifrelemede kısaca değindik, birazdan farklı şifreleme tekniklerine bakacağız ama yine de kısaca değinelim.

Hızlı, güvenilir fakat yine ortada anahtar olan, anahtar ile tüm şifrelemelerin çözülebildiği bir şifreleme türü. Tüm simetrik şifreleme sınıfları SymmetricAlgorithm abstract sınıfını miras alır. Hızlı ve güvenlidir. Encrypt ve decrypt işlemlerinde aynı anahtarı kullanıyor olmasından ötürü simetrik denmektedir.

• Data Encryption Standard (DES)

IBM tarafından geliştirilmiştir. 64 bitlik key vardır fakat algoritma 56 bitlik kısmını kullanır. Güvenilirliğini test etmek için açılan meydan okuma yarışmasının (DESCHALL) 96. gününde şifre kırılmıştır. (Yarışma ve yaşanan hack olayı için daha fazla bilgiyi bu kitapta bulabilirsiniz => Brute Force: Cracking the Data Encryption Standard)

Çıktısı =>

• Triple DES

DES’in güvenilirliği sorgulanmaya başladıktan sonra yeni bir şifreleme algoritmasının temelleri de atılmış oldu. DES’e göre en büyük farklılığı yine DES’i uyguluyor olması fakat üstüne farklı 2-3 anahtarın ekleniyor olması. Birinci adımda anahtar ile oluşturulan şifreye, ikinci anahtar eklenerek tekrardan şifreleniyor (2. veya 3. anahtar. Şifrelenmiş halinden orjinal haline geri döndürmek için kullandığınız anahtar sırasını tersten işlemeniz gerekiyor.)

Çıktısı =>

• Advanced Encryption Standard (AES)

DES’in yerini alması için 2001 yılında kullanılmaya başlanmıştır. DES’in aksine Feistel Network kullanmaz. 128 bit girdi, 128, 192 veya 256 bitlik anahtar (sırasıyla 10, 12,14 yineleme yapar) kullanır. AES, en çok güvenilen şifreleme yöntemlerinden birisidir. Değiştirme-Karıştırma yöntemi ile çok karmaşık bir değer üretilir. Şifrenin kırılması için gerekli süre adına şuan bulunan süper bilgisayarlar kullanılsa bile evrenin yaşından daha fazla vakit alacağı söyleniyor. (256bit = 1.1×10⁷⁷ ihtimal)

Çıktısı =>

Asimetrik Şifreleme (Asymmetric Encryption)

Simetrik şifrelemenin hızlı ve güvenilir olduğundan bahsetmiştik fakat anahtar yönetimi sorunu mevcut. Anahtara sahip kişinin verebileceği hasar, tüm şifreleri kırabilmesiyle başlıyor. Bunun çözümü asimetrik şifrelemede. Asimetrik şifreleme de iki çeşit anahtar var. Birisi açık (public) diğeri ise kapalı (private). Bu iki anahtar birbiri ile (matematiksel olarak) bağlantılı ve sadece private anahtarın saklanması gerekiyor. Public key herkesin erişimine açıkken, private key sadece alıcıya aittir. Public key ile encrypt, private key ile decrypt yapılıyor. Peki private key’in ele geçirilmesi ile yaşanacak sorunlar nasıl önleniyor? Şöyle; private key’e sahip olan kişi, hangi public key’e bağlı olduğunu bilmiyor çünkü anahtar değişimi yok. Simetrik şifrelemeye göre dezavantajı ise işlemin daha yavaş olması. Sebebi ise daha kompleks bir yapıda olması.

• RSA (Rivest, Shamin ve Adelman)
  • İsmini, tekniğin mucitlerinden almaktadır. RSA Security LLC firmasının bir ürünüdür,
  • RSA, diğer simetrik şifrelemelerle kullanılabilir. Birazdan hibrit şifrelemede bu konuya değineceğim,
  • 1024, 2048 ve 4096 bit anahtar kullanır. Günümüz koşullarında en az 2048 bitlik anahtar kullanılması öneriliyor. 1024 bitlik anahtar zayıf görülüyor,
  • Açık ve kapalı anahtarlar asal sayı temellidir,
  • Encryption ve decryption işlemleri matematik operasyonlarından oluşuyor, yavaş olmasının sebebi de budur (modüler matematik, çarpımların ayrımı, iki asal sayının çarpımı).

İki farklı kullanımı mevcut. İlki, XML çıktı alabileceğiniz (ToXmlString()) veya in-memory saklayabileceğiniz provider kullanmak diğeri ise Microsoft’un kendi konteyner (container) yapısını kullanmak. Böylece yaratılan key kullanıcıya bağlanabilir, kullanıcı silindiği zaman bu bilgiler de silinir. Diğer bir avantajı ise korumak istediğiniz bir uygulamayı, sistemi veya birden fazla uygulama grubunu korumak için bir kullanıcıya (örnek : admin) bunu bağlamak. NOT : Yaratılan keyler açık şekilde bilgisayarda tutulmamalı.

Konteyner kod örneği =>

Hibrid Şifreleme (Hybrid Encryption)

• Simetrik şifrelemede anahtar paylaşımı riskli,
• Asimetrik şifrelemede ise simetrik şifrelemeye göre anahtar paylaşımı daha güvenilir fakat işlem yavaş.

İki şifreleme yönteminin de dahil edildiği, daha güvenilir ve iyi bir çözüm sunmak adına hibrid şifreleme yapmak mümkün. Simetrik şifreleme anahtarının asimetrik şifreleme (RSA gibi) ile şifrelenmesi. Ortaya çıkan bu unique anahtara Session Key denir. Örnek için AES + RSA kodu yazılabilir, tekrar tekrar yazmamak adına kod örneğini kimse talep etmedikçe pas geçiyorum.

Dijital İmza (Digital Signature)

Kriptografinin ilkeleri konusunda bahsedilen reddedilmeme ilkesi dijital imza ile alakalıdır. Dijital imza, size, yaratılan mesajın bir sahibi olduğunu ve buna güvenmeniz için gerekli sebepleri barındırdığını belirten ibaredir. Kısacası dijital imza, uygun bir private key ile bir kullanıcı tarafından yaratıldığının en belirgin ve güvenilir ifadesidir. Asimetrik şifreleme tabanlıdır.

• Public ve private key’lerden oluşur,
• İmzalama işlemi private key ile gerçekleşir,
• Doğrulama işlemi public key ile gerçekleşir.

.NET Framework’te dijital imza 3 sınıf kullanır:

1. RSACryptoServiceProvider,
2. RSAPKCS1SignatureFormatter,
3. RSAPKCS1SignatureDeformatter.

Bu sınıflar verimizin doğruluğunu ve güvenilirliğini sağlar.

Yukarıdaki örnekte verify işlemi sırasında hashedDocument değişkenindeki byte dizisi değerinden herhangi birisini değiştirmeniz sonucun false olmasına sebep olacaktır çünkü orijinal değerden farklı olacaktır.

NOT : Hibrid yöntemle kodunuzu genişletmeniz mümkün.

SecureString

• System.String kütüphanesi güvenli bir çözüm değil,
• System.String kütüphanesi bazı sorunlar barındırmaktadır
  • Bellekte birden fazla kopya,
  • Şifreli değil,
  • Değiştirilebilir

Yukarıda belirtilen sorunlar bildiğimiz string veri tipinde tutulan hassas veriler için geçerli. System.String kullanımı yerine SecureString kullanımı tavsiye edilir.

• SecureString bellekte şifreli tutulur (erişildiğinde şifresiz hale gelir),
• GarbaceCollector bellekte gezinirken müdahale etmez, tek kopası bulunur,
• IDisposable interface eklentisi var,
• Pointer kullanımı mümkün (char array).

SecureString’in varlığı hassas bilgiyi string üzerinde tutmamanız için vardır. Hassas bilgi dışında kullanmamanız tavsiye edilir. Arka yapıda DPAPI kullanır.

Data Protection API (DPAPI)

• DPAPI, şifreleme ile veri güvenliği sunar (şifre ve private key),
• İşletim sistemi seviyesinde güvenlik sağlar yani başka kütüphanelere gereksinim duymaz,
• Parola bazlı veri güvenliği sunan bir servistir. Güvenliğin sağlanması için parola gereklidir (giriş yapan kullanıcının parolası),
• Crypt32.dll’in bir parçasıdır, tüm Windows işletim sistemlerinde bulunur,
• DPAPI şifrelenmiş veriyi sizin için saklamaz, saklama işlemi için kendi depolama kodunuz olmalı,
• DPAPI kullanıcının giriş bilgilerini kullanır,
• Master Key adında güçlü bir anahtar (TripleDES ile) üretir. Bu anahtarı da üretirken kullanıcının parolasını kullanır. Bu anahtar da depolanmaz ve bir süre sonra kullanım ömrü dolar.

GÜNCELLEME
.NET Framework 4.7 ile gelen ve bu konuyu ilgilendiren bazı değişiklikler var:

• Improved support of RSA decryption with hardware keys,
• Opening a cryptographic key with CspParameters.ParentWindowHandle set to this.Handle will now correctly make any PIN or password prompt be modal to the current window,
• Enabled ClickOnce signing scenarios where certificate is identified by a cryptographic provider and private key container names.