Problematiche di sicurezza

Uno dei problemi che oggi si pongono con maggiore forza, vista la continua ascesa delle potenzialità e dei servizi che la rete Internet può offrire, riguarda la sicurezza della comunicazione in rete. Molte sono le sperimentazioni all'esame o già in uso, ben lungi comunque da una soluzione definitiva, che sono state avviate negli ultimi anni. Il problema, per natura molto complesso, deve fare i conti con un ritardo iniziale dovuto ad una serie di scelte pensate per una rete più piccola, meno diffusa e meno eterogenea di quella che già è Internet; almeno inizialmente l'obiettivo era di "inventare" le reti, cioè costruire dispositivi e tecniche che permettessero la comunicazione a distanza (tra utenti affidabili). Ciò che importava erano dunque le prestazioni e l'affidabilità piuttosto che la sicurezza.

Già a partire dai prossimi anni le componenti di base dell'intera struttura TCP/IP, primo fra tutti il protocollo IP, saranno oggetto di profonde modifiche. I nuovi protocolli rappresenteranno lo strumento definitivo per interconnettere un numero pressoché illimitato di sistemi eterogenei e si prospettano così innovativi da far assegnare al futuro della rete un nome sintomatico: Internet Next Generation. 

In una popolazione eterogenea, inoltre, diventa più facile che utenti poco raccomandabili, i cosiddetti hacker, possano attuare attacchi allo scopo di modificare il traffico delle informazioni e/o creare disagi ai sistemi informatici della rete. Tra le motivazioni principali che spingono gli hacker a sovvertire le regole vi sono, ad esempio:

• ottenere un accesso non autorizzato ai dati e/o modificarne il contenuto;
• utilizzare l'identità di un altro utente o identificarsi in sua vece per addossargli responsabilità;
• registrare e/o modificare la comunicazione tra due utenti;
• aggiungere funzionalità dannose e/o violare l'integrità di un servizio.

Gli aspetti di un servizio che possono essere compromessi sono:

• la confidenzialità dei dati in memoria o scambiati
• l'autenticazione dell'identità dei partecipanti
• l'integrità delle informazioni scambiate
• il non ripudio della comunicazione intercorsa
• il controllo degli accessi
• la disponibilità dei sistemi informatici e dei canali su cui poggia il servizio. 

Ogni servizio Internet costituisce un veicolo per la trasmissione dei dati ed è potenzialmente vulnerabile; la natura dei dati trasmessi determina l'interesse degli hacker e, di conseguenza, la frequenza dei loro attacchi.

Tra i servizi più innovativi, ma anche più appetibili dagli hacker, figurano senza dubbio le transazioni commerciali e finanziarie. Internet rappresenta il veicolo ideale per raggiungere milioni di consumatori e spingerli a spendere i propri soldi in merci e servizi proposti attraverso il commercio elettronico. Il successo di questo commercio e il coinvolgimento di molti utenti è fortemente legato allo sviluppo delle politiche di sicurezza, dalla maturazione degli utenti da sempre poco fiduciosi sulle garanzie del servizio, all'adozione di forme sicure di moneta elettronica. 

Debolezze di base dell'architettura TCP/IP

Come si può facilmente evincere dall'analisi dell'intestazione e delle procedure legate all'IP (versione 4), questo protocollo non prevede campi e tecniche specifiche volte a garantire un livello di sicurezza adeguato. Per via di questa lacuna, le stazioni finali e intermedie effettuano solo un controllo sugli indirizzi IP attraverso liste di indirizzi permessi o negati; ne deriva che un hacker in grado di assumere identità IP diverse può aggirare facilmente tale precauzione.

La nuova versione IPv6 sarà più attenta alle problematiche di sicurezza. Infatti, tra le intestazioni del nuovo protocollo di Rete saranno possibili delle intestazioni aggiuntive che potranno allegare informazioni di vario genere, ad esempio relativi al routing o alla frammentazione. Tra i campi ammessi vi saranno un campo destinato proprio al controllo dell'integrità del datagram IP ricevuto ed un campo per scambiare i dati in maniera riservata.

Altre debolezze dei protocolli del livello di rete sono generalmente relative all'assenza di una procedura di autenticazione.

Al livello trasporto le cose migliorano. Il TCP è, infatti, di gran lunga la componente più complessa dell'intera suite di protocolli, e spesso la più difficile per gli hacker. In generale l'UDP è, invece, più vulnerabile.

La complessità principale del TCP consiste nel banale meccanismo di autenticazione della sorgente in fase di apertura della connessione, ovvero la sincronizzazione delle sequenze nel three-way handshaking. Alcune forme di attacco sono comunque semplici, ad esempio la sostituzione di un hacker ad una delle due stazioni se è in grado di intercettare i segmenti TCP scambiati. Un hacker può mettere facilmente fuori servizio un server, inviando una serie di richieste per l'instaurazione di nuove sessioni TCP (e senza invio si acknowledgement alla riposta del server); infatti, una volta raggiunto un numero massimo di sessioni TCP pendenti, il server non è più in grado di aprirne di nuove, a volte a causa anche del blocco totale del sistema operativo. Questo ultimo esempio di attacco, chiamato SYN flooding, rappresenta un tipico attacco per interrompere la fornitura di un servizio.

Gli strumenti per la sicurezza

Vista la natura pubblica, polivalente e fondamentalmente insicura della suite TCP/IP, diventa opportuno, spesso necessario, avvalersi degli strumenti adatti per consentire un livello di sicurezza più alto. Questo può avvenire solo attraverso l'utilizzo di opportune funzioni crittografiche.  

I servizi fondamentali richiesti dagli utenti sono sostanzialmente due:

• la codifica dei dati scambiati, per nasconderne il contenuto
• l'autenticazione della sorgente dei dati, per accertarsi della loro provenienza

La contromisura fondamentale per evitare gli attacchi degli hacker, riguarda la codifica dei dati. Gli algoritmi crittografici utilizzabili sono delle particolari funzioni matematiche che applicate al testo originale sono in grado di cifrarne il contenuto. La proprietà loro richiesta è soprattutto quella di essere invertibili, ovvero il processo può essere invertito e dai dati cifrati riottenere il messaggio originale. 

Storicamente, ed ancora oggi in alcuni casi, la sicurezza e la forza di un metodo crittografico era basata sulla non conoscenza del principio di funzionamento del metodo stesso agli estranei, che rimaneva un segreto per pochi. Oggi questa politica sarebbe nefasta, in quanto il successo di un servizio Internet è stabilito dal numero delle persone che ne fanno uso quotidianamente. Anche per questo la crittografia moderna ripone la sua sicurezza su un altro tipo di segreto, coincidente con una componente di tutto il processo (la cosiddetta chiave); il principio di funzionamento, invece, viene assunto come pubblico e standardizzato.

Se la chiave usata in fase di codifica coincide con la chiave usata nella fase di decodifica allora si parla di algoritmo simmetrico o a chiave segreta.

Se la chiave utilizzata in fase di codifica è diversa da quella utilizzata in fase di decodifica, allora si parla di algoritmo asimmetrico o a chiave pubblica. 

Tipici attacchi crittoanalitici, tesi a ricavare il messaggio originario senza la conoscenza delle chiavi utilizzate sono:

• si conoscono solo alcuni messaggi cifrati, tipico caso di Internet quando qualcuno intercetta i dati scambiati, e si cerca di ricavare specifiche sequenze con analisi di tipo statistico
• si conoscono alcuni messaggi cifrati e alcuni dei relativi messaggi originari, e si cerca di dedurre la chiave utilizzata
• si conosce un messaggio cifrato (o più d'uno) e si provano in maniera esaustiva tutte le possibili chiavi allo scopo di ottenere il messaggio originario.

Algoritmi simmetrici. In genere gli algoritmi simmetrici prevedono l'uso di chiavi  non molto lunghe (40-128 bit) cambiate di frequente, anche più volte nella stessa sessione. Inoltre i metodi di questa categoria mettono in pratica alcuni concetti molto importanti, legati alla naturale ridondanza presente in ogni linguaggio:

• le correlazioni all'interno del messaggio, prima di codificarlo, devono essere minime
• le funzioni crittografiche devono mascherare le correlazioni residue.

Vediamo alcuni metodi specifici:

1. One-Time Pad, schema teorico che prevede l'uso di una chiave casuale, ogni volta diversa, della stessa lunghezza del testo da codificare. L'algoritmo utilizza le funzioni di somma e sottrazione modulari;  
2. DES (Data Encryption Standard), l'algoritmo simmetrico più diffuso, da quando nel 1977 fu adottato dagli USA quale standard ufficiale per lo scambio di documenti fra agenzie governative. Opera su sequenze di 64 bit e chiavi di 56 bit con operazioni di permutazione e sostituzione, iterate più volte, molto laboriose. Esistono versioni più elaborate, come ad esempio il 3DES (Triple DES), in cui l'algoritmo viene riapplicato tre volte sullo stesso messaggio;  
3. IDEA (International Data Encryption Algorithm), molto usato e ritenuto il più robusto di questa categoria. Le codifiche avvengono su sequenze di 64 bit con chiavi da 128 bit con operazioni logiche, addizioni e moltiplicazioni modulari ripetute più volte. Sviluppato in Europa, è particolarmente adatto ad essere implementato in software specifici.

Un problema tipico in questi algoritmi è rappresentato dalla condivisione delle chiavi, ovvero dalla procedura con la quale i due comunicanti si scambiano la chiave.

Algoritmi asimmetrici. L'introduzione di questi algoritmi rappresenta l'unica vera rivoluzione del secolo sulla protezione e la sicurezza dei dati. A differenza degli algoritmi simmetrici dove il concetto di chiave si applica ad ogni comunicazione (ad ogni coppia di partecipanti corrisponde una chiave), negli algoritmi asimmetrici il concetto di chiave si applica ai partecipanti (ciascuno ha la sua chiave). In realtà la chiave consiste in una coppia di chiavi, una pubblica - a disposizione di chi voglia comunicare con quel partecipante, l'altra privata - custodita ed utilizzata solo dal partecipante. 

La garanzia della sicurezza risiede nella impossibilità di ricavare la chiave privata, pur conoscendo la chiave pubblica. Inoltre non esiste il problema della condivisione presente negli algoritmi simmetrici: le chiavi pubbliche, che sono le uniche da scambiare possono tranquillamente viaggiare "in chiaro".

L'ordine con il quale si utilizzano le chiavi determina le proprietà della codifica effettuata:

• se il messaggio viene cifrato con la chiave pubblica di Alice, Alice è la sola persona che può conoscerne il contenuto decodificando con la propria chiave privata. In questo caso si ha la segretezza del messaggio;
• se il messaggio viene codificato da Alice con la propria chiave privata, chiunque lo riceva può accertarsi, utilizzando la chiave pubblica di Alice, dell'identità del mittente; in questo caso si ha l'autenticazione del messaggio.

Vediamo alcuni metodi specifici:

1. Knapsack, il primo algoritmo di questa categoria, trae spunto da un noto problema matematico. La lunghezza delle chiavi può essere variabile ma, in ogni caso, all'aumentare della lunghezza aumenta anche la complessità per un crittoanalista. Non è stato mai implementato nella pratica per servizi di Internet in quanto, in alcune circostanze, l'algoritmo risulta vulnerabile (indipendentemente dalla lunghezza delle chiavi);
2. RSA (dai nomi degli inventori Rivest, Shamir, Adleman), molto diffuso in molteplici applicazioni e servizi della rete Internet, pur non essendo uno standard ufficiale. Fa uso dell'aritmetica modulare e di alcune sue proprietà, fra cui un risultato noto come "teorema di Eulero". La sicurezza di questo algoritmo risiede nella difficoltà di fattorizzare (scomporre in fattori moltiplicativi) numeri molto grandi. Le chiavi normalmente utilizzate sono molto lunghe, da 512 a 1024 bit, ed il tempo impiegato nelle operazioni è molto più lungo (fino a 1000 volte rispetto agli algoritmi simmetrici); 
3. ElGamal, alternativo allo RSA, il cui livello di sicurezza si basa sulla difficoltà computazionale di calcolare logaritmi discreti, ovvero dati a e b ed il modulo n, calcolare x tale che a^x = b (modulo n).
4. Diffie-Hellman, attualmente molto utilizzato in molte applicazioni e servizi Internet di larga diffusione, espressamente dove è necessario lo scambio delle chiavi segrete tra due o più partecipanti, anche in contesti dove si preferiscono algoritmi simmetrici, che sono computazionalmente più veloci. La sicurezza si basa sempre sulla difficoltà del calcolo del logaritmo discreto.

Autenticazione e scambio delle chiavi. Un gran numero di servizi Internet ha bisogno di una procedura di autenticazione, per stabilire l'identità ed i diritti di chi li richiede. In questo ambito esistono molteplici alternative, che generalmente prevedono la verifica delle credenziali del richiedente, il client, e dunque in maniera unilaterale, ma a volte richiedono l'autenticazione anche del secondo partecipante alla comunicazione, il server, e dunque in maniera bilaterale.

Il paradigma utilizzato nella verifica delle credenziali può essere di vari tipi:

• username/password, per autenticazione unilaterale. Il server confronta semplicemente i dati pervenuti nella lista degli utenti accreditati. I dati, inoltre, sono generalmente inviati in chiaro e dunque sono suscettibili di essere copiati da hackers in ascolto;

• challenge/response, che richiede l'autenticazione del client in tre passi, ovvero: 
  - invio della username,
  - risposta del server con un numero casuale R (il challenge),
  - risposta del client con una codifica C[R] del numero casuale ricevuto. Il server, dal canto suo, effettua lo stesso calcolo e confronta l'uguaglianza con il valore ricevuto.
  Più sicuro della modalità precedente ma non ideale per via dei tre passaggi, soprattutto se l'autenticazione va ripetuta per ogni pacchetto trasmesso. Questa modalità è utilizzata anche in caso di assenza di funzioni crittografiche, per generare ed inviare password di volta in volta diverse, come nel caso dello schema One Time Password;

• timestamp, che pone rimedio ai tre passaggi autenticando attraverso una codifica C[T] del tempo interno T (preso dall'orologio di sistema) che il server accetta se non è troppo vecchio. 

Le  procedure ad oggi più diffuse rimangono quelle username/password per la loro grande semplicità, nonostante le debolezze che esibiscono a fronte di eventuali attacchi.

Il problema della generazione/distribuzione delle chiavi può avvenire in modi diversi, a seconda che si tratti di chiavi segrete o chiavi pubbliche. In particolare si va sempre più affermando la presenza di una terza parte fidata che spesso ha il laborioso compito di creare e distribuire le chiavi comuni. Per evitare tutta la mole di lavoro che tutto ciò comporta, si fa uso spesso di uno schema alternativo in cui si adotta un meccanismo di sola certificazione delle chiavi pubbliche. In tal caso l'autorità centrale ha il compito esclusivo di produrre e rilasciare dei certificati, riconosciuti da tutti i partecipanti, per garantire la validità delle chiavi che questi utilizzano.

In molti servizi Internet il problema dello scambio di chiavi pubbliche viene risolto facendo ricorso ad un'autorità di certificazione (CA). Oggi il formato standard, denominato X.509, stabilisce la struttura che devono avere i certificati, ma non precisa quale algoritmo asimmetrico è necessario utilizzare (pur consigliando lo RSA).

La sicurezza nelle applicazioni

L'evoluzione dei servizi di Internet rende sempre più pressante il bisogno di proteggere i dati e le comunicazioni tra i vari utenti. Mentre l'autenticazione degli utenti avviene con gli schemi precisati nel predente paragrafo (spesso username/password), la trasmissione dei dati avviene generalmente in chiaro. Le soluzioni proposte per includere funzionalità crittografiche sono essenzialmente:
- includere un sistema crittografico a livello applicazione, approccio che è vincente per alcuni servizi 
- introdurre protocolli sicuri al livello trasporto, in particolare a livello di sessione
- sostituire del tutto il protocollo al livello IP.

Nel seguito vedremo quali sono le problematiche e come può essere o viene di fatto gestita la sicurezza su alcuni servizi tradizionali di Internet.

Telnet. L'autenticazione del richiedente avviene con il paradigma username/password. La vulnerabilità principale del protocollo Telnet consiste nella possibilità, una volta intercettate le credenziali, di accedere alle risorse di un computer remoto ed eseguire comandi come se si fosse realmente su quella macchina. Una soluzione potrebbe essere di crittografare tutti i dati scambiati, ma non tutti i Paesi distribuiscono versioni di Telnet che codifichino i dati prima di convertirli in NVT. La soluzione più praticata si preoccupa di irrobustire il processo di autenticazione iniziale. 

Trasferimento files. Le problematiche possono essere riguardate in relazione alle due connessioni che caratterizzano il protocollo FTP:

• per l'invio dei comandi, che avviene sulla connessione di controllo, vale quanto detto su Telnet,
• per la trasmissione dei files, che avviene sulla connessione dati, si tende a risolvere il problema con dati crittografati in precedenza, ovvero attraverso le applicazioni che ne fanno uso. 

Posta elettronica. I protocolli utilizzati sono molto carenti sia nell'autenticazione dei partecipanti, che avviene normalmente con il paradigma username/password, sia nel garantire la riservatezza delle informazioni scambiate. Sebbene sarebbe più opportuna la sostituzione dei vari protocolli, al momento si utilizzano funzioni crittografiche a livello utente, cioé con trattamento preliminare dei dati. Fra le soluzioni maggiormente diffuse figurano:

• PGP (Pretty Good Privacy), sistema inventato da P. Zimmerman, utilizzabile tanto nella posta elettronica quanto nelle altre tipologie di documenti. Lo schema PGP permette sia di autenticare i partecipanti che di crittografare le informazioni attraverso gli algoritmi standard dell'intera crittografia;
• S-MIME (Secure MIME), un'estensione del protocollo MIME con la quale si garantiscono la confidenzialità dei dati, con l'algoritmo standard 3DES, e l'integrità degli stessi con codifiche RSA. Inoltre, a differenza del PGP, è garantita l'originalità delle chiavi pubbliche attraverso il completo supporto all'uso dei certificati;
• PEM (Private Enhanced Mail), standard che garantisce riservatezza e autenticazione attraverso l'uso di un algoritmo simmetrico (DES) per la codifica dei dati e l'uso dello RSA (chiave pubblica del destinatario) per la codifica della chiave DES utilizzata, che così viene allegata al messaggio.  

Il WWW e il commercio elettronico

Il protocollo HTTP è nato come protocollo ASCII, e questo ha costituito, inizialmente, un problema per la riservatezza delle comunicazioni sul Web. Oggidì sia il protocollo HTTP che il servizio WWW hanno modificato ed allargato notevolmente le proprie funzionalità, allo scopo di permettere il loro utilizzo anche in forme complesse di interazione, come nelle transazioni commerciali. 

Uno dei problemi principali del Web è dovuto al fatto che per ogni singola richiesta-risposta tra client e server è necessario aprire connessioni TCP distinte, il che provoca una gestione poco efficiente della rete. Uno dei rimedi all'assenza del concetto di sessione è stato proposto attraverso l'uso dei cookies, dei particolari files che il server invia al client, il quale li memorizza e li utilizza per gestire una sorta di sessione. Questi "contrassegni" di riconoscimento rimangono sul disco locale, e sono utilizzati dal server Web per identificare, con la collaborazione del browser, gli utenti collegati, il numero di visite effettuate ed altre informazioni utili al server Web sui suoi visitatori (ad esempio anche il concetto di "carrello elettronico", utilizzato nei siti specializzati di commercio elettronico, è gestito attraverso i cookie, che mantengono informazioni sugli elementi presenti nel carrello).

Dal punto di vista della sicurezza, proprio per la sua natura di sistema aperto e disponibile a tutti, il Web risulta particolarmente vulnerabile.

L'autenticazione HTTP. Nell'HTTP 1.0 è previsto un servizio di autenticazione di base (Basic Authentication) che permette l'accesso alle informazioni riservate, nel caso dunque che il server ne faccia richiesta, attraverso un meccanismo username/password. In questo caso il server avrà a disposizione tabelle di utenti accettati con le relative password.

Nella versione 1.1 questo meccanismo è migliorato attraverso un meccanismo challenge/response (Digest Authentication) che client e server eseguono con un algoritmo apposito denominato MD5.

I protocolli per la sicurezza. Il problema di proteggere i dati scambiati fra client e server WWW è risolto con l'utilizzo di protocolli specifici:

• HTTPS (S-HTTP o Secure HTTP), rappresenta lo standard in cui è stato modificato il protocollo HTTP, in modo da renderlo sicuro, attraverso la cifratura dei messaggi del traffico HTTP. L'uso di questo protocollo non è del tutto trasparente all'utente
• SSL (Secure Socket Layer), non applicabile esclusivamente al WWW, ma compatibile anche con le news, la posta elettronica, il trasferimento di files, ecc. in quanto protegge l'intera sequenza di dati che fluiscono da una connessione TCP. Questo protocollo permette la creazione di una sessione SSL all'interno della quale client e server hanno un'associazione duratura, attraverso il mantenimento dei parametri negoziati in fase di handshake anche per connessioni parallele o successive. Il protocollo prevede l'utilizzo degli algoritmi RSA, DES e MD5. Le sessioni SSL sono facilmente riconosciute dal fatto che il link è gestito con il metodo "https://". L'apertura di una sessione SSL avviene in seguito allo scambio dei certificati, che almeno uno dei partecipanti conserva e provvede a fornire all'altro, senza richiederlo all'autorità di certificazione. Un esempio tipico può essere quello in figura, che illustra il meccanismo alla base di una transazione commerciale, in cui è lo stesso browser a gestire automaticamente il certificato digitale. 

I firewall

Forme più complesse di protezione, soprattutto perché non riguardano singoli servizi ma intere reti aziendali, consistono nell'uso dei firewall (parete tagliafuoco). Il principio base di questi sistemi è quello di forzare il passaggio di tutto il traffico attraverso un unico punto di ingresso e uscita, laddove si possano effettuare gli opportuni controlli. Il firewall si inserisce, così, tra la rete aziendale e la rete esterna in modo da controllare tutto il traffico dall'una all'altra parte.

Una tipica configurazione di firewall è la seguente, in cui:

• i router filtrano i pacchetti in transito (A in uscita, B in ingresso) secondo precisi criteri;
• l'application gateway entra nel merito del contenuto dei dati in transito, per decidere cosa può passare.

Criteri tipici di filtraggio sono:

• gli indirizzi IP di partenza o destinazione, per connettere due reti aziendali remote attraverso una rete esterna, una cosiddetta Extranet;
• il numero delle porte di destinazione, per abilitare e/o disabilitare certi servizi
• il tipo di connessione usata, per bloccare tutto il traffico UDP che risulta più difficile da analizzare.

Problema Knapsack. Supponiamo di avere a disposizione un insieme di oggetti di peso diverso (i pesi li conosciamo) e supponiamo di prenderne un certo numero per infilarli in un sacco. Il problema consiste nel determinare quali sono gli oggetti prescelti una volta noto il peso complessivo del sacco.