Kiến trúc Bảo mật: Ngăn xếp kỹ thuật đầy đủ

sử dụng Vaultaire AES-256-GCM để mã hóa được xác thực trên các chỉ mục vault, khóa được bao bọc, tiêu đề tệp, nội dung, hình thu nhỏ và siêu dữ liệu. PBKDF2-HMAC-SHA512 lấy khóa vault cục bộ từ mẫu và toàn bộ thiết bị Keychain muối. Khóa vault đó bao bọc một khóa chính 256 bit ngẫu nhiên riêng biệt, thực hiện mã hóa tệp thông qua CryptoKit trong quá trình ứng dụng.

Ngăn xếp mật mã

Vaultaire sử dụng một số cơ chế mật mã hoạt động đồng bộ, mỗi cơ chế được chọn cho một công việc cụ thể. PBKDF2 biến thông tin xác thực của con người thành kho lưu trữ hoặc khóa khôi phục. AES-256-GCM bảo vệ chỉ mục, trình bao bọc, siêu dữ liệu, hình thu nhỏ và nội dung tệp. Khóa chính ngẫu nhiên tách mã hóa tệp tồn tại lâu dài khỏi mẫu có thể thay đổi. Keychain và iOS Bảo vệ dữ liệu bảo vệ các bản ghi khôi phục và muối liên kết với thiết bị trong khi thiết bị bị khóa. Không có khóa giải mã nào do nhà cung cấp nắm giữ cung cấp cho nhà phát triển quyền truy cập thường xuyên vào văn bản gốc của vault.

Đây không phải là sự phức tạp vì lợi ích riêng của nó. Mỗi lớp xử lý một bề mặt tấn công khác nhau. AES-256-GCM kết hợp tính bảo mật với xác thực, do đó bản mã đã sửa đổi không thể xác minh được. PBKDF2 làm tăng chi phí kiểm tra từng mẫu hoặc cụm từ. Khóa chính ngẫu nhiên có nghĩa là một thay đổi mẫu có thể gói lại một khóa thay vì mã hóa lại mọi tệp. Keychain bảo vệ dữ liệu bảo vệ các bản ghi khôi phục và muối cục bộ, trong khi ứng dụng vẫn thừa nhận rằng mã hóa đối xứng xảy ra trong bộ nhớ xử lý.

Cùng với nhau, các lớp này tạo thành một kiến trúc có chiều sâu phòng thủ, nhưng chúng không phải là tất cả các rào cản độc lập. Một mẫu đoán có thể được kiểm tra dựa trên tên tệp chỉ mục và AES-GCM xác thực và thiết bị đã mở khóa bị xâm nhập có thể quan sát các khóa hoặc văn bản gốc trong quá trình ứng dụng. Do đó, kiến trúc phụ thuộc vào entropy thông tin xác thực, PBKDF2 chi phí, iOS bảo vệ thiết bị và xử lý mã hóa xác thực chính xác cũng như sức mạnh của chính AES.

AES-256-GCM: Mã hóa tệp

Mọi ảnh, video và tài liệu được lưu trữ trong Vaultaire đều được mã hóa bằng AES-256-GCM — Tiêu chuẩn Mã hóa Nâng cao với khóa 256-bit trong Chế độ Galois/Bộ đếm. Vaultaire cũng sử dụng AES-GCM dành cho chỉ mục vault, tiêu đề tệp, hình thu nhỏ và phong bì khóa. Thuật toán và kích thước khóa được chuẩn hóa; Bảo mật của Vaultaire vẫn phụ thuộc vào việc xử lý nonce, quản lý khóa, độ mạnh của thông tin xác thực và tính chính xác của việc triển khai.

“256” trong AES-256 đề cập đến độ dài khóa tính bằng bit. Khóa 256 bit có 2²⁵⁶ giá trị có thể có. Để dễ hình dung con số đó: có khoảng 10⁸⁰ nguyên tử trong vũ trụ quan sát được. Nếu mỗi nguyên tử là một siêu máy tính đang kiểm tra một tỷ khóa mỗi giây, chạy kể từ Vụ nổ lớn, thì chúng sẽ khám phá chưa đến một phần nghìn tỷ của một phần nghìn tỷ của một phần trăm không gian khóa. AES-256 sẽ không bị ép buộc một cách thô bạo. Không phải hôm nay. Không phải thế kỷ này. Không phải trước khi các ngôi sao cháy hết.

Tại sao Chế độ GCM lại quan trọng

AES là mật mã khối, nó mã hóa dữ liệu theo khối 128 bit. “mode” xác định cách kết hợp các khối đó. GCM (Chế độ Galois/Bộ đếm) cung cấp hai thứ mà các chế độ đơn giản hơn như CBC không có: mã hóa song song và xác thực tích hợp.

Phần xác thực rất quan trọng. GCM tạo thẻ mật mã cho mọi tệp được mã hóa. Thẻ này hoạt động như một con dấu giả mạo. Nếu ngay cả một bit của văn bản mã hóa bị sửa đổi, cho dù do tác nhân độc hại hay khu vực đĩa bị hỏng, thì thẻ xác thực sẽ không khớp và quá trình giải mã sẽ không thành công. Bạn không nhận được dữ liệu bị hỏng. Bạn nhận được một tín hiệu rõ ràng rằng có điều gì đó không ổn. Thuộc tính này được gọi là mã hóa xác thực và nó ngăn chặn toàn bộ lớp tấn công trong đó đối thủ sửa đổi dữ liệu được mã hóa để thao túng đầu ra được giải mã.

PBKDF2: Đạo hàm chính

Vaultaire lấy được các khóa khác nhau cho các công việc khác nhau. Mẫu và toàn bộ thiết bị Keychain thức ăn muối PBKDF2-HMAC-SHA512 trong 600.000 lần lặp để tạo khóa vault cục bộ. Một dẫn xuất mẫu xác định sẽ tạo ra khóa sao lưu đám mây riêng biệt. Cụm từ khôi phục được chuẩn hóa chạy qua 800.000 PBKDF2 lặp lại để tạo ra khóa cho phong bì phục hồi. Không có dẫn xuất nào trong số đó biến thông tin xác thực của con người thành 256 bit entropy chỉ vì đầu ra dài 256 bit.

PBKDF2 bảo vệ mẫu của bạn như thế nào

Ý tưởng cốt lõi đằng sau PBKDF2 là việc làm có chủ ý. Nó lấy mẫu tuần tự hoặc cụm từ chuẩn hóa và chạy hàng trăm nghìn HMAC-SHA512 lần lặp lại. Người dùng hợp pháp sẽ thanh toán chi phí đó một lần trong nỗ lực mở khóa hoặc khôi phục. Kẻ tấn công trả tiền cho mọi ứng viên, mặc dù các lựa chọn triển khai và phần cứng song song sẽ xác định tỷ lệ đoán thực sự.

Cấu hình Vaultaire PBKDF2 với 600.000 lần lặp cho các khóa có nguồn gốc từ mẫu. Điều đó làm cho mỗi lần đoán tốn kém hơn, nhưng ước tính tấn công có trách nhiệm phải nêu rõ các giả định về phần cứng và thời gian được đo lường cho mỗi ứng viên. Với chính xác 1 ms cho mỗi ứng viên, 1.000.000.000 lần đoán nối tiếp mất khoảng 11,6 ngày chứ không phải năm. Kết quả 256 bit không mở rộng entropy của mẫu có thể dự đoán được.

Đạo hàm mẫu cục bộ sử dụng một muối ngẫu nhiên bằng mật mã cho thiết bị, được lưu trữ dưới dạng WhenUnlockedThisDeviceOnly Keychain mục. Muối không phải là bí mật và được chia sẻ bởi các kho tiền trên thiết bị đó. Nó ngăn không cho bảng được xây dựng cho một thiết bị áp dụng trực tiếp vào thiết bị khác có loại muối khác, nhưng nó không buộc kẻ tấn công phải bắt đầu lại cho mọi kho tiền trên cùng một thiết bị.

AES-256-GCM: Bảo vệ siêu dữ liệu

Mã hóa nội dung tệp là chưa đủ. Tên tệp, ngày tạo, kích thước hình thu nhỏ và cấu trúc vault đều là siêu dữ liệu, và siêu dữ liệu có thể hiển thị giống như chính dữ liệu đó. Tệp có tên “tax-return-2025.pdf” cho kẻ tấn công biết chính xác những gì bên trong ngay cả khi nội dung được mã hóa. Dấu thời gian hiển thị khi bạn sử dụng vault. Kích thước hình thu nhỏ cho biết nội dung nào đó là ảnh hay video.

Vaultaire bảo vệ siêu dữ liệu này bằng AES-256-GCM, không phải ChaCha20. Tên tập tin và MIME các loại được mã hóa thành các tiêu đề tệp được mã hóa. Chỉ mục vault được mã hóa chứa các bản ghi tệp, ngày tháng, thông tin kích thước, bố cục lưu trữ và khóa chính được bao bọc. Dữ liệu hình thu nhỏ cũng được mã hóa theo khóa chính ngẫu nhiên.

Tại sao phải mã hóa xác thực cho siêu dữ liệu?

Siêu dữ liệu cần tính toàn vẹn cũng như tính bảo mật. AES-GCM tạo thẻ xác thực cho từng giá trị được mã hóa, do đó Vaultaire có thể từ chối tiêu đề, chỉ mục, hình thu nhỏ hoặc phong bì đã sửa đổi thay vì chấp nhận văn bản gốc do kẻ tấn công kiểm soát. Thiết kế có chủ ý sử dụng một cấu trúc mã hóa xác thực trên các định dạng lưu trữ này thay vì yêu cầu tính đa dạng về mật mã mà việc triển khai không cung cấp.

Mật mã giống nhau không có nghĩa là cùng một khóa hoặc nonce được sử dụng lại một cách mù quáng. Khóa vault bảo vệ chỉ mục và bao bọc khóa chính ngẫu nhiên; khóa chính bảo vệ tài liệu tập tin. CryptoKit tạo ra các hộp kín đã được xác thực với các số mới, trong khi định dạng phát trực tuyến của Vaultaire tạo ra một số mới riêng biệt cho từng đoạn được sắp xếp. Các đảm bảo có liên quan đến từ việc phân tách khóa, kỷ luật nonce và xác thực, không phải từ mật mã siêu dữ liệu thứ hai.

Mã hóa

Đây là câu hỏi đáng đặt ra về bất kỳ ứng dụng bảo mật nào: điều gì sẽ xảy ra nếu công ty đứng sau ứng dụng đó bị hack, bị triệu tập hoặc đơn giản là trở nên độc hại?

Với hầu hết các ứng dụng, câu trả lời là không thoải mái. Chúng chứa dữ liệu, chìa khóa của bạn hoặc cả hai. Lệnh của tòa án buộc họ phải giao nó. Một vi phạm dữ liệu cho thấy nó. Một nhân viên lừa đảo truy cập nó. Bảo mật của ứng dụng’ chỉ mạnh bằng bảo mật hoạt động ’ của công ty, và lịch sử cho thấy các công ty thường xuyên bị vi phạm.

Vaultaire không vận hành tài khoản hoặc dịch vụ lưu trữ nhận mẫu, cụm từ bí mật, khóa giải mã hoặc nội dung vault có thể đọc được của bạn. Quá trình mã hóa và giải mã diễn ra trong quá trình xử lý ứng dụng trên thiết bị của bạn. Khi nào iCloud sao lưu được bật, ứng dụng sẽ gửi văn bản mã hóa đã được xác thực tới thông tin cá nhân của bạn CloudKit cơ sở dữ liệu thay vì dịch vụ vault do Vaultaire kiểm soát.

Ý nghĩa của việc không có kiến thức trong thực tế

Nếu cơ quan thực thi pháp luật gửi cho Vaultaire trát đòi hầu tòa yêu cầu văn bản gốc của vault thì công ty đó không giữ mẫu, cụm từ khôi phục, khóa vault, khóa dự phòng hoặc khóa chính cần thiết để giải mã nó. Đã mã hóa iCloud hồ sơ trực tiếp trong người dùng CloudKit cơ sở dữ liệu riêng. Tuy nhiên, trên thiết bị, tài liệu khôi phục được lưu giữ ở dạng được mã hóa Keychain cơ sở dữ liệu và các khóa đối xứng tồn tại trong bộ nhớ ứng dụng trong khi CryptoKit mã hóa hoặc giải mã một kho tiền mở.

Ranh giới của nhà cung cấp này là một đặc tính kiến trúc, không phải là lời hứa rằng mọi phần của môi trường khách hàng đều nằm ngoài mô hình tin cậy. Vaultaire không giữ khóa giải mã phía máy chủ mà nó có thể đầu hàng để phục hồi vault định kỳ. Ứng dụng được vận chuyển, iOS, thiết bị đã mở khóa và việc triển khai mật mã vẫn có thể xử lý dữ liệu có thể đọc được và phải có độ tin cậy tương ứng.

Keychain và ranh giới quy trình ứng dụng

của Apple Secure Enclave có thể bảo vệ các khóa riêng được hỗ trợ và tham gia vào các phần của kiến trúc bảo mật nền tảng, nhưng các API công khai của nó không chấp nhận tùy ý PBKDF2-khóa đối xứng được dẫn xuất và thực hiện Vaultaire's AES-GCM hoạt động tập tin bên trong bộ đồng xử lý. Do đó, Vaultaire không mô tả mật mã vault của nó như Secure Enclave AES.

Vaultaire sử dụng thông thường iOS Keychain các mục mật khẩu chung cho muối thiết bị ngẫu nhiên, cơ sở dữ liệu khôi phục được mã hóa và khóa ngẫu nhiên bảo vệ cơ sở dữ liệu đó. Các mục này sử dụng lớp trợ năng WhenUnlockedThisDeviceOnly. Keychain và Bảo vệ dữ liệu tạo ra một ranh giới thiết bị có ý nghĩa, đặc biệt là khi điện thoại bị khóa, nhưng kiến trúc này khác với kiến trúc không thể xuất được Secure Enclave chìa khóa.

Khi bạn vẽ mẫu, CommonCrypto lấy được khóa vault trong quá trình ứng dụng. CryptoKit và CryptoEngine của Vaultaire sau đó sử dụng các byte khóa đối xứng trong quy trình đó để xác thực và giải mã chỉ mục, mở khóa chính và xử lý tệp. Ứng dụng sẽ xóa trạng thái hoạt động khi khóa, nhưng kẻ tấn công có đủ đặc quyền quan sát phiên đã mở khóa sẽ có cơ hội khác với người kiểm tra chỉ giữ văn bản mật mã của thiết bị bị khóa.

Hệ điều hành đã bẻ khóa hoặc bị xâm phạm có thể nhắm mục tiêu đầu vào mẫu, bộ nhớ ứng dụng, bản xem trước được giải mã, xuất hoặc màn hình. Vaultaire khuyến nghị một phiên bản hiện tại, chưa jailbreak iPhone bởi vì thiết kế dựa vào iOS cách ly quá trình, Keychainvà Bảo vệ dữ liệu. Nó không khẳng định rằng việc xâm phạm quyền root sẽ khiến các khóa đối xứng của kho tiền mở không thể truy cập được.

Các vectơ khởi tạo: cho mỗi tệp

Khi bạn mã hóa hai tệp giống hệt nhau bằng cùng một khóa, việc triển khai đơn giản sẽ tạo ra văn bản mã hóa giống hệt nhau. Đây là một vấn đề. Kẻ tấn công nhìn thấy hai đốm màu được mã hóa giống hệt nhau sẽ biết, mà không cần giải mã bất cứ điều gì, rằng hai tệp gốc giống nhau. Trong một kho chứa đầy ảnh, kiểu phân tích mẫu này có thể tiết lộ thông tin ngay cả khi thông qua mã hóa.

Vaultaire ngăn chặn văn bản mật mã xác định bằng cách tạo ra một mật mã mới cho mỗi AES-256-GCM hoạt động niêm phong. Tiêu đề tệp và nội dung tệp được niêm phong riêng biệt và các tệp lớn sử dụng định dạng phát trực tuyến đã được xác thực với số không cơ sở ngẫu nhiên và số không riêng biệt cho từng đoạn được sắp xếp. Do đó, hai bản sao của cùng một bức ảnh không tạo ra biểu diễn được mã hóa giống nhau.

Các nonces được lưu trữ cùng với bản mã và không bí mật; yêu cầu bảo mật của họ là tính duy nhất theo một khóa nhất định. Vaultaire yêu cầu nonce 96-bit từ trình tạo ngẫu nhiên mật mã của Apple để mã hóa một lần và ghi lại nonce cơ sở trong tiêu đề phát trực tuyến. Rủi ro xung đột bị chi phối bởi số lượng mã hóa trong một khóa, do đó việc triển khai sẽ tạo ra một giá trị mới thay vì hiển thị kích thước 96 bit dưới dạng một trong 2 cố định⁹⁶ bảo hành trọn đời.

Quản lý bộ nhớ: Xóa trạng thái khóa hoạt động

Một lỗi phổ biến trong phần mềm bảo mật là để lại dữ liệu nhạy cảm trong bộ nhớ sau khi không còn cần thiết nữa. Khóa mã hóa, mật khẩu phái sinh và dữ liệu được giải mã có thể tồn tại trong RAM rất lâu sau khi ứng dụng sử dụng xong chúng. Các công cụ pháp y có thể kết xuất bộ nhớ thiết bị và tìm kiếm những phần còn sót lại, một kỹ thuật được gọi là tấn công khởi động nguội hoặc phân tích kết xuất bộ nhớ.

Vaultaire giới hạn thời gian duy trì trạng thái khóa hoạt động và dữ liệu giao diện người dùng đã giải mã. Khi ứng dụng bị khóa hoặc phiên bị hủy, mã của nó sẽ tuân theo một số đường dẫn dọn dẹp:

• Trạng thái vault hoạt động bị loại bỏ. Ứng dụng xóa phiên khóa vault hiện tại và yêu cầu một lần mở khóa khác trước khi trình bày nội dung vault.
• Trình bao bọc chính xóa bộ đệm thuộc sở hữu. Bộ chứa byte bảo mật của Vaultaire ghi đè lên bộ đệm mà chúng sở hữu khi những bộ chứa đó bị hủy phân bổ.
• Trạng thái khóa chính được lưu trong bộ nhớ đệm không hợp lệ. Khóa chính được giải mã được giữ cho chỉ mục mở sẽ bị loại bỏ trên các đường dẫn khóa và đặt lại bộ đệm có liên quan.
• Bộ nhớ đệm giao diện người dùng đã giải mã sẽ bị xóa ở những nơi được Vaultaire kiểm soát. Dọn dẹp hình thu nhỏ và bản xem trước giúp giảm trạng thái ứng dụng còn sót lại mà không yêu cầu quyền kiểm soát mọi bản sao do Swift tạo, iOS, hoặc một quá trình khác.

Lần tiếp theo Vaultaire mở ở trạng thái khóa, bạn vẽ mẫu và ứng dụng sẽ lấy lại khóa vault trước khi ứng dụng có thể xác thực chỉ mục và mở khóa chính. Đây là việc dọn dẹp phiên chứ không phải khẳng định rằng mọi bản sao bộ nhớ tạm thời đều nhận được một lần xóa nhiều lượt có thể chứng minh được hoặc rằng một Secure Enclave tham chiếu chính đã bị phá hủy. Một vụ va chạm gây ra iOS để lấy lại quy trình, nhưng mã dọn dẹp không thể chạy sau mỗi lần chấm dứt đột ngột.