Off-the-Record Messaging

Off-the-Record Messaging (OTR) — криптографический протокол для систем мгновенного обмена сообщениями, созданный в 2004 году Никитой Борисовым и Ианом Голдбергом (англ. Ian Goldberg).

Авторами создана библиотека, распространяемая под лицензией GNU Lesser GPL, используемая для поддержки OTR-клиентами систем мгновенного обмена сообщениям. Также на основе этой библиотеки авторами создан плагин для Pidgin.

Фонд EFF рекомендует использовать OTR для защиты от прослушивания^[1].

История

Первая версия протокола OTR и его реализация были представлены в 2004 году Никитой Борисовым и Ианом Голдбергом^[2][3]. В 2005 году была опубликована атака на первую версию протокола OTR и предложен исправленный протокол аутентификации^[4]. В том же году разработчики OTR представили вторую версию протокола с исправлением протокола аутентификации, также дополнительно улучшив его^[5].

В 2007 году Оливер Гоффарт (англ. Olivier Goffart) опубликовал модуль mod_otr^[6] для сервера ejabberd, позволяющий автоматически проводить атаку типа «человек посередине» на пользователей OTR, не проверяющих отпечатки открытых ключей друг друга. После этого разработчики улучшили OTR с использованием решения задачи «социалиста-миллионера» (англ. Socialist Millionaire), позволяющего двум пользователям провести аутентификацию без обмена ключами или их отпечатками при условии, что они знают общий секрет^[7].

Аутентификация с использованием вопроса и секретного ответа в Pidgin

Основные свойства протокола

Протокол OTR разрабатывался для того, чтобы обеспечить приватность переговоров, аналогичную переговорам без использования средств телекоммуникаций^{[8] [9]}. Для этого к разрабатываемому протоколу были предъявлены следующие требования:

• шифрование сообщений — никто иной не сможет прочитать сообщения;
• аутентификация собеседников — уверенность в том, кто является собеседником;
• perfect forward secrecy — если потеряны секретные ключи, прошлая переписка не будет скомпрометирована;
• возможность отречения — третье лицо не сможет доказать, что сообщения написаны кем-либо другому адресату.

Частично эти свойства реализованы в таких системах, как PGP и Trillian SecureIM. OTR отличается тем, что реализует все эти свойства в одном протоколе^[10].

Согласование ключей

Для передачи сообщений с использованием OTR участники протокола должны установить общий секретный ключ. Для этого используется протокол аутентифицированного распределения ключей (англ. Authenticated Key Exchange), основанный на протоколе Диффи — Хеллмана^[11].

В начале протокола участники используют протокол Диффи — Хеллмана для установки секретного ключа, необходимого для передачи первого сообщения. Участники A и B выбирают простое число ${\displaystyle p}$ и генератор ${\displaystyle g}$ группы ${\displaystyle \mathbb {Z} _{p}^{*}}$. A выбирает случайное число ${\displaystyle a_{1}}$ и отправляет B результат вычисления ${\displaystyle g^{a_{1}}{\bmod {p}}}$. B выбирает случайное число ${\displaystyle b_{1}}$ и отправляет A результат вычисления ${\displaystyle g^{b_{1}}{\bmod {p}}}$. Затем участники используют общий эфемерный ключ ${\displaystyle k_{11}=H(g^{a_{1}b_{1}})}$, где ${\displaystyle H}$ — криптографическая хеш-функция SHA-1^[12].

Обновление ключей

Для обеспечения perfect forward secrecy пользователи постоянно обновляют ключ во время обмена сообщениями^[13][14]. При передаче первого сообщения одна из сторон (например, сторона A) шифрует сообщение с помощью функции шифрования ${\displaystyle E}$ с ключом ${\displaystyle k_{11}}$, выбирает случайное число ${\displaystyle a_{2}}$ и передает B пару значений ${\displaystyle g^{a_{2}},E_{k_{11}}(M)}$. Для шифрования следующего сообщения используется ключ ${\displaystyle k_{21}=H(g^{a_{2}b_{1}})}$. В дальнейшем при передаче каждого сообщения A изменяет число ${\displaystyle a_{i}}$, а B изменяет число ${\displaystyle b_{j}}$, и ключ ${\displaystyle k_{ij}}$ обновляется.

На практике сообщения доходят не мгновенно, поэтому после отправки сообщения от A к B и обновления ключа на стороне A, A все ещё может получить сообщение от B, зашифрованное старым ключом^[15]. Участник A может быть уверен в том, что B обновил ключ, только тогда, когда получит от B сообщение, зашифрованное новым ключом. Поэтому A хранит достаточное количество старых ключей, чтобы иметь возможность расшифровать все сообщения, которые ещё не дошли. Для того, чтобы ключи все же обновлялись достаточно часто, сторона, у которой нет сообщений для отправки, время от времени передает пустые сообщения^[16].

Авторы статьи «Secure Off-the-Record Messaging» критиковали используемую в OTR схему обновления ключей как не предоставляющую дополнительной безопасности^[17]. Так, в случае компрометации все ещё используемого эфемерного ключа ${\displaystyle k_{ij}}$, сторона, осуществляющая атаку «человек посередине», сможет модифицировать все последующие сообщения и используемые эфемерные ключи^[18]. Также использование протокола Диффи — Хеллмана может требовать значительных (например, для устройств, питающихся от батареи) ресурсов^[19]. Вместо этого было предложено использовать ту же схему, что и для ключа ${\displaystyle k_{11}}$, либо требующую меньше вычислительных ресурсов схему, основанную на хешировании^[20].

Аутентификация ключей

Аутентификация всех эфемерных ключей, за исключением ${\displaystyle k_{11}}$, осуществляется вместе с аутентификацией сообщений и описана далее^[21]. Для аутентификации ключа ${\displaystyle k_{11}}$ используются долговременные ключи. В первой версии OTR использовалась небезопасная схема аутентификации, которая была впоследствии изменена^[22].

Оригинальная версия протокола

В первой версии протокола OTR для аутентификации начального ключа ${\displaystyle k_{11}}$ стороны подписывают соответствующие сообщения протокола Диффи — Хеллмана^[23]. Также в этих сообщениях стороны передают свои долговременные открытые ключи.

${\displaystyle A\longrightarrow B\colon S_{A}(g^{a_{1}}),P_{A}}$ ${\displaystyle B\longrightarrow A\colon S_{B}(g^{b_{1}}),P_{B}}$

Здесь ${\displaystyle S_{A}}$ и ${\displaystyle S_{B}}$ — цифровая подпись, ${\displaystyle P_{A}}$ и ${\displaystyle P_{B}}$ — открытые ключи сторон A и B соответственно.

Данная версия протокола содержит известную уязвимость^[24][25]. Сторона E, проводящая атаку «человек посередине», может выполнить аутентификацию одновременно со сторонами A и B, при этом выдав себя одной из сторон (например, B) за другую сторону (например, A), как показано далее.

${\displaystyle A\longrightarrow E\colon S_{A}(g^{a_{1}}),P_{A}}$ ${\displaystyle E\longrightarrow B\colon S_{E}(g^{a_{1}}),P_{E}}$ ${\displaystyle B\longrightarrow E\colon S_{B}(g^{b_{1}}),P_{B}}$ ${\displaystyle E\longrightarrow A\colon S_{B}(g^{b_{1}}),P_{B}}$

После этого E не может читать сообщения, так как они зашифрованы известным только A и B ключом, но B считает, что он разговаривает с E, хотя на самом деле разговаривает с A^[26].

Более безопасные протоколы, такие как SKEME, рассматривались при реализации первой версии протокола OTR, но вместо этого был реализован собственный протокол, описанный выше^[27].

Вторая версия протокола

Авторы статьи Secure Off-the-Record Messaging предложили изменить протокол согласования и аутентификации ключей на один из уже известных протоколов, таких как SIGMA, SKEME и HMQV^[28]. Также в этих сообщениях стороны передают свои долговременные открытые ключи.

Вариант протокола SIGMA, называемый SIGMA-R, работает следующим образом^[29]:

${\displaystyle A\longrightarrow B\colon g^{a}}$ ${\displaystyle B\longrightarrow A\colon g^{b}}$ ${\displaystyle A\longrightarrow B\colon {\text{A}},S_{A}(g^{b},g^{a}),MAC_{H(g^{ab})}(0,{\text{A}}),P_{A}}$ ${\displaystyle B\longrightarrow A\colon {\text{B}},S_{B}(g^{a},g^{b}),MAC_{H(g^{ab})}(1,{\text{B}}),P_{B}}$

Здесь A и B — идентификаторы, ${\displaystyle S_{A}}$ и ${\displaystyle S_{B}}$ — цифровые подписи, ${\displaystyle P_{A}}$ и ${\displaystyle P_{B}}$ — открытые ключи сторон A и B соответственно, а ${\displaystyle H}$ — криптографическая хеш-функция.

Авторы OTR использовали модификацию протокола SIGMA во второй версии OTR^[30]. По сравнению с предложенным протоколом SIGMA, разработчики OTR защитили открытые ключи от пассивной атаки (прослушивания). Для этого открытые ключи передаются по защищенному каналу, установленному с помощью протокола Диффи — Хеллмана^[31]. Также используемая в OTR модификация протокола SIGMA усложнена из-за ограничений на размер сообщения в некоторых протоколах (например, IRC)^[32] Полное техническое описание используемого в OTR варианта SIGMA приведено в статье^[33] и спецификациях OTRv2^[34] и OTRv3^[35].

Аутентификация сообщений

В отличие от таких систем как PGP, OTR не использует цифровые подписи для аутентификации сообщений, так как они не предоставляют возможности отрицаемой аутентификации^[36]. Вместо этого используется HMAC^[37].

Для аутентификации сообщений используется ключ K, полученный хешированием ключа, используемого для шифрования сообщения^[38].

Когда сторона A передает сообщение M другой стороне B, вместе с сообщением она передает вычисленное с помощью общего ключа значение HMAC(M, K)^[39]. Сторона B, получив сообщение, может также вычислить HMAC(M, K). Если оно совпадает с полученным значением, то сторона B знает, что сообщение было передано либо стороной A, либо стороной B, но так как сторона B знает, что она сообщение не посылала, то она может быть уверена, что сообщение действительно было отправлено стороной A. В то же время использование HMAC обеспечивает отрицаемость: даже раскрыв ключ K, B не может доказать третьей стороне, что сообщение было отправлено стороной A. Сообщение также могло быть подделано стороной B и любой стороной, которая знает ключ K.

Раскрытие ключей аутентификации

Ключи, используемые для шифрования, постоянно обновляются, как описано выше. Так как ключи, используемые для аутентификации, получаются хешированием ключей, используемых для шифрования, они также обновляются.

Старые ключи, которые больше не будут использованы, могут быть уничтожены. Но ключи аутентификации также могут быть не только уничножены, но и раскрыты. Авторы OTR добавили раскрытие старых ключей: вместе с сообщением пересылается старый ключ аутентификации, если известно, что он больше не будет использован^[40]. Такое решение объясняется требованиями отрицаемости протокола OTR^[41][42].

В работе Secure Off-the-Record Messaging указывается, что раскрытие ключей аутентификации излишне усложняет протокол и может негативно быть небезопасно, как нестандартный для криптографии метод^[43]. Автор основанного на OTR протокола TextSecure, известный под псевдонимом Moxie Marlinspike^[англ.] также указывает на излишнюю сложность и неэффективность раскрытия ключей аутентификации для обеспечения отрицаемости^[44].

Шифрование сообщений

Для шифрования сообщений используется алгоритм AES в режиме счётчика^[45]. Использование построенного таким образом поточного шифра обеспечивает спорное шифрование (англ. malleable encryption). Это значит, что любой, кто перехватит сообщение, сможет выборочно изменить любые биты в сообщении. В частности, если сообщение стало известно, его можно изменить на любое другое сообщение такой же длины^[46].

Спорное шифрование требуется для обеспечения отрицаемости шифрования^[47]. Благодаря спорному шифрованию участники протокола OTR могут утверждать, что любое из переданных сообщений было изменено третьей стороной.

Многопользовательский OTR

Протокол OTR разработан для использования только двумя сторонами. Таким образом, его невозможно использовать в каналах IRC, конференциях XMPP и т. д.

OTR невозможно просто расширить для случая нескольких собеседников из-за используемых криптографических примитивов. Например, коды аутентификации сообщений не предоставляют аутентификации источника сообщений в многопользовательском случае^[48].

Существуют расширения протокола, предоставляющие возможность использования протокола несколькими пользователями^[49][50][51].

Одно из расширений протокола OTR, называемое GOTR (Group OTR), основано на идее создания «виртуального сервера»^[52]. Один из участников назначается «виртуальным сервером», обменивается ключами с другими участниками и в дальнейшем все сообщения между участниками конференции пересылаются через него. Недостатком протокола GOTR является то, что «виртуальный сервер» может изменять содержание сообщений, добавлять и удалять сообщения, поэтому все участники конференции должны доверять ему^[53].

Позже Иан Голдберг с другими авторами предложили протокол mpOTR^[51]. В отличие от протокола GOTR, протокол mpOTR работает без выделенного центрального сервера^[54].

Реализации OTR

libotr
Тип	Библиотека
Авторы	Ian Goldberg[вд] и Nikita Borisov[вд]
Разработчик	OTR Development Team
Написана на	C
Аппаратная платформа	кроссплатформенная
Последняя версия	4.1.1 (9 марта 2016)
Состояние	Актуальный
Лицензия	GNU Lesser General Public License версии 2[55]
Сайт	otr.cypherpunks.ca/index…

Основной реализацией OTR является библиотека libotr, созданная командой разработчиков OTR. На её основе теми же разработчиками создан плагин для клиента Pidgin, позволяющий использовать OTR с любым из протоколов, поддерживаемых этим клиентом. Также существуют реализации протокола на языках Go, Java, JavaScript, Python, Scheme^[56].

Поддержка в мессенджерах

Встроенная поддержка

Следующие клиенты имеют встроенную поддержку протокола OTR^[57].

• Adium
• BitlBee^[58]
• climm
• ChatSecure
• Conversations Legacy
• IM+
• Jitsi
• Xabber
• Psi и Psi+ (плагин)^[59][60]
• LeechCraft^[61][62]
• MCabber^[63]
• Profanity^[64]
• Gajim^[65][66]

С использованием плагина

• irssi^[67]
• Miranda IM^[68]
• Pidgin
• Vacuum-IM (плагин)^[69]
• Kopete
• Tkabber (плагин)^[70]

Прокси

Для клиентов, поддерживающих протокол AIM/ICQ, командой разработчиков OTR был разработан пакет otrproxy, представляющий собой локальный прокси-сервер^[71]. Он позволял использовать OTR в клиентах, не имеющих собственной поддержки OTR. В настоящее время данный пакет не поддерживается, разработчики рекомендуют использовать клиенты с поддержкой OTR.