added kind of a short justification for version B cipher; more to come.
[ach-master.git] / src / cipher_suites.tex
1 \section{Cipher suites}
2
3 Cipher suites are a combination of algorithms to provide for 
4 Confidentiality, Integrity and Authenticity
5 \footnote{url{http://en.wikipedia.org/wiki/Information\_security}} of 
6 communication. For example: sending encrypted data over the wire does not 
7 ensure that the data can not be modified (message integrity), similarly
8 encrypted data can be sent from an advesary. It is therefore paramount to
9 proof that data has been sent from the desired source (message authenticity).
10 This concept is known as authenticated encryption
11 \footnote{url{http://en.wikipedia.org/wiki/Authenticated\_encryption}}
12 \footnote{url{http://www.cs.jhu.edu/~astubble/dss/ae.pdf}}.
13
14 \subsection{Forward Secrecy}
15 Forward Secrecy or Perfect Forward Secrecy is a property of a cipher suite 
16 that ensures confidentiality even if the server key has been compromised.
17 Thus if traffic has been recorded it can not be decrypted even if an advesary
18 has got hold of the decryption key
19 \footnote{url{http://en.wikipedia.org/wiki/Forward\_secrecy}}
20 \footnote{urk{https://www.eff.org/deeplinks/2013/08/pushing-perfect-forward-secrecy-important-web-privacy-protection}}. 
21
22 \subsection{Recommended cipher suites}
23
24 In principle, system administrators who want to improve their servers need to
25 make a hard decision between locking out some users while keeping very high
26 cipher suite security levels or supporting as many users as possible while
27 lowering some settings. \url{https://www.ssllabs.com/} gives administrators a
28 tool to test out different settings. The authors used ssllabs.com to arrive at
29 a set of cipher suites which we will recommend throught this document.
30 \textbf{Caution: these settings can only represent a subjective choice of the
31 authors at the time of this writing. It might be a wise choice to select your
32 own ciper suites based on the instructions in section
33 \ref{section:ChosingYourOwnCipherSuites}}.
34
35
36 \subsubsection{Configuration A: strong ciphers, fewer clients}
37
38 At the time of this writing, we recommend the following set of strong cipher
39 suites which may be useful in an environment where you do not depend on many,
40 diverse external clients and where compatibility is not an issue.  An example
41 of such an environment might be machine 2 machine communications or corporate
42 environments where you can define the software which must be used.
43
44
45 We arrived at this set of cipher suites by selecting
46
47 \begin{itemize}
48 \item TLS 1.2
49 \item Perfect forward secrecy / ephemeral Diffie Hellman
50 \item strong Hashes (SHA-2)
51 \item GCM as chaining mode if possible 
52 \end{itemize}
53
54 This results in the string:
55
56 \begin{lstlisting}[breaklines]
57 'EECDH+aRSA+AES256:EDH+aRSA+AES256:!SSLv3'
58 \end{lstlisting}
59
60 %$\implies$ resolves to 
61 %
62 %\begin{verbatim}
63 %openssl ciphers -V $string
64 %\end{verbatim}
65
66
67
68 \begin{center}
69 \begin{tabular}{| l | l | l | l | l| l | l |}
70 \hline
71 ID        & OpenSSL name                & Version & KeyEx & Auth & Cipher & Hash \\ \hline
72 0xC030 & ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384 & TLSv1.2 & ECDH  &  RSA &AESGCM(256)  & AEAD   \\ \hline
73 0xC028 & ECDHE-RSA-AES256-SHA384     & TLSv1.2 & ECDH  &  RSA &AES(256)     & SHA384 \\ \hline
74 0x009F & DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384   & TLSv1.2 & DH    &  RSA &AESGCM(256)  & AEAD   \\ \hline
75 0x006B & DHE-RSA-AES256-SHA256       & TLSv1.2 & DH    &  RSA &AES(256)     & SHA256 \\ \hline
76 \end{tabular}
77 \end{center}
78
79
80 \textbf{Compatibility}
81
82 Only clients which support TLS1.2 are covered by this cipher suites (Chrome 30,
83 Win 7 and Win 8.1 crypto stack, Opera 17, OpenSSL $\ge$ 1.0.1e, Safari 6 / iOS
84 6.0.1, Safari 7 / OS X 10.9).
85
86
87
88 \subsubsection{Configuration B: weaker ciphers, many clients}
89
90 In this section we propose a slighly "weaker" set of cipher suites. There are
91 some known weaknesses of for example SHA-1 which is included in this this set.
92 However, the advantage of this set of cipher suites is its wider compatibility
93 with clients. 
94
95
96 \textbf{In the following document, all further examples in this paper will use Configuration B}.
97
98
99 We arrived at this set of cipher suites by selecting
100
101 \begin{itemize}
102 \item TLS 1.2, TLS 1.1, TLS 1.0
103 \item allowing SHA-1
104 \end{itemize}
105
106 This results in the string:
107
108 \begin{lstlisting}[breaklines]
109 'EECDH+aRSA+AESGCM:EECDH+aRSA+SHA384:EECDH+aRSA+SHA256:EDH+CAMELLIA256:EECDH:EDH+aRSA:+SSLv3:!aNULL:!eNULL:!LOW:!3DES:!MD5:!EXP:!PSK:!SRP:!DSS:!RC4:!SEED:!AES128:!CAMELLIA128:!ECDSA:AES256-SHA'
110 \end{lstlisting}
111
112
113
114 \begin{center}
115 \begin{tabular}{| l | l | l | l | l| l | l |}
116 \hline
117 ID        & OpenSSL name                            & Version & KeyEx & Auth & Cipher & Hash \\ \hline
118 0xC030 & ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384 & TLSv1.2 & ECDH  &  RSA &AESGCM(256)  & AEAD   \\ \hline
119 0xC028 & ECDHE-RSA-AES256-SHA384     & TLSv1.2 & ECDH  &  RSA &AES(256)     & SHA384 \\ \hline
120 0x009F & DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384   & TLSv1.2 & DH    &  RSA &AESGCM(256)  & AEAD   \\ \hline
121 0x006B & DHE-RSA-AES256-SHA256       & TLSv1.2 & DH    &  RSA &AES(256)     & SHA256 \\ \hline
122 0x0088 & DHE-RSA-CAMELLIA256-SHA     & SSLv3   & DH    &  RSA &Camellia(256)& SHA1   \\ \hline
123 0xC014 & ECDHE-RSA-AES256-SHA        & SSLv3   & ECDH  &  RSA &AES(256)     & SHA1   \\ \hline
124 0x0039 & DHE-RSA-AES256-SHA          & SSLv3   & DH    &  RSA &AES(256)     & SHA1   \\ \hline
125 0x0035 & AES256-SHA                  & SSLv3   & RSA   &  RSA &AES(256)     & SHA1   \\ \hline
126
127 \end{tabular}
128 \end{center}
129
130 \textbf{Compatibility}
131
132 Note that this cipher suites will not work with anything using Windows XP's
133 crypto stack (IE, Outlook), Java 6, Java 7 and Android 2.3. Java 7 could be
134 made compatible by installing the "Java Cryptography Extension (JCE) Unlimited
135 Strength Jurisdiction Policy Files" (JCE). We could not verify yet if
136 installing JCE also fixes the Java 7 DH-parameter length limitation (1024 bit). 
137
138 \textbf{Explanation}
139
140 For detailed explanation of the cipher suites chosen, please see
141 \ref{section:ChosingYourOwnCipherSuites}. In short, finding the perfect cipher
142 string is impossible and can almost always only be a tradeoff. On the one hand
143 there are mandatory and optional ciphers defined in a few RFCs on the other hand
144 there are clients and servers only implementing subsets of the specification.
145
146 Straight forward, we wanted strong ciphers, forward secrecy
147 \footnote{url{http://nmav.gnutls.org/2011/12/price-to-pay-for-perfect-forward.html}}
148 and the most clients we could get while still having a cipher string that can be
149 used on older servers too (think OpenSSL 0.9.8). This cipher string is meant to be used
150 by copy and paste and needs to just work.
151
152 \begin{itemize}
153 \item TLS1.2 is preferred over TLSv1.0/SSLv3 (while still providing a useable cipher
154       string for SSLv3).
155 \item AES256 and CAMELLIA256 count as strong ciphers at the moment; preferrably in
156       GCM mode.\\
157       \todo{Adi: add 128bit ciphers too} \\
158       \todo{Team: discuss ordering of keys (256 -> 128 or vice versa?)}
159 \item DHE or ECDHE for forward secrecy
160 \item RSA as this will fit most of todays setup
161 \item AES256-SHA as a last ressort (with this cipher at the end, even systems with
162       very old versions of openssl like 0.9.8 will just work. Just forward secrecy
163       will not be used. On systems that do not support elliptic curves, that cipher
164       offers support for the Microsoft crypto libraries that only support ECDHE.
165 \end{itemize}
166 \todo{Adi: review "justification" when next section is written}
167
168
169
170
171 \subsection{Chosing your own cipher suites}
172 \label{section:ChosingYourOwnCipherSuites}
173 \todo{ Adi...  you want to describe how to make your own selection of cipher suites here. The text below was simply the old text, still left here for reference.}
174
175 %%% NOTE: we do not need to list this all here, can move to an appendix
176 %At the time of this writing, SSL is defined in RFCs:   
177 %
178 %\begin{itemize}
179 %\item RFC2246 - TLS1.0         
180 %\item RFC3268 - AES            
181 %\item RFC4132 - Camelia                
182 %\item RFC4162 - SEED           
183 %\item RFC4279 - PSK            
184 %\item RFC4346 - TLS 1.1                
185 %\item RFC4492 - ECC            
186 %\item RFC4785 - PSK\_NULL              
187 %\item RFC5246 - TLS 1.2                
188 %\item RFC5288 - AES\_GCM               
189 %\item RFC5289 - AES\_GCM\_SHA2\_ECC            
190 %\item RFC5430 - Suite B                
191 %\item RFC5487 - GCM\_PSK               
192 %\item RFC5489 - ECDHE\_PSK             
193 %\item RFC5932 - Camelia                
194 %\item RFC6101 - SSL 3.0                
195 %\item RFC6209 - ARIA           
196 %\item RFC6367 - Camelia                
197 %\item RFC6655 - AES\_CCM               
198 %\item RFC7027 - Brainpool Curves               
199 %\end{itemize}
200
201 \subsubsection{Overview of SSL Server settings}
202
203
204 Most Server software (Webservers, Mail servers, etc.) can be configured to prefer certain cipher suites over others. 
205 We followed the recommendations by Ivan Ristic's SSL/TLS Deployment Best Practices\footnote{\url{https://www.ssllabs.com/projects/best-practices/index.html}} document (see section 2.2 "Use Secure Protocols") and arrived at a list of recommended cipher suites for SSL enabled servers.
206
207 Following Ivan Ristic's adivce we arrived at a categorisation of cipher suites.
208
209 \begin{center}
210 \begin{tabular}{| l | l | l | l | l|}
211 \hline
212 & Version   & Key\_Exchange  & Cipher    & MAC       \\ \hline
213 \cellcolor{green}prefer  & TLS 1.2   & DHE\_DSS   & AES\_256\_GCM   & SHA384        \\ \hline
214     &   & DHE\_RSA   & AES\_256\_CCM   & SHA256        \\ \hline
215     &   & ECDHE\_ECDSA   & AES\_256\_CBC   &       \\ \hline
216     &   & ECDHE\_RSA &   &       \\ \hline
217     &   &   &   &       \\ \hline
218 \cellcolor{orange}consider    & TLS 1.1   & DH\_DSS    & AES\_128\_GCM   & SHA       \\ \hline
219     & TLS 1.0   & DH\_RSA    & AES\_128\_CCM   &       \\ \hline
220     &   & ECDH\_ECDSA    & AES\_128\_CBC   &       \\ \hline
221     &   & ECDH\_RSA  & CAMELLIA\_256\_CBC  &       \\ \hline
222     &   & RSA   & CAMELLIA\_128\_CBC  &       \\ \hline
223     &   &   &   &       \\ \hline
224 \cellcolor{red}avoid   
225 & SSL 3.0   & NULL  & NULL  & NULL      \\ \hline
226     &   & DH\_anon   & RC4\_128   & MD5       \\ \hline
227     &   & ECDH\_anon & 3DES\_EDE\_CBC  &       \\ \hline
228     &   &   & DES\_CBC   &       \\ \hline
229     &   &   &   &       \\ \hline
230 \cellcolor{blue}{\color{white}special }
231 &   & PSK   & CAMELLIA\_256\_GCM  &       \\ \hline
232     &   & DHE\_PSK   & CAMELLIA\_128\_GCM  &       \\ \hline
233     &   & RSA\_PSK   & ARIA\_256\_GCM  &       \\ \hline
234     &   & ECDHE\_PSK & ARIA\_256\_CBC  &       \\ \hline
235     &   &   & ARIA\_128\_GCM  &       \\ \hline
236     &   &   & ARIA\_128\_CBC  &       \\ \hline
237     &   &   & SEED  &       \\ \hline
238 \end{tabular}
239 \end{center}
240
241 A remark on the ``consider'' section: the BSI (Federal office for information security, Germany) recommends in its technical report TR-02102-2\footnote{\url{https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Publikationen/TechnischeRichtlinien/TR02102/BSI-TR-02102-2_pdf.html}} to \textbf{avoid} non-ephemeral\footnote{ephemeral keys are session keys which are destroyed upon termination of the encrypted session. In TLS/SSL, they are realized by the DHE cipher suites. } keys for any communication which might contain personal or sensitive data. In this document, we follow BSI's advice and therefore only keep cipher suites containing (EC)DH\textbf{E} (ephemeral) variants. System administrators, who can not use forward secrecy can still use the cipher suites in the ``consider'' section. We however, do not recommend them in this document.
242
243 %% NOTE: s/forward secrecy/perfect forward secrecy???
244
245 Note that the entries marked as ``special'' are cipher suites which are not common to all clients (webbrowsers etc).
246
247
248 \subsubsection{Tested clients}
249  
250 Next we tested the cipher suites above on the following clients:
251
252 %% NOTE: we need to test with more systems!!
253 \begin{itemize}
254 \item Chrome 30.0.1599.101 Mac OS X 10.9
255 \item Safari 7.0 Mac OS X 10.9
256 \item Firefox 25.0 Mac OS X 10.9
257 \item Internet Explorer 10 Windows 7
258 \item Apple iOS 7.0.3
259 \end{itemize}
260
261
262 The result of testing the cipher suites with these clients gives us a preference order as shown in table \ref{table:prefOrderCipherSuites}. 
263 Should a client not be able to use a specific cipher suite, it will fall back to the next possible entry as given by the ordering.
264
265 \begin{center}
266 \begin{table}[h]
267 \small
268     \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}
269     \hline
270     Pref & Cipher Suite                                   & ID         & Browser                     \\ \hline
271     1    & TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_GCM\_SHA384     &     0x009f & OpenSSL command line client \\ \hline
272     2    & TLS\_ECDHE\_ECDSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA384 &     0xC024 & Safari                      \\ \hline
273     3    & TLS\_ECDHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA384   &     0xC028 & Safari                      \\ \hline
274     4    & TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA256     &     0x006B & Safari, Chrome              \\ \hline
275     5    & TLS\_ECDHE\_ECDSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA    &     0xC00A & Safari, Chrome, Firefox, IE \\ \hline
276     6    & TLS\_ECDHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA      &     0xC014 & Safari, Chrome, Firefox, IE \\ \hline
277     7    & TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA        &     0x0039 & Safari, Chrome, Firefox     \\ \hline
278     8    & TLS\_DHE\_DSS\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA        &     0x0038 & Firefox, IE                 \\ \hline
279     9    & TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_CAMELLIA\_256\_CBC\_SHA   &     0x0088 & Firefox                     \\ \hline
280     10   & TLS\_DHE\_DSS\_WITH\_CAMELLIA\_256\_CBC\_SHA   &     0x0087 & Firefox                     \\ \hline
281     \end{tabular}
282 \caption{Preference order of cipher suites}
283 \label{table:prefOrderCipherSuites}
284 \end{table}
285 \end{center}
286
287
288 Table \ref{table:prefOrderOpenSSLNames} shows the same data again with specifying the corresponding OpenSSL name.
289
290 \begin{center}
291 \begin{table}[h]
292 \small
293     \begin{tabular}{|l|l|l|}
294     \hline
295     Cipher Suite                                   & ID         & OpenSSL Name                  \\ \hline
296     TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_GCM\_SHA384     &     0x009f &         DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384 \\ \hline
297     TLS\_ECDHE\_ECDSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA384 &     0xC024 &     ECDHE-ECDSA-AES256-SHA384 \\ \hline
298     TLS\_ECDHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA384   &     0xC028 &     ECDHE-RSA-AES256-SHA384   \\ \hline
299     TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA256     &     0x006B &     DHE-RSA-AES256-SHA256     \\ \hline
300     TLS\_ECDHE\_ECDSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA    &     0xC00A &     ECDHE-ECDSA-AES256-SHA    \\ \hline
301     TLS\_ECDHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA      &     0xC014 &     ECDHE-RSA-AES256-SHA      \\ \hline
302     TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA        &     0x0039 &     DHE-RSA-AES256-SHA        \\ \hline
303     TLS\_DHE\_DSS\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA        &     0x0038 &     DHE-DSS-AES256-SHA        \\ \hline
304     TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_CAMELLIA\_256\_CBC\_SHA   &     0x0088 &     DHE-RSA-CAMELLIA256-SHA   \\ \hline
305     TLS\_DHE\_DSS\_WITH\_CAMELLIA\_256\_CBC\_SHA   &     0x0087 &     DHE-DSS-CAMELLIA256-SHA   \\ \hline
306     \end{tabular}
307 \caption{Preference order of cipher suites, with OpenSSL names}
308 \label{table:prefOrderOpenSSLNames}
309 \end{table}
310 \end{center}
311
312 Note: the tables \ref{table:prefOrderOpenSSLNames} and \ref{table:prefOrderCipherSuites} contain Elliptic curve key exchanges. There are currently strong doubts\footnote{\url{http://safecurves.cr.yp.to/rigid.html}} concerning ECC.
313 If unsure, remove the cipher suites starting with ECDHE in the table above.
314
315
316 Based on this ordering, we can now define the corresponding settings for servers. We will start with the most common web servers.
317