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[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 adversary. It is therefore paramount to
9 prove 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 adversary
18 has got hold of the decryption key
19 \footnote{\url{http://en.wikipedia.org/wiki/Forward\_secrecy}}
20 \footnote{\url{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 cipher 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
70 \begin{tabular}{lllllll}
71 \toprule
72 \textbf{ID}   & \textbf{OpenSSL Name}       & \textbf{Version} & \textbf{KeyEx} & \textbf{Auth} & \textbf{Cipher} & \textbf{Hash}\\\cmidrule(lr){1-7}
73 \verb|0xC030| & ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384 & TLSv1.2          & ECDH           &  RSA          & AESGCM(256)     & AEAD         \\
74 \verb|0xC028| & ECDHE-RSA-AES256-SHA384     & TLSv1.2          & ECDH           &  RSA          & AES(256)        & SHA384       \\
75 \verb|0x009F| & DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384   & TLSv1.2          & DH             &  RSA          & AESGCM(256)     & AEAD         \\
76 \verb|0x006B| & DHE-RSA-AES256-SHA256       & TLSv1.2          & DH             &  RSA          & AES(256)        & SHA256       \\
77 \bottomrule
78 \end{tabular}
79 \end{center}
80
81
82 \textbf{Compatibility}
83
84 Only clients which support TLS1.2 are covered by these cipher suites (Chrome 30,
85 Win 7 and Win 8.1 crypto stack, Opera 17, OpenSSL $\ge$ 1.0.1e, Safari 6 / iOS
86 6.0.1, Safari 7 / OS X 10.9).
87
88
89
90 \subsubsection{Configuration B: weaker ciphers, many clients}
91
92 In this section we propose a slighly "weaker" set of cipher suites. There are
93 some known weaknesses of for example SHA-1 which is included in this set.
94 However, the advantage of this set of cipher suites is its wider compatibility
95 with clients. 
96
97
98 \textbf{In the following document, all further examples in this paper will use Configuration B}.
99
100
101 We arrived at this set of cipher suites by selecting
102
103 \begin{itemize}
104 \item TLS 1.2, TLS 1.1, TLS 1.0
105 \item allowing SHA-1
106 \todo{AK: Note that SHA1 is considered broken but if we are in DHE, we might get around it as long as you can not calculate a SHA1 collision ``live'' on the wire}
107
108 \end{itemize}
109
110 This results in the string:
111
112 \begin{lstlisting}[breaklines]
113 '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'
114 \end{lstlisting}
115
116
117
118 \begin{center}
119 \begin{tabular}{lllllll}
120 \toprule
121 \textbf{ID}   & \textbf{OpenSSL Name}       & \textbf{Version} & \textbf{KeyEx} & \textbf{Auth} & \textbf{Cipher} & \textbf{Hash}\\\cmidrule(lr){1-7}
122 \verb|0xC030| & ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384 & TLSv1.2          & ECDH           &  RSA          & AESGCM(256)     & AEAD         \\ 
123 \verb|0xC028| & ECDHE-RSA-AES256-SHA384     & TLSv1.2          & ECDH           &  RSA          & AES(256)        & SHA384       \\ 
124 \verb|0x009F| & DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384   & TLSv1.2          & DH             &  RSA          & AESGCM(256)     & AEAD         \\ 
125 \verb|0x006B| & DHE-RSA-AES256-SHA256       & TLSv1.2          & DH             &  RSA          & AES(256)        & SHA256       \\ 
126 \verb|0x0088| & DHE-RSA-CAMELLIA256-SHA     & SSLv3            & DH             &  RSA          & Camellia(256)   & SHA1         \\ 
127 \verb|0xC014| & ECDHE-RSA-AES256-SHA        & SSLv3            & ECDH           &  RSA          & AES(256)        & SHA1         \\ 
128 \verb|0x0039| & DHE-RSA-AES256-SHA          & SSLv3            & DH             &  RSA          & AES(256)        & SHA1         \\ 
129 \verb|0x0035| & AES256-SHA                  & SSLv3            & RSA            &  RSA          & AES(256)        & SHA1         \\
130 \bottomrule
131 \end{tabular}
132 \end{center}
133
134 \textbf{Compatibility}
135
136 Note that these cipher suites will not work with anything using Windows XP's
137 crypto stack (IE, Outlook), Java 6, Java 7 and Android 2.3. Java 7 could be
138 made compatible by installing the "Java Cryptography Extension (JCE) Unlimited
139 Strength Jurisdiction Policy Files"
140 (JCE) \footnote{\url{http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jce-7-download-432124.html}}.
141 We could not verify yet if installing JCE also fixes the Java 7
142 DH-parameter length limitation (1024 bit). 
143
144 \textbf{Explanation}
145
146 For a detailed explanation of the cipher suites chosen, please see
147 \ref{section:ChoosingYourOwnCipherSuites}. In short, finding the perfect cipher
148 string is impossible and must be a tradeoff. On the one hand
149 there are mandatory and optional ciphers defined in a few RFCs, on the other hand
150 there are clients and servers only implementing subsets of the specification.
151
152 Straight forward, we wanted strong ciphers, forward secrecy
153 \footnote{\url{http://nmav.gnutls.org/2011/12/price-to-pay-for-perfect-forward.html}}
154 and the most clients we could get while still having a cipher string that can be
155 used on older servers too (think OpenSSL 0.9.8). This cipher string is meant to be used
156 by copy and paste and needs to just work.
157
158 \begin{itemize}
159 \item TLS1.2 is preferred over TLSv1.0/SSLv3 (while still providing a useable cipher
160       string for SSLv3).
161 \item AES256 and CAMELLIA256 count as strong ciphers at the moment; preferrably in
162       GCM mode.\\
163           \todo{add a reference here please}
164       \todo{Adi: add 128bit ciphers too} \\
165       \todo{Team: discuss ordering of keys (256 $\rightarrow$ 128 or vice versa?)}
166 \item DHE or ECDHE for forward secrecy
167 \item RSA as this will fit most of todays setup
168 \item AES256-SHA as a last ressort (with this cipher at the end, even systems with
169       very old versions of openssl like 0.9.8 will just work. Just forward secrecy
170       will not be used. On systems that do not support elliptic curves, that cipher
171       offers support for the Microsoft crypto libraries that only support ECDHE.
172 \end{itemize}
173 \todo{Adi: review "justification" when next section is written}
174
175
176
177 \subsection{Known insecure and weak cipher suites}
178 \todo{PG: please write this section. List all known broken, obsolete, weak and insecure cipher suites . Or even better: find the best site which keeps track of outdated cipher suites and simply reference it. We do not want to maintain such a list ourselves!}
179
180 \subsection{Compatibility}
181 \todo{write this section. The idea here is to first document which server (and openssl) version we assumed. Once these parameters are fixed, we then list all clients which are supported for Variant A) and B). Therefore we can document compatibilities to some extent. The sysadmin can then choose roughly what he looses or gains by omitting certain cipher suites.}
182
183
184 \subsection{Choosing your own cipher suites}
185 \label{section:ChoosingYourOwnCipherSuites}
186
187 \todo{ Adi...  you want to describe how to make your own selection of cipher suites here.}
188
189 SSL/TLS cipher suites consist of a key exchange mechanism, an authentication, a
190 stream cipher (or a block cipher with a chaining mode) and a message authentication
191 mechanism.
192
193 Many of those mechanisms are interchangeable like the key exchange in this example:
194 \texttt{ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384} and \texttt{DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384}.
195 To provide a decent level of security, all algorithms need to be safe (subject to
196 the disclaimer in section \ref{section:disclaimer}).
197
198 Note: There are some very weak cipher suites in about every crypto library, most of
199 them for historic reasons like the crypto export embargo
200 \footnote{\url{http://en.wikipedia.org/wiki/Export_of_cryptography_in_the_United_States}}.
201 For the following chapter support of those is assumed to be disabled by having
202 \texttt{!EXP:!LOW:!NULL} as part of the cipher string.
203
204 \todo{Adi: add boxes for summaries like here \\ \url{http://tex.stackexchange.com/questions/99809/box-or-sidebar-for-additional-text}}
205
206 \todo{Team: do we need references for all cipher suites considered weak?}
207
208 \subsubsection{key exchange}
209
210 RSA, DSA, DH, EDH, ECDSA, ECDH, EECDH, FORTEZZA(?).
211
212 Note that Elliptic Curves in current TLS standards (up to and including TLSv1.2) are
213 questioned by many experts due to the lack of documentation on how the parameters
214 specifying those curves were chosen. Without the EC mechanisms many clients, especially
215 those using the Windows crypto libraries will not be able to use Forward Secrecy as these
216 libraries only implement the elliptic curve variant of ephemeral DH key exchange. The
217 curves in question are SECP256, SECP384, SECP521 and SECP571 of which the first two
218 are the only ones implemented in the Windows crypto stack and they're the only listed
219 as a requirement in the RFC. %%TODO: add link to RFC
220
221 Other key exchange mechanisms like Pre-Shared Key (PSK) or Secure Remote Password
222 (SRP) are irrelevant for regular SSL/TLS use. \texttt{!PSK:!SRP}
223
224 \subsubsection{authentication}
225
226 RSA, DSA, DSS, ECDSA, ECDH, FORTEZZA(?).
227
228 Other authentication mechanisms like Pre Shared Keys aren't used in SSL/TLS: \texttt{!PSK:!aNULL}
229
230 \subsubsection{encryption}
231
232 AES, CAMELLIA, SEED, ARIA(?), FORTEZZA(?)...
233
234 Other ciphers like IDEA, RC2, RC4, 3DES or DES are weak and therefor not recommended:
235 \texttt{!DES:!3DES:!RC2:!RC4:!eNULL}
236
237 \subsubsection{message authentication}
238
239 SHA-1 (SHA), SHA-2 (SHA256, SHA384), AEAD
240
241 Note that SHA-1 is considered broken and should not be used. SHA-1 is however a the
242 only still available message authentication mechanism supporting TLS1.0/SSLv3. Without
243 SHA-1 most clients will be locked out.
244
245 Other hash functions like MD2, MD4 or MD5 are unsafe and broken: \texttt{!MD2:!MD4:!MD5}
246
247 \subsubsection{combining cipher strings}
248 %% reference 'man ciphers' and 'openssl ciphers' and show some simple examples
249 %% VERY IMPORTANT: hint at the IANA-list and the differences in implementations
250
251 \todo{ Adi...  The text below was simply the old text, still left here for reference.}
252
253 %%% NOTE: we do not need to list this all here, can move to an appendix
254 %At the time of this writing, SSL is defined in RFCs:   
255 %
256 %\begin{itemize}
257 %\item RFC2246 - TLS1.0         
258 %\item RFC3268 - AES            
259 %\item RFC4132 - Camelia                
260 %\item RFC4162 - SEED           
261 %\item RFC4279 - PSK            
262 %\item RFC4346 - TLS 1.1                
263 %\item RFC4492 - ECC            
264 %\item RFC4785 - PSK\_NULL              
265 %\item RFC5246 - TLS 1.2                
266 %\item RFC5288 - AES\_GCM               
267 %\item RFC5289 - AES\_GCM\_SHA2\_ECC            
268 %\item RFC5430 - Suite B                
269 %\item RFC5487 - GCM\_PSK               
270 %\item RFC5489 - ECDHE\_PSK             
271 %\item RFC5932 - Camelia                
272 %\item RFC6101 - SSL 3.0                
273 %\item RFC6209 - ARIA           
274 %\item RFC6367 - Camelia                
275 %\item RFC6655 - AES\_CCM               
276 %\item RFC7027 - Brainpool Curves               
277 %\end{itemize}
278
279 \subsubsection{Overview of SSL Server settings}
280
281
282 Most Server software (Webservers, Mail servers, etc.) can be configured to prefer certain cipher suites over others. 
283 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.
284
285 Following Ivan Ristic's adivce we arrived at a categorisation of cipher suites.
286
287 \begin{center}
288 \begin{tabular}{lllll}
289 \cmidrule[\heavyrulewidth]{2-5}
290 & \textbf{Version}   & \textbf{KeyEx} & \textbf{Cipher}    & \textbf{MAC}       \\\cmidrule(lr){2-5}
291 \cellcolor{green}prefer  & TLS 1.2   & DHE\_DSS   & AES\_256\_GCM   & SHA384        \\
292     &   & DHE\_RSA   & AES\_256\_CCM   & SHA256        \\
293     &   & ECDHE\_ECDSA   & AES\_256\_CBC   &       \\
294     &   & ECDHE\_RSA &   &       \\ 
295     &   &   &   &       \\
296 \cellcolor{orange}consider    & TLS 1.1   & DH\_DSS    & AES\_128\_GCM   & SHA       \\
297     & TLS 1.0   & DH\_RSA    & AES\_128\_CCM   &       \\
298     &   & ECDH\_ECDSA    & AES\_128\_CBC   &       \\ 
299     &   & ECDH\_RSA  & CAMELLIA\_256\_CBC  &       \\
300     &   & RSA   & CAMELLIA\_128\_CBC  &       \\
301     &   &   &   &       \\
302 \cellcolor{red}avoid   
303 & SSL 3.0   & NULL  & NULL  & NULL      \\
304     &   & DH\_anon   & RC4\_128   & MD5       \\
305     &   & ECDH\_anon & 3DES\_EDE\_CBC  &       \\
306     &   &   & DES\_CBC   &       \\
307     &   &   &   &       \\
308 \cellcolor{blue}{\color{white}special }
309 &   & PSK   & CAMELLIA\_256\_GCM  &       \\
310     &   & DHE\_PSK   & CAMELLIA\_128\_GCM  &       \\
311     &   & RSA\_PSK   & ARIA\_256\_GCM  &       \\
312     &   & ECDHE\_PSK & ARIA\_256\_CBC  &       \\
313     &   &   & ARIA\_128\_GCM  &       \\
314     &   &   & ARIA\_128\_CBC  &       \\
315     &   &   & SEED  &       \\
316 \cmidrule[\heavyrulewidth]{2-5}
317 \end{tabular}
318 \end{center}
319
320 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.
321
322 %% NOTE: s/forward secrecy/perfect forward secrecy???
323
324 Note that the entries marked as ``special'' are cipher suites which are not common to all clients (webbrowsers etc).
325
326
327 \subsubsection{Tested clients}
328  
329 Next we tested the cipher suites above on the following clients:
330
331 %% NOTE: we need to test with more systems!!
332 \begin{itemize}
333 \item Chrome 30.0.1599.101 Mac OS X 10.9
334 \item Safari 7.0 Mac OS X 10.9
335 \item Firefox 25.0 Mac OS X 10.9
336 \item Internet Explorer 10 Windows 7
337 \item Apple iOS 7.0.3
338 \end{itemize}
339
340
341 The result of testing the cipher suites with these clients gives us a preference order as shown in table \ref{table:prefOrderCipherSuites}. 
342 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.
343
344 \begin{table}[h]
345 \centering\small
346     \begin{tabular}{cllcccc}
347     \toprule
348     \textbf{Pref}   & \textbf{Cipher Suite}                            & \textbf{ID}   & \multicolumn{4}{l}{\textbf{Supported by}}\\ 
349     \cmidrule(lr){4-7}
350                     & \textbf{OpenSSL Name}                            &               & Chrome & FF   & IE   & Safari \\
351     \cmidrule(lr){1-7}
352     \phantom{0}1    & \verb|TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384|     & \verb|0x009f| & \no    & \no  & \no  & \no    \\
353                     & \verb|DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384|                      &               & &&&\\\rowcolor{lightlightgray}
354     \phantom{0}2    & \verb|TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA384| & \verb|0xC024| & \no    & \no  & \no  & \yes   \\\rowcolor{lightlightgray}
355                     & \verb|ECDHE-ECDSA-AES256-SHA384|                      &               & &&&\\
356     \phantom{0}3    & \verb|TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA384|   & \verb|0xC028| & \no    & \no  & \no  & \yes   \\
357                     & \verb|ECDHE-RSA-AES256-SHA384|                        &               & &&&\\\rowcolor{lightlightgray}
358     \phantom{0}4    & \verb|TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256|     & \verb|0x006B| & \yes   & \no  & \no  & \yes   \\\rowcolor{lightlightgray}
359                     & \verb|DHE-RSA-AES256-SHA256|                          &               & &&&\\
360     \phantom{0}5    & \verb|TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA|    & \verb|0xC00A| & \yes   & \yes & \yes & \yes   \\
361                     & \verb|ECDHE-ECDSA-AES256-SHA|                         &               & &&&\\\rowcolor{lightlightgray}
362     \phantom{0}6    & \verb|TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA|      & \verb|0xC014| & \yes   & \yes & \yes & \yes   \\\rowcolor{lightlightgray}
363                     & \verb|ECDHE-RSA-AES256-SHA|                           &               & &&&\\
364     \phantom{0}7    & \verb|TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA|        & \verb|0x0039| & \yes   & \yes & \no  & \yes   \\
365                     & \verb|DHE-RSA-AES256-SHA|                             &               & &&&\\\rowcolor{lightlightgray}
366     \phantom{0}8    & \verb|TLS_DHE_DSS_WITH_AES_256_CBC_SHA|        & \verb|0x0038| & \no    & \yes & \yes & \no    \\\rowcolor{lightlightgray}
367                     & \verb|DHE-DSS-AES256-SHA|                             &               & &&&\\
368     \phantom{0}9    & \verb|TLS_DHE_RSA_WITH_CAMELLIA_256_CBC_SHA|   & \verb|0x0088| & \no    & \yes & \no  & \no    \\
369                     & \verb|DHE-RSA-CAMELLIA256-SHA|                        &               & &&&\\\rowcolor{lightlightgray}
370     \phantom{}10    & \verb|TLS_DHE_DSS_WITH_CAMELLIA_256_CBC_SHA|   & \verb|0x0087| & \no    & \yes & \no  & \no    \\\rowcolor{lightlightgray}
371                     & \verb|DHE-DSS-CAMELLIA256-SHA|                        &               & &&&\\
372    \bottomrule
373     \end{tabular}
374 \caption{Preference order of cipher suites.  All suites are supported by OpenSSL.}
375 \label{table:prefOrderCipherSuites}
376 \end{table}
377
378 Note: the above table \ref{table:prefOrderCipherSuites} contains Elliptic curve key exchanges. There are currently strong doubts\footnote{\url{http://safecurves.cr.yp.to/rigid.html}} concerning ECC.
379 If unsure, remove the cipher suites starting with ECDHE in the table above.
380
381
382 Based on this ordering, we can now define the corresponding settings for servers. We will start with the most common web servers.
383