section of FS added
[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
139
140 \subsection{Chosing your own cipher suites}
141 \label{section:ChosingYourOwnCipherSuites}
142 \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.}
143
144 %%% NOTE: we do not need to list this all here, can move to an appendix
145 %At the time of this writing, SSL is defined in RFCs:   
146 %
147 %\begin{itemize}
148 %\item RFC2246 - TLS1.0         
149 %\item RFC3268 - AES            
150 %\item RFC4132 - Camelia                
151 %\item RFC4162 - SEED           
152 %\item RFC4279 - PSK            
153 %\item RFC4346 - TLS 1.1                
154 %\item RFC4492 - ECC            
155 %\item RFC4785 - PSK\_NULL              
156 %\item RFC5246 - TLS 1.2                
157 %\item RFC5288 - AES\_GCM               
158 %\item RFC5289 - AES\_GCM\_SHA2\_ECC            
159 %\item RFC5430 - Suite B                
160 %\item RFC5487 - GCM\_PSK               
161 %\item RFC5489 - ECDHE\_PSK             
162 %\item RFC5932 - Camelia                
163 %\item RFC6101 - SSL 3.0                
164 %\item RFC6209 - ARIA           
165 %\item RFC6367 - Camelia                
166 %\item RFC6655 - AES\_CCM               
167 %\item RFC7027 - Brainpool Curves               
168 %\end{itemize}
169
170 \subsubsection{Overview of SSL Server settings}
171
172
173 Most Server software (Webservers, Mail servers, etc.) can be configured to prefer certain cipher suites over others. 
174 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.
175
176 Following Ivan Ristic's adivce we arrived at a categorisation of cipher suites.
177
178 \begin{center}
179 \begin{tabular}{| l | l | l | l | l|}
180 \hline
181 & Version   & Key\_Exchange  & Cipher    & MAC       \\ \hline
182 \cellcolor{green}prefer  & TLS 1.2   & DHE\_DSS   & AES\_256\_GCM   & SHA384        \\ \hline
183     &   & DHE\_RSA   & AES\_256\_CCM   & SHA256        \\ \hline
184     &   & ECDHE\_ECDSA   & AES\_256\_CBC   &       \\ \hline
185     &   & ECDHE\_RSA &   &       \\ \hline
186     &   &   &   &       \\ \hline
187 \cellcolor{orange}consider    & TLS 1.1   & DH\_DSS    & AES\_128\_GCM   & SHA       \\ \hline
188     & TLS 1.0   & DH\_RSA    & AES\_128\_CCM   &       \\ \hline
189     &   & ECDH\_ECDSA    & AES\_128\_CBC   &       \\ \hline
190     &   & ECDH\_RSA  & CAMELLIA\_256\_CBC  &       \\ \hline
191     &   & RSA   & CAMELLIA\_128\_CBC  &       \\ \hline
192     &   &   &   &       \\ \hline
193 \cellcolor{red}avoid   
194 & SSL 3.0   & NULL  & NULL  & NULL      \\ \hline
195     &   & DH\_anon   & RC4\_128   & MD5       \\ \hline
196     &   & ECDH\_anon & 3DES\_EDE\_CBC  &       \\ \hline
197     &   &   & DES\_CBC   &       \\ \hline
198     &   &   &   &       \\ \hline
199 \cellcolor{blue}{\color{white}special }
200 &   & PSK   & CAMELLIA\_256\_GCM  &       \\ \hline
201     &   & DHE\_PSK   & CAMELLIA\_128\_GCM  &       \\ \hline
202     &   & RSA\_PSK   & ARIA\_256\_GCM  &       \\ \hline
203     &   & ECDHE\_PSK & ARIA\_256\_CBC  &       \\ \hline
204     &   &   & ARIA\_128\_GCM  &       \\ \hline
205     &   &   & ARIA\_128\_CBC  &       \\ \hline
206     &   &   & SEED  &       \\ \hline
207 \end{tabular}
208 \end{center}
209
210 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.
211
212 %% NOTE: s/forward secrecy/perfect forward secrecy???
213
214 Note that the entries marked as ``special'' are cipher suites which are not common to all clients (webbrowsers etc).
215
216
217 \subsubsection{Tested clients}
218  
219 Next we tested the cipher suites above on the following clients:
220
221 %% NOTE: we need to test with more systems!!
222 \begin{itemize}
223 \item Chrome 30.0.1599.101 Mac OS X 10.9
224 \item Safari 7.0 Mac OS X 10.9
225 \item Firefox 25.0 Mac OS X 10.9
226 \item Internet Explorer 10 Windows 7
227 \item Apple iOS 7.0.3
228 \end{itemize}
229
230
231 The result of testing the cipher suites with these clients gives us a preference order as shown in table \ref{table:prefOrderCipherSuites}. 
232 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.
233
234 \begin{center}
235 \begin{table}[h]
236 \small
237     \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|}
238     \hline
239     Pref & Cipher Suite                                   & ID         & Browser                     \\ \hline
240     1    & TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_GCM\_SHA384     &     0x009f & OpenSSL command line client \\ \hline
241     2    & TLS\_ECDHE\_ECDSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA384 &     0xC024 & Safari                      \\ \hline
242     3    & TLS\_ECDHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA384   &     0xC028 & Safari                      \\ \hline
243     4    & TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA256     &     0x006B & Safari, Chrome              \\ \hline
244     5    & TLS\_ECDHE\_ECDSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA    &     0xC00A & Safari, Chrome, Firefox, IE \\ \hline
245     6    & TLS\_ECDHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA      &     0xC014 & Safari, Chrome, Firefox, IE \\ \hline
246     7    & TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA        &     0x0039 & Safari, Chrome, Firefox     \\ \hline
247     8    & TLS\_DHE\_DSS\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA        &     0x0038 & Firefox, IE                 \\ \hline
248     9    & TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_CAMELLIA\_256\_CBC\_SHA   &     0x0088 & Firefox                     \\ \hline
249     10   & TLS\_DHE\_DSS\_WITH\_CAMELLIA\_256\_CBC\_SHA   &     0x0087 & Firefox                     \\ \hline
250     \end{tabular}
251 \caption{Preference order of cipher suites}
252 \label{table:prefOrderCipherSuites}
253 \end{table}
254 \end{center}
255
256
257 Table \ref{table:prefOrderOpenSSLNames} shows the same data again with specifying the corresponding OpenSSL name.
258
259 \begin{center}
260 \begin{table}[h]
261 \small
262     \begin{tabular}{|l|l|l|}
263     \hline
264     Cipher Suite                                   & ID         & OpenSSL Name                  \\ \hline
265     TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_GCM\_SHA384     &     0x009f &         DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384 \\ \hline
266     TLS\_ECDHE\_ECDSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA384 &     0xC024 &     ECDHE-ECDSA-AES256-SHA384 \\ \hline
267     TLS\_ECDHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA384   &     0xC028 &     ECDHE-RSA-AES256-SHA384   \\ \hline
268     TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA256     &     0x006B &     DHE-RSA-AES256-SHA256     \\ \hline
269     TLS\_ECDHE\_ECDSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA    &     0xC00A &     ECDHE-ECDSA-AES256-SHA    \\ \hline
270     TLS\_ECDHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA      &     0xC014 &     ECDHE-RSA-AES256-SHA      \\ \hline
271     TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA        &     0x0039 &     DHE-RSA-AES256-SHA        \\ \hline
272     TLS\_DHE\_DSS\_WITH\_AES\_256\_CBC\_SHA        &     0x0038 &     DHE-DSS-AES256-SHA        \\ \hline
273     TLS\_DHE\_RSA\_WITH\_CAMELLIA\_256\_CBC\_SHA   &     0x0088 &     DHE-RSA-CAMELLIA256-SHA   \\ \hline
274     TLS\_DHE\_DSS\_WITH\_CAMELLIA\_256\_CBC\_SHA   &     0x0087 &     DHE-DSS-CAMELLIA256-SHA   \\ \hline
275     \end{tabular}
276 \caption{Preference order of cipher suites, with OpenSSL names}
277 \label{table:prefOrderOpenSSLNames}
278 \end{table}
279 \end{center}
280
281 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.
282 If unsure, remove the cipher suites starting with ECDHE in the table above.
283
284
285 Based on this ordering, we can now define the corresponding settings for servers. We will start with the most common web servers.
286