Un Generatore di Password Sicuro Basato su Generatore di Numeri Pseudo-Casuali (PRNG)

Indice

• 1. Introduzione
• 2. Rassegna della Letteratura
  • 2.1. Generatore di Numeri Pseudo-Casuali Basato su Generatore Congruenziale Lineare
  • 2.2. Generatore di Numeri Pseudo-Casuali Sicuro
    • 2.2.1. Basato su Hash-based Message Authentication Code (HMAC)
    • 2.2.2. Basato su Cipher-based Message Authentication Code (CMAC)
    • 2.2.3. Basato su KECCAK Message Authentication Code (KMAC)
  • 2.3. Metodi per la Validazione della Casualità
• 3. Generatore di Password Sicuro Proposto Basato su PRNG Sicuro
• 4. Ambiente Sperimentale e Risultati
  • 4.1. Configurazione Sperimentale
  • 4.2. Risultati della Validazione della Casualità
  • 4.3. Analisi dell'Efficienza Computazionale
• 5. Conclusioni e Lavori Futuri
• 6. Analisi Originale & Approfondimento Esperto
• 7. Dettagli Tecnici & Formulazioni Matematiche
• 8. Quadro di Analisi & Esempio Concettuale
• 9. Applicazioni Future & Direzioni di Sviluppo
• 10. Riferimenti Bibliografici

1. Introduzione

Negli ultimi anni si sono susseguiti continui report di violazioni di account web e password testuali, evidenziando l'importanza cruciale della sicurezza delle informazioni e delle password. Oltre alle vulnerabilità dei siti web, la sicurezza intrinseca della password è fondamentale. Le pratiche comuni di password insicure includono password basate su parole chiave, password basate su frasi popolari, password basate su informazioni utente e il riutilizzo delle password. Il rapido sviluppo dell'IA e dei Large Language Model (LLM) potenzia ulteriormente gli attaccanti nel tentativo di indovinare le password in modo più efficace.

Sebbene le piattaforme impieghino difese come One-Time Password (OTP), autenticazione multi-fattore (MFA) e archiviazione cifrata delle password, migliorare la sicurezza intrinseca delle password rimane cruciale. Questa ricerca propone un generatore di password sicuro basato su un Generatore di Numeri Pseudo-Casuali (PRNG) sicuro. Il PRNG è costruito utilizzando Hash-based Message Authentication Code (HMAC), Cipher-based Message Authentication Code (CMAC) o KECCAK Message Authentication Code (KMAC) per generare numeri casuali crittograficamente sicuri, che vengono poi utilizzati per produrre password.

I contributi principali sono:

• Proporre un framework per un generatore di password sicuro che utilizza PRNG sicuri basati su HMAC, CMAC o KMAC.
• Analizzare la sicurezza in relazione a diversi set di caratteri e lunghezze delle password, confrontandola con AES-128/256.
• Validare empiricamente la casualità dei numeri generati utilizzando i test di entropia e di Indipendenza e Distribuzione Identica (IID) dello standard NIST SP 800-90B.

2. Rassegna della Letteratura

2.1. Generatore di Numeri Pseudo-Casuali Basato su Generatore Congruenziale Lineare

Molti linguaggi di programmazione (ad es., C, Java) implementano PRNG basati su Generatori Congruenziali Lineari (LCG). Dato un seme $k$, la sequenza è generata come:

$f_0(k) \equiv a \oplus k \ (\text{mod} \ m)$

$f_i(k) \equiv a \times f_{i-1}(k) + c \ (\text{mod} \ m)$ per $i \ge 1$

Tuttavia, gli LCG sono insicuri perché lo stato successivo è derivato linearmente da quello precedente ($f_{i-1}(k) \equiv (f_i(k) - c) \times a^{-1} \ (\text{mod} \ m)$), consentendo a un attaccante di risalire al seme.

2.2. Generatore di Numeri Pseudo-Casuali Sicuro

2.2.1. Basato su Hash-based Message Authentication Code (HMAC)

La sicurezza dell'HMAC si basa sulla proprietà di unidirezionalità delle funzioni hash crittografiche (ad es., SHA-2, SHA-3). Per una chiave $k$ e un messaggio $M$, l'HMAC è calcolato come:

$r_{hmac}(k, M) = h((k \oplus opad) \ || \ h((k \oplus ipad) \ || \ M))$

dove $ipad$ e $opad$ sono costanti di padding fisse, e $h$ è la funzione hash. Per generare un flusso di bit casuale di lunghezza $L$, viene utilizzata una modalità contatore, modificando il messaggio per ogni blocco di output: $M_i = i \ || \ \text{KDF} \ || \ 0x00 \ || \ M \ || \ L$, producendo $r_{hmac,i}(k, M_i)$.

2.2.2. Basato su Cipher-based Message Authentication Code (CMAC)

La sicurezza del CMAC si basa sullo Standard di Crittografia Avanzata (AES). Per una chiave $k$ e un messaggio $M$ suddiviso in blocchi $M'_i$ di lunghezza $l_a$, opera in modalità Cipher Block Chaining (CBC):

$c_{i+1} = AES(k, c_i \oplus M'_{i+1})$, con $c_0 = Pad0(0)$.

L'output finale $r_{cmac}(k, Split(M))$ è derivato dall'ultimo blocco di testo cifrato dopo uno specifico padding (Pad1).

2.2.3. Basato su KECCAK Message Authentication Code (KMAC)

KMAC è basato sulla costruzione a spugna di SHA-3 (KECCAK), offrendo flessibilità e sicurezza. Può essere utilizzato in modo simile all'HMAC in una modalità contatore per generare un flusso di bit deterministico e imprevedibile adatto a scopi PRNG, come delineato in NIST SP 800-108 Rev. 1.

2.3. Metodi per la Validazione della Casualità

Il documento adotta il framework NIST SP 800-90B per la validazione della casualità, concentrandosi su due aspetti chiave:

• Stima dell'Entropia: Misura l'imprevedibilità media (in bit) per campione nella sequenza generata. Un'elevata entropia è cruciale per la robustezza della password.
• Test IID (Indipendente e Distribuito Identicamente): Determina se i campioni sono statisticamente indipendenti e seguono una distribuzione identica. Il fallimento indica pattern o bias.

3. Generatore di Password Sicuro Proposto Basato su PRNG Sicuro

L'architettura del sistema proposto prevede:

1. Input: Un "Messaggio da Sottoporre ad Hash" (TBHM) opzionale fornito dall'utente e parametri (lunghezza password desiderata, set di caratteri).
2. Nucleo PRNG Sicuro: Un PRNG costruito utilizzando una delle tre funzioni MAC (HMAC, CMAC o KMAC) in modalità contatore, secondo NIST SP 800-108. Questo nucleo prende il TBHM (e una chiave/seme interna) per generare una sequenza di bit pseudo-casuale crittograficamente sicura.
3. Generazione della Password: I bit casuali vengono mappati sul set di caratteri specificato dall'utente (ad es., alfanumerici + simboli) per creare una password della lunghezza desiderata.

L'analisi della sicurezza confronta lo spazio delle chiavi effettivo delle password generate (basato sulla dimensione del set di caratteri $C$ e sulla lunghezza $L$, dando $C^L$ possibilità) con la resistenza alla forza bruta di AES-128 ($2^{128}$) e AES-256 ($2^{256}$). Ad esempio, una password di 16 caratteri da un set di 94 caratteri offre ~$94^{16} \approx 2^{105}$ possibilità, che è più debole di AES-128 ma comunque robusta per molti scopi.

4. Ambiente Sperimentale e Risultati

4.1. Configurazione Sperimentale

Sono stati condotti esperimenti per generare grandi sequenze di numeri casuali utilizzando i PRNG proposti basati su HMAC, CMAC e KMAC. Queste sequenze sono state poi sottoposte alla suite di test NIST SP 800-90B.

4.2. Risultati della Validazione della Casualità

Risultato Chiave: I risultati sperimentali hanno dimostrato che i numeri casuali generati da tutti e tre i metodi PRNG proposti (HMAC/SHA-256, CMAC/AES-256, KMAC) hanno superato con successo sia la validazione dell'entropia che i test di validazione IID specificati in NIST SP 800-90B.

Implicazione: Ciò conferma che le sequenze di output possiedono un'elevata entropia e non mostrano dipendenze statistiche o bias rilevabili, soddisfacendo il requisito fondamentale per una fonte sicura di casualità nella generazione delle password.

4.3. Analisi dell'Efficienza Computazionale

Sebbene non sia il focus principale, il documento implica un compromesso. HMAC/SHA-256 e KMAC sono generalmente molto efficienti in software. CMAC/AES può avere vantaggi di accelerazione hardware su piattaforme specifiche. La scelta può essere adattata in base ai vincoli di prestazioni dell'ambiente di distribuzione.

5. Conclusioni e Lavori Futuri

Questa ricerca ha progettato e validato con successo un framework per un generatore di password sicuro basato su PRNG crittograficamente robusti (HMAC, CMAC, KMAC). La sicurezza delle password generate deriva dalle proprietà comprovate di queste funzioni MAC e dall'elevata casualità validata del flusso di bit sottostante.

Le direzioni future includono:

• Integrare il generatore in estensioni del browser o nei backend dei gestori di password.
• Esplorare funzioni hash crittografiche post-quantum (ad es., basate su problemi reticolari) come fondamento per il PRNG per garantire la sicurezza a lungo termine.
• Sviluppare una prova di sicurezza formale sotto assunzioni crittografiche standard.
• Creare un'interfaccia user-friendly che educhi gli utenti sull'importanza dell'entropia delle password.

6. Analisi Originale & Approfondimento Esperto

Approfondimento Centrale: Il lavoro di Chen è una soluzione ingegneristica pragmatica e conforme agli standard per un problema di sicurezza fondamentale: la bassa entropia delle password. Identifica correttamente che la causa principale di molte violazioni delle password non sono solo i difetti di archiviazione, ma la generazione prevedibile. Ancorando la soluzione in costrutti approvati dal NIST (HMAC, CMAC, KMAC) e framework di validazione (SP 800-90B), la ricerca evita la novità crittografica fine a se stessa e fornisce invece un metodo verificabilmente solido. Questo approccio rispecchia la filosofia dietro sistemi consolidati come l'interfaccia /dev/urandom in Linux, che aggrega entropia dagli eventi di sistema, ma qui l'attenzione è su un processo deterministico, seminabile e influenzabile dall'utente, adatto per una generazione di password riproducibile.

Flusso Logico: L'argomentazione è metodica: 1) Stabilire il problema (password deboli, indovinabili). 2) Scartare soluzioni comuni ma difettose (RNG basati su LCG). 3) Proporre componenti costitutive con sicurezza provata (MAC crittografici). 4) Assemblarli secondo standard esistenti (modalità contatore NIST SP 800-108). 5) Validare l'output rispetto a benchmark rigorosi (NIST SP 800-90B). Questo flusso è robusto e rispecchia le migliori pratiche nella ricerca crittografica applicata, simile alla valutazione strutturata vista in lavori seminali come il documento CycleGAN che ha validato sistematicamente la qualità della traduzione di immagini attraverso più domini e metriche.

Punti di Forza & Debolezze: Il punto di forza principale è la sua affidabilità. L'uso di primitive crittografiche collaudate e linee guida NIST minimizza il rischio. L'input utente opzionale (TBHM) è una caratteristica intelligente, che consente semi personalizzati ma sicuri. Tuttavia, una significativa debolezza è la mancanza di un'analisi di sicurezza diretta e comparativa rispetto ai generatori di password all'avanguardia, come quelli che utilizzano Argon2 o bcrypt per lo stretching delle chiavi in un contesto simile. Il confronto con la forza bruta di AES è utile ma semplicistico. Il vettore di attacco nel mondo reale è spesso il cracking offline di password hashate; il documento potrebbe rafforzare la sua tesi modellando la resistenza contro strumenti come Hashcat con regole ottimizzate. Inoltre, sebbene i test NIST siano autorevoli, non sono esaustivi per tutte le proprietà crittografiche; una discussione sulla resistenza agli attacchi side-channel sull'implementazione del PRNG sarebbe preziosa.

Approfondimenti Pratici: Per gli architetti della sicurezza, questo documento fornisce un progetto pronto. Raccomandazione 1: Implementare la variante basata su KMAC. Come derivato di SHA-3, è progettato per essere resiliente agli attacchi di estensione della lunghezza che teoricamente influenzano l'HMAC basato su SHA-2 in certi scenari, e rappresenta una scelta più future-proof. Raccomandazione 2: Integrare questo generatore come motore centrale per vault di password aziendali o sistemi SSO dove è richiesta la creazione di password basata su policy. La sua natura deterministica (stesso TBHM + parametri = stessa password) può essere una funzionalità per scenari di recupero. Raccomandazione 3: Affiancare questa soluzione tecnica con l'educazione dell'utente. Il generatore può produrre una stringa casuale di 20 caratteri, ma se l'utente opta per un TBHM breve e memorabile e una lunghezza di 8 caratteri, la sicurezza crolla. L'interfaccia deve imporre impostazioni predefinite ragionevoli (ad es., minimo 12 caratteri, set di caratteri completo) e comunicare visivamente la robustezza dell'entropia, simile ai misuratori di forza delle password informati dalla ricerca di organizzazioni come l'NCC Group.

7. Dettagli Tecnici & Formulazioni Matematiche

La sicurezza centrale si basa sulla proprietà di funzione pseudo-casuale (PRF) dei MAC. Il PRNG in modalità contatore può essere astratto come:

$R_i = PRF(K, \text{Contatore} \ || \ \text{Etichetta} \ || \ 0x00 \ || \ \text{Input} \ || \ L)$

dove $PRF$ è $HMAC$, $CMAC$ o $KMAC$, $K$ è una chiave segreta, e $R_i$ sono i blocchi di output concatenati per formare il flusso di bit finale.

Mappatura della Password: Dato un valore intero casuale $v$ derivato dal flusso di bit e un set di caratteri di dimensione $C$, l'indice del carattere è selezionato come: $index = v \mod C$. Questo viene ripetuto $L$ volte.

8. Quadro di Analisi & Esempio Concettuale

Scenario: Un servizio web deve generare una password iniziale robusta e casuale per i nuovi utenti.

Applicazione del Quadro:

1. Selezione dei Parametri: Il servizio sceglie KMAC256 come PRF, una chiave crittografica derivata dal sistema $K_{sys}$ archiviata in modo sicuro, e un TBHM composto dall'UserID unico e immutabile dell'utente e un timestamp.
2. Processo:
   • Input: TBHM = "USER12345@2023-10-27T10:30:00Z", Lunghezza $L$ = 16, Set di Caratteri = 94 ASCII stampabili.
   • Il nucleo PRNG elabora questo con $K_{sys}$ in modalità contatore per generare 128 bit casuali (16 caratteri * log2(94) ≈ 105 bit, quindi 128 bit forniscono ampia entropia).
   • I bit vengono convertiti in una stringa come: s9*!Lq9@Pz%2m#X&
3. Proprietà di Sicurezza:
   • Imprevedibilità: Senza $K_{sys}$, l'output è imprevedibile anche se il TBHM è noto.
   • Determinismo: Lo stesso utente in quel preciso momento otterrebbe la stessa password, facilitando il debug.
   • Elevata Entropia: La password ha ~105 bit di entropia, rendendo la forza bruta impraticabile.

9. Applicazioni Future & Direzioni di Sviluppo

• Integrazione della Crittografia Post-Quantum (PQC): Con l'avanzare del calcolo quantistico, SHA-2 e AES-256 potrebbero diventare vulnerabili all'algoritmo di Grover. Le versioni future possono integrare funzioni hash standardizzate PQC (ad es., basate su SPHINCS+) o design simmetrici (ad es., ASCON) come PRF sottostante. La modularità del framework consente tale sostituzione.
• Identità Decentralizzata e Web3: Il generatore può essere adattato per creare semi crittografici o mnemonici deterministici e recuperabili per portafogli blockchain. Il TBHM potrebbe essere un hash biometrico dell'utente + un identificatore decentralizzato (DID).
• Potenziamento dell'Hardware Security Module (HSM): La logica PRNG centrale, specialmente utilizzando CMAC/AES, può essere incorporata negli HSM per generare credenziali root-of-trust in ambienti cloud e IoT, fornendo una generazione di chiavi resistente alla manomissione.
• Generazione di Password Adattiva: Il sistema potrebbe regolare dinamicamente il set di caratteri o la lunghezza in base alla sensibilità dell'account di destinazione (ad es., banca vs. forum), guidato da motori di policy.

10. Riferimenti Bibliografici

1. M. Bellare, R. Canetti, and H. Krawczyk, "Keying Hash Functions for Message Authentication," CRYPTO 1996.
2. NIST, "Recommendation for Block Cipher Modes of Operation: The CMAC Mode for Authentication," SP 800-38B.
3. NIST, "SHA-3 Standard: Permutation-Based Hash and Extendable-Output Functions," FIPS PUB 202.
4. NIST, "Recommendation for the Entropy Sources Used for Random Bit Generation," SP 800-90B.
5. NIST, "Recommendation for Key Derivation Using Pseudorandom Functions," SP 800-108 Rev. 1.
6. J. Kelsey, B. Schneier, and N. Ferguson, "Yarrow-160: Notes on the Design and Analysis of the Yarrow Cryptographic Pseudorandom Number Generator," SAC 1999.
7. J. Zhu, T. Park, P. Isola, A.A. Efros, "Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks," ICCV 2017. (Citato come esempio di valutazione metodologica rigorosa).
8. NCC Group, "Password Storage Cheat Sheet," OWASP Foundation. (Citato come fonte per linee guida pratiche sulle policy delle password).