Şifre Yöneticisi Şifre Oluşturma Algoritmalarının Biçimsel Doğrulamasına Doğru

1. Giriş

Parola yöneticileri, güçlü ve benzersiz parolalar kullanarak güvenliği artıran ve aynı zamanda ezberleme bilişsel yükünü ortadan kaldıran önemli araçlardır. Avantajlarına rağmen, kullanıcı güveni, yaygın benimsenmelerinin önündeki temel engel olmaya devam etmektedir. Bu makale, güveni etkileyen kritik bir özelliği ele almaktadır: rastgele parola oluşturma algoritması. İşlevsel doğruluğunu ve güvenlik özelliklerini kanıtlamak amacıyla, EasyCrypt çerçevesi kullanılarak biçimsel doğrulaması yapılmış bir referans uygulama önermekteyiz. Bu çalışma, parola yöneticilerindeki parola oluşturma için güvenilir bir standart oluşturmayı hedeflemektedir.

2. Mevcut Şifre Oluşturma Algoritmaları

Bu çalışma, 15 parola yöneticisini incelemekte ve yaygın olarak kullanılan üç açık kaynak örneğine odaklanmaktadır: Google Chrome Parola Yöneticisi, Bitwarden ve KeePass. Amaç, yaygın algoritmaları anlamak ve biçimsel doğrulama için alanları belirlemektir.

3. Biçimsel Doğrulama Yöntemi

Bu makale, şifre oluşturma algoritmasını biçimselleştirmek ve doğrulamak için EasyCrypt ispat yardımcı aracını kullanmaktadır. Doğrulama, iki temel özelliğe odaklanmaktadır:

• İşlevsel doğruluk: Algoritma, her zaman kullanıcı tanımlı bileşim stratejisini karşılayan bir şifre üretir.
• Güvenlik (Rastgelelik): Kriptografik olarak güvenli bir rastgele sayı üreteci kullanıldığı varsayıldığında, çıktı parolasının hesaplama açısından, politika tarafından tanımlanan alfabeden çekilen ve aynı uzunluktaki gerçekten rastgele bir dizeden ayırt edilemez olduğu modellenir. Bu, oyun tabanlı kriptografik kanıt yöntemi kullanılarak modellenmiştir.

Bu biçimsel yöntem, geleneksel testlerin ötesine geçerek algoritmanın davranışı için matematiksel bir garanti sağlar.

4. Teknik Detaylar ve Matematiksel Biçimlendirme

Güvenlik özelliği, bir kriptografik oyun olarak formalize edilir. $\mathcal{A}$'yı olasılıksal polinom zamanında (PPT) çalışan bir düşman olarak tanımlayalım. $\text{Gen}(policy)$'yi şifre üretim algoritması, $\text{Random}(policy)$'yi ise, $policy$'yi sağlayan tüm dizgiler arasından tekdüze rastgele bir dizgi çıktılayan ideal bir üreteç olarak tanımlayalım. $\mathcal{A}$'nın bunları ayırt etme avantajı şu şekilde tanımlanır:

$\text{Adv}_{\text{Gen}}^{\text{dist}}(\mathcal{A}) = |\Pr[\mathcal{A}(\text{Gen}(policy)) = 1] - \Pr[\mathcal{A}(\text{Random}(policy)) = 1]|$

Eğer tüm PPT hasımlar $\mathcal{A}$ için bu avantaj ihmal edilebilir ise, algoritma güvenli kabul edilir, yani $\text{Adv}_{\text{Gen}}^{\text{dist}}(\mathcal{A}) \leq \epsilon(\lambda)$; burada $\epsilon$, güvenlik parametresi $\lambda$'nın ihmal edilebilir bir fonksiyonudur. EasyCrypt'teki ispat, bu avantajı sınırlamak için bir dizi oyun (Game$_0$, Game$_1$, ...) oluşturur ve genellikle temeldeki sözde rastgele sayı üretecinin güvenli olduğu varsayımına dayanır.

5. Deneysel Sonuçlar ve Grafik Açıklamaları

PDF esas olarak biçimsel belirtimlere ve kanıt stratejilerine odaklansa da, somut çıktı doğrulanmış bir referans uygulamadır. Buradaki "deney", EasyCrypt ortamında başarıyla tamamlanan biçimsel kanıtları ifade eder. Bu, doğruluk için bir plan sunar.

Kavramsal diyagram açıklaması: Akış şemaları, doğrulanmış algoritmaları etkili bir şekilde görselleştirebilir:

1. Başla: Kullanıcı giriş stratejisi (uzunluk L, karakter setleri S1...Sn ve bunların minimum/maksimum sayıları).
2. Adım 1 - Minimumları Karşılama: 对于每个 min_i > 0 的字符集 Si，从 Si 中生成 min_i 个随机字符。计数器：已生成 $\sum min_i$ 个字符。
3. Adım 2 - Uzunluğu L'ye tamamlama: 令 $\text{Remaining} = L - \sum min_i$。当 Remaining > 0 时：从所有 current_count(Si) < max_i 的字符集 Si 中创建一个池。从此池中选择一个随机字符。Remaining 减 1。
4. Adım 3 - Rastgele sıralama: L karakterlik listeye kriptografik olarak güvenli rastgele bir permütasyon uygulanır (Fisher-Yates karıştırma algoritması).
5. Adım 4 - Çıktı: Nihai karıştırılmış dize çıktılanır. Bu adımın yeşil onay işareti "Formal Doğrulama (EasyCrypt): Doğruluk ve Rastgelelik" olarak etiketlenmiştir.

6. Analitik Çerçeve: Örnek Vaka

Senaryo: "Benzer Karakterleri Hariç Tut" seçeneği etkinleştirildiğinde (örneğin, 'l', 'I', 'O', '0' hariç tutulduğunda), algoritmanın ince sapmalardan kaçınabildiği doğrulanır.

Potansiyel Kusurlar (Doğrulanmamış): Basit bir uygulama, önce tam karakter kümesinden bir şifre oluşturup ardından hariç tutulan karakterleri kaldırabilir; bu, şifrenin kısalmasına veya kalan karakter kümesinin dağılımının değişmesine yol açarak politikayı ihlal edebilir veya sapma getirebilir.

Biçimsel Doğrulama Yöntemleri: EasyCrypt'te, karakter kümesini $\text{Alphabet}_{\text{final}} = \text{Alphabet}_{\text{full}} \setminus \text{ExcludedSet}$ olarak belirleriz. Ardından, kanıt, üretim sürecinin (yukarıdaki 1. ve 2. adımlar) ilgili karakter kümesi $\text{Alphabet}_{\text{final}}$'dan düzgün bir şekilde örneklediğini ve minimum/maksimum kısıtlamalarının bu daraltılmış küme için doğru değerlendirildiğini gösterecektir. Bu yapı, bu kusuru ortadan kaldırır.

Kod Olmayan Ürünler: EasyCrypt'teki karakter seçim adımının biçimsel şartnamesi, örnekleme havuzunu mantıksal olarak tanımlayarak hariç tutulan karakterlerin asla kaynağın bir parçası olmamasını sağlayacaktır.

7. Temel Görüşler ve Analiz Perspektifleri

Temel Kavrayışlar: Bu makalenin temel katkısı, parola yöneticilerinin güven modelini "kod incelemesi ve test yoluyla güvenliği ummak"tan "biçimsel doğrulama yoluyla matematiksel olarak kanıtlanmış güvenlik"e dönüştürmesidir. Çalışma, parola oluşturucunun, bir kusuru olması durumunda yöneticinin tüm güvenlik önermesini geçersiz kılacak kritik bir güven unsuru – tek bir hata noktası – olduğunu doğru bir şekilde tanımlamaktadır. Bu çalışma, TLS protokolünün (Project Everest) veya kripto kütüphanelerinin (HACL*) biçimsel doğrulamasına benzer şekilde, uygulamalı kriptografideki çok önemli ancak yeterince takdir edilmemiş bir eğilimin parçasıdır.

Mantık Akışı: Argümantasyon makuldür: 1) Güvenlik şeffaf olmadığı için kullanıcı güveni düşüktür. 2) Parola oluşturma, ince hatalara (örneğin, yanlılık, politika ihlalleri) açık kritik ve karmaşık bir bileşendir. 3) Biçimsel yöntemler en yüksek düzeyde güvence sağlar. 4) EasyCrypt bu doğrulama için pratik bir çerçeve sunar. 5) Doğrulanmış referans uygulaması, sektör için altın standart olarak hizmet edebilir.

Avantajlar ve Eksiklikler: Avantajlar: Belirli ve yüksek etkili bir soruna odaklanmak mükemmel. Olgun oyun tabanlı kanıt aracı EasyCrypt'i kullanmak pragmatik. Gerçek dünya şifre yöneticisi algoritmalarının analizi, araştırmayı pratiğe dayandırıyor.Eksiklikler: Bu makale, bir "yol gösterici" niteliğindedir - bir temel oluşturur, ancak herhangi bir ana akım şifre yöneticisinin tüm politikaları için eksiksiz, gerçek dünyada test edilmiş bir doğrulama uygulaması sunmaz. Asıl zorluk, ticari şifre politikalarının karmaşıklığında (KeePass'in geniş seçenekleri gibi) yatar; bu, doğrulama durum uzayının patlamasına neden olabilir. Ayrıca, odadaki fili görmezden gelir: şifre yöneticisinin çevre sistemlerinin (kullanıcı arayüzü, bellek, depolama, otomatik doldurma) güvenliği de en az o kadar kritiktir, tıpkıNCC Groupgibi kuruluşların araştırmalarının işaret ettiği gibi.

Uygulanabilir içgörüler: 1)Parola yöneticisi sağlayıcıları için: Bu doğrulanmış referans uygulamasını benimseyin veya çapraz kontrol için kullanın. Tam kullanıcı arayüzü politika motoru henüz doğrulanmamış olsa bile, çekirdek oluşturma mantığının doğrulanmasıyla başlayın. 2)Güvenlik Denetçileri İçin: Çekirdek kriptografi modülünün, incelenmiş kriptografik ilkellerin kullanımına benzer yeni bir en iyi uygulama olarak kabul edilmesi için biçimsel doğrulamasının yapılması gerekmektedir.3)Araştırmacılar İçin: Bu çalışmayı, jeneratörün kriptografik olarak güvenli rastgele sayı üreteçleri ve sistem entropi kaynakları ile entegrasyonunu doğrulamak için genişletin - bir zincirin gücü en zayıf halkasına bağlıdır. Bu alan, doğrulanmış uçtan uca bileşenlerin gerçekleştirilmesine, benzer şekildeseL4gibi doğrulanmış işletim sistemlerinin arkasındaki vizyona odaklanmalıdır.

8. Uygulama Öngörüleri ve Gelecek Yönelimler

Doğrudan uygulama, Bitwarden ve KeePass gibi açık kaynak şifre yöneticilerine entegre edilebilen, böylece güvenilirliklerini önemli ölçüde artıran, hazır kullanıma uygun, doğrulanmış bir şifre oluşturma kütüphanesi geliştirmektir. Geleceğe bakıldığında:

• Standardizasyon: Bu çalışma, doğrulanabilir bir uygulamayla birlikte, NIST SP 800-63B'ye benzer şekilde, kriptografik olarak güvenli parola oluşturma için biçimsel standartların (örneğin IETF RFC) geliştirilmesine referans sağlayabilir.
• Tarayıcı ve İşletim Sistemi Entegrasyonu: Chrome, Firefox ve iOS/macOS Anahtar Zinciri gibi büyük platformlar, doğrulanmış üreteçleri benimseyerek milyarlarca kullanıcı için güvenlik temel seviyesini yükseltebilir.
• Diğer Alanlara Genişletme: Bu metodoloji, API anahtarları, token'lar veya kurtarma kodları gibi diğer rastgele dize oluşturma ihtiyaçlarına doğrudan uygulanabilir.
• Otomatik Strateji Uyumluluğu: Gelecekteki araçlar, kullanıcı tanımlı stratejiler için otomatik olarak biçimsel kanıtlar oluşturabilir, böylece benzersiz strateji gereksinimleri olan kurumsal şifre yöneticileri de yüksek güvenceli oluşturma yeteneği elde edebilir.
• Karma Yöntem: Parola yöneticisi yığınının doğrulanmamış kısımları için, biçimsel doğrulamayı (örneğin AFL++ gibi araçlarla) bulanık testle birleştirmek, güçlü çok katmanlı bir savunma sağlayabilir.

Nihai yönelim, tüm kritik güvenlik alt sistemini kademeli olarak biçimsel olarak doğrulamak ve sektörü pasif yama uygulamaktan aktif kanıtlamaya dayalı güvenliğe doğru ilerletmektir.

9. Kaynakça

1. Grilo, M., Ferreira, J. F., & Almeida, J. B. (2021). Towards Formal Verification of Password Generation Algorithms used in Password Managers. arXiv preprint arXiv:2106.03626.
2. Barthe, G., Dupressoir, F., Grégoire, B., Kunz, C., Schmidt, B., & Strub, P. Y. (2014). EasyCrypt: A framework for formal cryptographic proofs. Kriptoloji Dergisi.
3. Shoup, V. (2004). Oyun dizileri: güvenlik kanıtlarında karmaşıklığı kontrol altına almak için bir araç. IACR Cryptology ePrint Archive.
4. NCC Group. (2023). Parola Yöneticisi Güvenlik İncelemesi. Erişim adresi: https://www.nccgroup.com
5. Klein, G., et al. (2009). seL4: Bir OS çekirdeğinin biçimsel doğrulaması. ACM SIGOPS 22. İşletim Sistemleri Prensipleri Sempozyumu Bildiriler Kitabı.
6. National Institute of Standards and Technology (NIST). (2017). Dijital Kimlik Kılavuzları: Kimlik Doğrulama ve Yaşam Döngüsü Yönetimi (SP 800-63B).