04. User Authentication

RFC 2828. 사용자 인증의 정의

시스템 개체에 의해 또는 시스템 개체를 위해 주장된 신원을 검증하는 과정

Authentication Process

• Identification(식별) 단계
  • 보안 시스템에 식별자(identifier)를 제시
• Verification(검증) 단계
  • 개체와 식별자 간의 바인딩(binding)을 확증하는 인증 정보를 제시하거나 생성
• 근본적인 구성 요소이자 주요 방어선
• 접근 제어(access control) 및 user accountability의 기반

User Authentication

• 사용자 신원을 인증하는 네 가지 수단

1. 개인이 아는 것(Something the individual knows)

• 암호(Password), PIN, 정해진 특정 질문에 대한 대답

2. 개인이 소유한 것(Something the individual possesses) (토큰)

• 스마트카드, 전자 열쇠 카드, 물리적 열쇠

3. 개인의 존재(Something the individual is) (정적인 생체 정보, static biometrics)

• 지문, 망막(Retina), 얼굴

4. 개인이 하는 행동(Something the individual does) (동적인 생체 정보, dynamic biometrics)

• 음성 패턴, 필체(handwriting), typing rhythm

Password Authentication

• 침입자에 대한 널리 사용되는 방식
• 사용자는 name/login과 password를 제공
• 시스템은 해당 로그인에 대해 저장된 암호와 비교하여, 맞으면 로그인에 성공
• 사용자 ID:
  • 사용자가 시스템에 접근할 권한이 있는지 결정
  • 사용자의 권한을 결정
  • 임의 접근 제어(DAC, discretionary access control)에 사용됨.

Password Vulnerabilities

• 오프라인 딕셔너리 공격(Offline dictionary attack)
• 특정 계정 공격(Specific account attack): 특정 target user를 정해서, 개인정보도 함께 알아냄
• 주요한 암호 공격(Popular password attack): 1111 같은
• 단일 사용자에 대한 암호 추측(Password guessing against single user)
• 워크스테이션 하이재킹(Workstation hijacking): 사용자가 잠시 자리를 비운 사이에 명령어 실행
• 사용자 실수 악용(Exploiting user mistakes): URL을 전송하고 접속하여 로그인하라는 식
• 다중 암호 사용 악용(Exploiting multiple password use): 하나의 PW를 여러 사이트에서 사용하는 경우, 취약한 사이트의 정보를 먼저 알아냄
• 전자적 감시(Electronic monitoring): 암호화되지 않고 전송되는 경우

Countermeasures

• Password file에 대한 무단 접근을 방지하기 위한 통제
• 침입 탐지(Intrusion detection) 조치
• 암호가 유출된 경우 신속한 암호 재발급 조치
• 계정 잠금(Account lockout) 메커니즘: 몇 번 이상 틀린 경우
• 사용자가 흔한, 간단한 암호를 선택하는 것을 금지하는 policy
• 암호 정책에 대한 교육 및 시행
  • 9자 이상
  • 대/소문자, 특수 문자, 숫자 등 포함
• 자동 워크스테이션 로그아웃: 화면 잠금장치 등 통해서
• 네트워크 장치에서 유사한 암호 사용을 금지하는 policy

Use of Hashed Passwords (in UNIX)

사용자가 암호를 설정하면,

• Salt라고 하는 random한 값을 함께 concatnate함.
• 시스템은 hash 함수(hash function)를 적용하여 이를 암호화하고, hash값을 저장.
• 이에 따라 ID마다 salt값이 다르게 됨
• 사용자 암호 파일에 저장된 hash된 암호와 비교하여 인증을 수행 - 같으면 login 성공

How Password Salt Works

• Salt 미사용 시:
  1. 사용자가 사용자 ID X와 암호 P를 입력.
  2. 시스템이 X의 암호에 대한 저장된 hash H를 조회.
  3. 시스템이 $h(P) = H$인지 테스트.
  • 암호 파일: ... X: H ...
• Salt 사용 시:
  1. 사용자가 사용자 ID X와 암호 P를 입력.
  2. 시스템이 S와 H를 조회. 여기서 S는 사용자 ID X에 대한 무작위 salt(salt)이고 H는 S와 X의 암호를 결합한 값의 저장된 hash.
  3. 시스템이 $h(S||P) = H$인지 테스트.
  • 암호 파일: ... X: S, H ...

How Salt Increases Search Space Size

• 공격자가 공격하려는 사용자 ID와 연관된 salt를 찾을 수 없다고 가정하면, salt가 적용된 암호에 대한 딕셔너리 공격의 탐색 공간(search space) 크기는 $2^B \times D$임. 여기서 $B$는 무작위 salt의 비트 수이고 $D$는 딕셔너리 공격을 위한 단어 목록의 크기.
• 예를 들어, 시스템이 각 사용자 ID에 대해 32비트 salt를 사용하고 사용자가 500,000단어 dictionary에 있는 password를 선택하는 경우, salt가 적용된 password를 공격하기 위한 탐색 공간은 $2^{32} \times 500,000 = 2,147,483,648,000,000$으로, 이는 약 2천조 이상.
• 공격자가 사용자 ID에 대한 salt password를 찾아내더라도 오직 하나의 password만 알게 됨.

UNIX Implementation

• 기존 방식(Original scheme)
  • 최대 8개의 printable characters in length
  • DES 암호화를 단방향 hash 함수로 수정하기 위해 12비트 salt 사용
  • 0 값을 25회 반복적으로 암호화
  • 출력을 11개의 문자 시퀀스로 변환
• 현재는 부적절한 것으로 간주됨.
  • 여전히 기존 계정 관리 소프트웨어나 다중 벤더 환경과의 호환성을 위해 종종 요구됨.

Improved Implementations

• Unix에서 사용 가능한 훨씬 강력한 hash/salt 방식
• 권장되는 hash 함수는 MD5에 기반함.
  • 최대 48비트의 salt
  • 암호 길이는 무제한
  • 128비트 hash 생성
  • 속도 저하를 위해 1000회 반복되는 내부 루프 사용
• OpenBSD는 Bcrypt라는 Blowfish 블록 암호 기반 hash 알고리즘을 사용
  • Unix hash/salt 방식 중 가장 안전한 버전
  • 128비트 salt를 사용하여 192비트 hash 값 생성

Password Cracking

• 딕셔너리 공격(Dictionary attacks)
  • 가능한 암호들이 포함된 큰 규모의 사전을 개발하여 암호 파일들에 대해 각각 시도
  • 각 암호는 각 salt값을 사용하여 hash된 후 저장된 hash값과 비교되어야 함.
• 레인보우 테이블 공격(Rainbow table attacks)
  • 모든 salt에 대한 hash 값 테이블을 미리 계산
  • 거대한 hash값 테이블
  • 충분히 큰 salt값과 충분히 긴 hash 길이를 사용하여 대응 가능

Table 3.2 Passwords Cracked from a Sample Set of 13,797 Accounts

62,727개 단어 규모의 간단한 dictionary를 가지고도 전체 사용자의 24.2%에 해당하는 password를 해킹할 수 있었음.

Password File Access Control

• 암호화된 암호에 대한 접근을 거부함으로써 오프라인 추측 공격을 차단 가능
• 권한 있는 사용자에게만 접근 허용
• 섀도우 암호 파일(Shadow password file)
  • hash된 암호가 저장되는 사용자 ID와는 별개의 파일
• 취약점
  • 파일 접근을 허용하는 OS의 약점
  • 권한 설정 실수로 파일을 읽을 수 있게 됨
  • 다른 시스템에서 동일한 암호를 사용하는 사용자
  • 백업 미디어로부터의 접근
  • 네트워크 트래픽에서 plain text 암호 스니핑(sniffing)

Password Selection Techniques

1. 사용자 교육(User education)
   • 사용자에게 "추측하기 어려운" 암호 사용의 중요성을 알리고 강력한 암호 선택을 위한 guideline 제공
2. 컴퓨터 생성 암호(Computer generated passwords)
   • 사용자들이 기억하는 데 어려움을 겪음.
3. 사후 암호 검사(Reactive password checking)
   • 시스템이 주기적으로 자체 암호 cracker를 실행하여 추측 가능한 암호를 찾아냄.
4. 사전 암호 검사(Proactive password checking)
   • 사용자가 자신의 암호를 선택할 수 있도록 허용하지만, 시스템은 암호가 허용 가능한지 확인하고 그렇지 않으면 거부함.
   • 목표는 사용자가 기억하기 쉬운 암호를 선택하도록 허용하면서 추측 가능한 암호를 제거하는 것.

Proactive Password Checking

• 규칙 강제(Rule enforcement)
  • 암호가 준수해야 하는 특정 규칙
• 암호 크래커(Password cracker)
  • 사용하지 말아야 할 암호의 large dictionary를 compile
• 블룸 필터(Bloom filter)
  • hash를 사용하여 dictionary에 기반한 테이블을 구축하는 데 사용
  • 원하는 암호를 이 테이블과 비교하여 확인

Bloom Filter

• Bloom filter는 어떤 항목이 특정 집합에 속하는지 여부를 확률적으로 검사하는 데이터 구조
• 각 항목을 여러 hash 함수에 통과시켜 비트 배열의 특정 위치를 1로 설정
• 특정 항목 $w$의 소속 여부를 확인하고자 할 때, 해당 항목을 동일한 hash 함수들로 처리하여 비트 배열의 해당 위치들이 모두 1인지 확인 모두 1이면 해당 항목은 집합에 속할 가능성이 높다고 판단
• False Negative = 0
• False Positive > 0 (약간 있음)

Password Security – Login Scoring

• Login Scoring
  • 요청 데이터:
    • IP 주소(및 파생된 국가, ISP 등)
    • 브라우저의 사용자 에이전트(user agent)(및 OS, 버전 등)
    • 타임스탬프
    • 쿠키
  • Reputation scores(평판 점수)
    • 이전에 관찰된 공격 IP
  • 전역 카운터
    • ISP 또는 국가 수준 데이터 사용
  • 회원의 이전 (성공적인) 로그인 기록
• 사용자별 공격 데이터는 없음

일정 스코어 이상이면 바로 login 되지만, 그렇지 않은 경우에는 추가 인증을 요구하는, 기존의 패턴과 유사한 패턴인지를 score로 매기는 방식

Table 3.3 Types of Cards Used as Tokens

Memory Cards 메모리 카드

• 데이터를 저장할 수는 있지만 처리하지는 못함.
• 가장 흔한 것은 마그네틱 스트립 카드(magnetic stripe card).
• 내부 전자 메모리를 포함할 수 있음.
• 물리적 접근에 단독으로 사용 가능
  • 호텔 룸
  • ATM 기계
• 암호나 PIN과 결합될 때 훨씬 더 높은 보안을 제공 (분실할 수도 있기 때문)
• 메모리 카드의 단점:
  • special한 reader 필요
  • 토큰 분실
  • 사용자 불만족

Smartcard 스마트 카드

• 물리적 특징
  • 내장된 마이크로프로세서(microprocessor) 포함, 약간의 계산 요구
  • 은행 카드처럼 생긴 스마트 토큰
  • 계산기, 열쇠, 작은 휴대용 물체처럼 보일 수 있음.
• 인터페이스
  • 수동 인터페이스는 상호작용을 위한 키패드와 디스플레이를 포함
  • 전자 인터페이스는 호환되는 reader/writer와 통신
• 인증 프로토콜
  • 정적, 동적 암호 생성기, 챌린지-응답(challenge-response)의 세 가지 범주로 분류

Figure 3.3 Smart Card Dimensions

스마트 카드 칩은 내부적으로 CPU, crypto coprocessor, RAM, ROM, 전기 신호를 가지고 칩을 동작하게 하여 계산하도록 함.

Figure 3.4 Communication Initialization between a Smart Card and a Reader

• reader가 접점을 활성화하면, 스마트 카드는 ATR(Answer to Reset)을 전송함.
• 그 후, reader는 명령을 보내고 스마트 카드는 명령을 실행한 뒤 응답을 보냄.
• 출처: [TUNS06] 기반.

Biometric Authentication

• 고유한 신체적 특성에 기반하여 개인을 인증하려는 시도
• 패턴 인식(pattern recognition)에 기반함.
• 암호 및 토큰에 비해 기술적으로 복잡하고 비용이 많이 듦.
• 사용되는 신체적 특징:
  • 얼굴 특징
  • 지문
  • 손 모양
  • 망막(Retina) 패턴
  • 홍채(Iris)
  • 서명
  • 음성

Figure 3.5 Cost Versus Accuracy

• 이 graph는 다양한 인증 방법의 비용과 정확도 간의 관계를 보여줌.
• Iris는 정확도와 비용 모두 높음 - 군사적 목적으로 사용
• Finger, Retina도 정확성 측면에서 높음.

Figure 3.6 Operation of a Biometric System

• 일반적인 생체 인식 시스템의 작동 방식
  • Enrollment(등록)
  • Verification(인증) - 정확히 같은 값이 나오지는 않음, 따라서 어느 정도의 유사도가 나오면 인증 성공으로 간주해 주어야 함.
  • Identification(식별)

Biometric Accuracy

• 오거부율(FRR, False Reject Rate): 정상적인 사용자가 거부될 확률
• 오인식률(FAR, False Accept Rate): 비정상적인 사용자가 승인될 확률
• 두 분포 곡선이 교차하는 지점을 교차 에러율(CER, Crossover Error Rate) 또는 등가 에러율(EER, Equal Error Rate)이라 함.
  • 이 지점에서 FRR과 FAR이 같아짐.

Biometric Measurement Operating Characteristic Curves

• ROC(Receiver Operating Characteristic) 곡선은 결정 임계값(decision threshold)이 변함에 따라 FAR과 FRR 간의 상충 관계를 보여줌.
• 이상적인 시스템은 곡선이 왼쪽 하단 모서리에 가까움(FAR과 FRR이 모두 0에 가까움).
• EER은 곡선이 $FAR = FRR$인 선과 교차하는 지점.

Actual Biometric Measurement Operating Characteristic Curves

• 이 그래프는 지문, 얼굴, 음성에 대한 실제 ROC 곡선을 보여줌.
• 지문 인식의 경우 false match rate를 낮추더라도 false nonmatch rate가 크게 높아지지 않음
• Iris의 경우 높은 정확도로 군사적 목적으로 사용

Remote User Authentication

• 네트워크, 인터넷 또는 통신 링크를 통한 인증은 더 복잡함.
• 다음과 같은 추가적인 보안 위협 존재:
  • 도청(eavesdropping), 암호 캡쳐, 관찰된 인증 시퀀스 재전송(replaying)
• 일반적으로 위협에 대응하기 위해 어떤 형태의 challenge-response 프로토콜에 의존함.

Figure 3.10a Password Protocol

챌린지-응답 프로토콜의 예시

• 사용자는 원격 호스트에 신원을 전송
• 호스트는 임의의 숫자(논스, nonce)를 생성
• nonce가 사용자에게 return됨
• 사용자는 nonce와 암호 hash를 입력으로 하는 함수를 계산하여 결과를 host에 전송
• 호스트는 암호의 hash 코드를 저장
• 암호 hash가 인자 중 하나인 함수
• 임의의 숫자를 사용하면 공격자가 사용자 전송을 캡처하는 것에 대해 방어하는 데 도움이 됨.

Figure 3.10c Static Biometric Protocol

• 정적 생체 인식 프로토콜의 예시
• 사용자는 호스트에 ID를 전송
• 호스트는 임의의 숫자와 암호화를 위한 식별자로 응답
• 클라이언트 시스템은 사용자 측의 생체 인식 장치를 제어
• 클라이언트는 생체 정보를 캡처하여 임의의 숫자로 암호화한 후 호스트에 전송
• 호스트는 수신 메시지를 해독(decrypt)하고 로컬에 저장된 값과 비교
• 호스트는 수신된 장치 ID를 호스트 데이터베이스에 등록된 장치 목록과 비교하여 인증을 제공

Authentication Security Issues

• 도청(Eavesdropping)
  • 공격자가 사용자와의 물리적 근접성을 포함하는 어떤 종류의 공격으로 암호를 알아내려는 시도
• 호스트 공격(Host attacks)
  • 암호, 토큰 패스코드 또는 생체 인식 템플릿이 서버에 저장된 호스트의 사용자 파일을 대상으로 함
• 재전송(Replay)
  • 공격자가 이전에 캡처한 사용자 응답을 반복하여 전송하는 공격
• 클라이언트 공격(Client attacks)
  • 공격자가 원격 호스트나 중간 통신 경로에 접근하지 않고 사용자 인증을 달성하려는 시도
• 트로이 목마(Trojan horse)
  • 사용자 암호, 패스코드 또는 생체 인식을 캡쳐할 목적으로 진짜 애플리케이션이나 device인 것처럼 위장하는 애플리케이션 또는 물리적 device
• 서비스 거부(Denial-of-service)
  • 수많은 인증 시도로 사용자 인증 서비스를 마비시키려는 시도

Practical Application: Iris Biometric System

홍채 인식 기술을 활용한 login 시스템의 실제 적용 사례

Cloud Security using User Authentication

• 에이전트 없는 사용자 인증(네트워크 기반)
  • 네트워크 트래픽이 정상인가? -> 주기적 요청 -> 네트워크 트래픽
• 에이전트 기반 사용자 인증(Challenge-response 기반)
  • 사용자 패턴이 정상인가? -> 정상이 아니면, 사용자를 다시 확인하기 위해 챌린지를 만들어 전송! -> 챌린지(이벤트) -> 응답(행동 패턴) -> 현재 행동 패턴

Continuous Authentication

• 프레임워크 Initial Login Authentication -> Continuous Authentication <-> Enrollment Temlate Update <-> Re-login Authentication
• 생체인식(Biometrics)
  • 소프트 생체인식(Soft biometric)
    • "개인에 대한 일부 정보를 제공하지만, 두 개인을 충분히 구별할 수 있는 독특함이 부족한 특성"으로 정의됨.
    • 예: 성별, 민족, 눈/피부/머리 색깔, 키, 몸무게 등
  • 하드 생체인식(Hard biometric)
    • 예: 지문, 얼굴, 홍채, 손바닥 정맥

Continuous Authentication - Examples

• PC의 웹캠(Web-CAM) 사용
  • 얼굴이나 옷차림 등
• 모바일 장치의 센서 사용
  • 수많은 sensor들이 있고, 이 정보를 수집하여 판단
  • Mobile device의 가속도계(accelerometer) 사용
  • 서로 다른 두 사람(Person A, Person B)의 걸음걸이에서 측정된 가속도계 데이터(x, y, z축)는 뚜렷하게 다른 패턴을 보임.

Authentication System

• 사용자 등록(학습/Modeling) 과정
  1. 사용자 데이터 추출
  2. 특징 계산
  3. 특징 DB에 저장
  4. 저장된 특징 DB로 랜덤 포레스트(Random Forest) 모델 학습
• 사용자 인증(Testing) 과정
  1. 사용자 데이터 추출
  2. 특징 계산
  3. 특징을 분류 모델(예: 랜덤 포레스트)을 사용하여 예측
  4. 현재 사용자인지 여부에 따라 인증 성공 또는 실패 결정

Summary

• 사용자 신원 인증의 네 가지 수단
  • 개인이 아는 것
  • 개인이 소유한 것
  • 개인의 존재
  • 개인이 하는 행동
• 암호의 취약점
  • 오프라인 dictionary attack, 특정 계정 공격, 인기 있는 암호 공격, 단일 사용자에 대한 암호 추측, 워크스테이션 하이재킹, 사용자 실수 악용, 다중 암호 사용 악용, 전자적 감시
• hash된 암호와 salt값
• 암호 파일 접근 제어
• 암호 선택 전략
  • 사용자 교육
  • 컴퓨터 생성 암호
  • 사후 암호 검사
  • 사전 암호 검사
  • 블룸 필터
• 토큰 기반 인증
  • 메모리 카드
  • 스마트 카드
• 생체 인식 인증
• 원격 사용자 인증
  • 암호 프로토콜
  • 토큰 프로토콜
  • 정적 생체 인식 프로토콜
  • 동적 생체 인식 프로토콜