Argon2 (Argon2)

Argon2

Argon2 — функция формирования ключа, разработанная Алексом Бирюковым (англ. Alex Biryukov), Даниэлем Дину (англ. Daniel Dinu) и Дмитрием Ховратовичем (англ. Dmitry Khovratovich) из Университета Люксембурга в 2015 году.

Это современный простой алгоритм, направленный на высокую скорость заполнения памяти и эффективное использование нескольких вычислительных блоков. Алгоритм выпущен под лицензией Creative Commons.

История

В 2013 году был объявлен конкурс Password Hashing Competition о создании новой функции хеширования паролей. К новому алгоритму предъявлялись требования по объёму используемой памяти, количеству проходов по блокам памяти и по устойчивости к криптоанализу.

В 2015 году Argon2 был объявлен победителем конкурса. С того времени алгоритм претерпел 4 серьёзных изменения. Исправлены часть описаний алгоритмов генерации некоторых блоков и опечатки, добавлены рекомендуемые параметры.

Входные данные

Argon2 использует основные и дополнительные параметры для хеширования:

Основные:

• Сообщение (пароль) $P$, длиной от $0$ до $2^{32}-1$.
• Соль S, длиной от $8$ до $2^{32}-1$.

Дополнительные:

• Степень параллелизма $p$, любое целое число от $1$ до $2^{24}-1$ — количество потоков, на которое можно распараллелить алгоритм.
• Длина тэга $\tau$, длиной от $4$ до $2^{32}-1$.
• Объём памяти $m$, целое число килобайтов от $8p$ до $2^{32}-1$
• Количество итераций $t$

Версии алгоритма

Существуют две версии алгоритма:

• Argon2d — подходит для защиты цифровой валюты и информационных систем, не подверженных атакам по сторонним каналам.
• Argon2i — обеспечивает высокую защиту от trade-off атак, но работает медленнее версии d из-за нескольких проходов по памяти.

Описание

Схема работы Argon2

Argon2 работает по следующему принципу:

1. Производится хеширование пароля с использованием хеш-функции Blake2b.
2. Результат хеширования записывается в блоки памяти.
3. Блоки памяти преобразуются с использованием функции сжатия $G$
4. В результате работы алгоритма генерируется ключ (англ. Tag).

Заполнение блоков памяти

$B[0]=H(P,S)$

$B[j]=G(B[\phi _{1}(j)],B[\phi _{2}(j)],...,B[\phi _{k}(j)])$, $j=1...t$, где

$\phi _{k}(j)$ — функция индексирования, $B[]$ — массив памяти, $G$ — функция сжатия, $P$ — сообщение(пароль), $H$ — хеш-функция Blake2b.

Функции индексирования зависит от версии алгоритма Argon2:

• Argon2d — $\phi$ зависит от предыдущего блока

• Argon2i — $\phi$ значение, определяемое генератором случайных чисел.

В случае последовательного режима работы функция сжатия применяется $m$ раз. Для версии Argon2d на $i$-м шаге на вход функции $G$ подаётся блок с индексом $\phi (i)$, определяемый предыдущим блоком $\phi (i)=g(B[i])$. Для версии Argon2i берётся значение генератора случайных чисел ($G$ в режиме счётчика).

В случае параллельного режима (алгоритм распараллеливается на $p$ тредов) данные распределятся по блокам матрицы $B[i][j]$, где первые блоки — результат хеширования входных данных, а следующие задаются функцией сжатия $G$ по предыдущим блокам и опорному блоку $B^{1}[i'][j']$:

$B^{1}[i][0]=H'(\ H_{0}\ ||\ {\underset {4bytes}{0}}\ ||\ {\underset {4bytes}{i}}\ ),0\leq i<p$

$B^{1}[i][1]=H'(\ H_{0}\ ||\ {\underset {4bytes}{1}}\ ||\ {\underset {4bytes}{i}}\ ),0\leq i<p$

$B^{1}[i][j]=G(B^{1}[i][j-1],B^{1}[i'][j']),0\leq i<p$

$B^{t}[i][0]=G(B^{t-1}[i][q-1],B^{1}[i'][j'])\oplus B^{t-1}[i][0]$

$B^{t}[i][j]=G(B^{t}[i][j-1],B^{1}[i'][j'])\oplus B^{t-1}[i][j]$

$q={m' \over p}\ \ \ \ \ m'=\lfloor {m \over 4p}\rfloor 4p$, где $m'$ — количество блоков памяти размером 1024 байта, $H_{0}$ — хеш-функция, принимающая на вход 32-битное представление входных параметров, на выходе которой — 64-битное значение, $H'$ — хеш-функция переменной длины от $H$, $m$ — объём памяти, $t$ — количество итераций.

В итоге:

$B_{final}=B^{T}[0][q-1]\oplus B^{T}[1][q-1]\oplus ...\oplus B^{T}[p-1][q-1]$

$Tag\leftarrow H'(B_{final})$

Нахождение опорного блока

• Argon2d: выбираются первые 32 бита для $J_{1}$ и следующие 32 бита для $J_{2}$ из блоков $B[i][j-1]$
• Argon2i: $(J_{1}||J_{2})=G^{2}(null_{1024},{r||l||s||m'||t||y||i||null_{968}})$, где $r$- номер итерации, $l$ — номер линии, $y$ — задаёт версию (в данном случае единица)

Далее определяется индекс $l=J_{2}mod\ p$ строки, откуда берётся блок. При $r=0,s=0$ за текущий номер линии принимается значение $l$ . Затем определяется набор индексов $R$ по 2 правилам:

1. Если $l$ совпадает с номером текущей строки, то в набор индексов добавляются все не записанные ранее блоки без $B[i][j-1]$
2. Если $l$ не совпадает, то берутся блоки из всех сегментов линии и последних $S-1=3$ частей.

В итоге, вычисляется номер блока из $r$, который принимается за опорный:

$z=|R|-1-({\frac {|R|*((J_{1})^{2}/2^{32})}{2^{32}}})$

Функция H'

Argon2

Blake2b — 64 битная версия функции BLAKE, поэтому $H'$ строится следующим образом:

$if\ \tau \ \leq \ 64$

$H'(X)=H_{\tau }(\tau ||X).$

При больших $\tau$ выходное значение функции строится по первым 32 битам блоков — $A_{i}$ и последнему блоку $V_{i}$ :

$r=\lceil \tau /32\rceil -2$

$V_{1}\longleftarrow H_{64}(\tau ||X)$

$V_{r+1}\longleftarrow H_{\tau -32r}(V_{r})$

$H'(X)=A_{1}||A_{2}||...A_{r}||V_{r+1}$

Функция сжатия G

Основана на функции сжатия $P$ Blake2b. На вход получает два 8192-битных блока и вырабатывает 1024-битный блок. Сначала два блока складываются ($A=X\oplus Y$), затем матрица $A_{8,8}$ обрабатывается функцией $P$ построчно ($A\longrightarrow Q$), затем получившаяся матрица обрабатывается по столбцам ($Q\longrightarrow Z$), и на выходе $G$ выдаётся $Z\oplus A$.

Криптоанализ

Защита от коллизий: сама функция Blake2b считается криптографически безопасной. Также, ссылаясь на правила индексирования, авторы алгоритма доказали отсутствие коллизий внутри блоков данных и низкую вероятность их появления при применении функции сжатия.

Атака нахождения прообраза: пусть злоумышленник подобрал $m$ такое, что $G(m)=h$, тогда для продолжения данной атаки он должен подобрать прообраз $n$: $H(n)=m$, что невозможно. Такое же рассуждение подходит для атаки нахождения второго прообраза.

Атаки по времени: если пользователю необходимо адаптироваться к атаке по времени, то следует использовать версию Argon2i, так как она использует независимую память.

Атаки

Memory optimization attack

Дэн Боне, Henry Corrigan-Gibbs и Stuart Schechter в своей работе показали уязвимость Argon2i версии 1.2. Для однопроходной версии их атака снижала расход памяти в 4 раза без замедления выполнения. Для многопроходной версии — в 2,72 раза. Позднее, в версии 1.3 операция перезаписи была заменена на XOR.

AB16

Joel Alwen и Jeremiah Blocki в своих работах доказали, что их алгоритм атаки AB16 эффективен не только для Argon2i-A (из первой версии спецификации), но и для Argon2i-B (из последней версии 1.3). Они показали, что атака на Argon2 при $t=6$, используя 1 GB ОЗУ, снижает время вычисления в два раза. Для эффективной защиты необходимо задать больше 10 проходов. Но при рекомендуемом подходе выбора параметров алгоритма на практике часто может выбираться всего лишь 1 проход. Разработчики Argon2 утверждают, что, применяя атаку AB16 на Argon2i-B при $t\geq 4$, время уменьшается не более чем в 2 раза вплоть до использования 32 GB памяти и рекомендуют использовать число проходов, превышающее значение двоичного логарифма от размера^{[уточнить]} используемой памяти.

The ranking tradeoff attack

Данная атака является одной из самых эффективных для Argon2d. Она снижает время обработки в 1,33 раза. Для Argon2i при $t>2$ коэффициент равен 3.

Garbage collector attacks

Основным условием для представленной атаки является доступ злоумышленника к внутренней памяти целевой машины либо после прекращения схемы хеширования, либо в какой-то момент, когда сам пароль ещё присутствует в памяти. Благодаря перезаписи информации с помощью функции $G$, Argon2i и Argon2d устойчивы к данным атакам.

Применение

Argon2 оптимизирован под x86-архитектуру и может быть реализован на Linux, OS X, Windows.

Argon2d предназначен для систем, где злоумышленник не получает регулярного доступа к системной памяти или процессору. Например, для backend-серверов и криптомайнеров. При использовании одного ядра на 2-GHz CPU и 250 MB оперативной памяти с Argon2d (p=2) криптомайнинг занимает 0,1 с, а при применении 4 ядер и 4 GB памяти (p=8) аутентификация на backend сервере проходит за 0,5 с.

Argon2i больше подходит для frontend-серверов и шифрования жёсткого диска. Формирование ключа для шифрования на 2-GHz CPU, используя 2 ядра и 6 GB оперативной памяти, с Argon2i (p=4) занимает 3 с, в то время как аутентификация на frontend-сервере, задействовав 2 ядра и 1 GB памяти с Argon2i (p=4), занимает 0,5 с.

Литература

• Joel Alwen, Jeremiah Blocki. Efficiently Computing Data-Independent Memory-Hard Functions. — Advances in Cryptology – CRYPTO 2016, 2016. — P. 241—271. — ISBN 978-3-662-53008-5.
• Dan Boneh, Henry Corrigan-Gibbs, Stuart Schechter. Balloon Hashing: A Memory-Hard Function Providing Provable Protection Against Sequential Attacks. — Advances in Cryptology – ASIACRYPT 2016, 2016. — P. 220—248. — ISBN 978-3-662-53887-6.
• Password Hashing Competition  (неопр.).
• Alex Biryukov, Daniel Dinu, Dmitry Khovratovich. Argon2: new generation of memory-hard functions for password hashing and other applications. — European Symposium on Security and Privacy, 2016.
• Christian Forler, Eik List, Stefan Lucks, Jakob Wenzel. Overview of the Candidates for the Password Hashing Competition and their resistance against Garbage-Collector Attacks. — Technology and Practice of Passwords, 2015. — P. 3—18. — ISBN 978-3-319-24192-0.

Ссылки

• https://github.com/P-H-C/phc-winner-argon2
• https://www.cryptolux.org/index.php/Argon2
• https://github.com/khovratovich/Argon2 (ранняя версия функции)