updates.
[crypto.git] / doc / draft-riikonen-silc-ke-auth-06.nroff
1 .pl 10.0i
2 .po 0
3 .ll 7.2i
4 .lt 7.2i
5 .nr LL 7.2i
6 .nr LT 7.2i
7 .ds LF Riikonen
8 .ds RF FORMFEED[Page %]
9 .ds CF
10 .ds LH Internet-Draft
11 .ds RH 15 May 2002
12 .ds CH
13 .na
14 .hy 0
15 .in 0
16 .nf
17 Network Working Group                                        P. Riikonen
18 Internet-Draft
19 draft-riikonen-silc-ke-auth-05.txt                           15 May 2002
20 Expires: 15 November 2002
21
22 .in 3
23
24 .ce 2
25 SILC Key Exchange and Authentication Protocols
26 <draft-riikonen-silc-ke-auth-05.txt>
27
28 .ti 0
29 Status of this Memo
30
31 This document is an Internet-Draft and is in full conformance with
32 all provisions of Section 10 of RFC 2026.  Internet-Drafts are
33 working documents of the Internet Engineering Task Force (IETF), its
34 areas, and its working groups.  Note that other groups may also
35 distribute working documents as Internet-Drafts.
36
37 Internet-Drafts are draft documents valid for a maximum of six months
38 and may be updated, replaced, or obsoleted by other documents at any
39 time.  It is inappropriate to use Internet-Drafts as reference
40 material or to cite them other than as "work in progress."
41
42 The list of current Internet-Drafts can be accessed at
43 http://www.ietf.org/ietf/1id-abstracts.txt
44
45 The list of Internet-Draft Shadow Directories can be accessed at
46 http://www.ietf.org/shadow.html
47
48 The distribution of this memo is unlimited.
49
50
51 .ti 0
52 Abstract
53
54 This memo describes two protocols used in the Secure Internet Live
55 Conferencing (SILC) protocol, specified in the Secure Internet Live
56 Conferencing, Protocol Specification internet-draft [SILC1].  The
57 SILC Key Exchange (SKE) protocol provides secure key exchange between
58 two parties resulting into shared secret key material.  The protocol
59 is based on Diffie-Hellman key exchange algorithm and its functionality
60 is derived from several key exchange protocols.  SKE uses best parts
61 of the SSH2 Key Exchange protocol, Station-To-Station (STS) protocol
62 and the OAKLEY Key Determination protocol [OAKLEY].
63
64 The SILC Connection Authentication protocol provides user level
65 authentication used when creating connections in SILC network.  The
66 protocol is transparent to the authentication data which means that it
67 can be used to authenticate the user with, for example, passphrase
68 (pre-shared-secret) or public key (and certificate).
69
70
71
72 .ti 0
73 Table of Contents
74
75 .nf
76 1 Introduction ..................................................  2
77   1.1 Requirements Terminology ..................................  3
78 2 SILC Key Exchange Protocol ....................................  3
79   2.1 Key Exchange Payloads .....................................  4
80       2.1.1 Key Exchange Start Payload ..........................  4
81       2.1.2 Key Exchange Payload ................................  8
82   2.2 Key Exchange Procedure .................................... 10
83   2.3 Processing the Key Material ............................... 12
84   2.4 SILC Key Exchange Groups .................................. 14
85       2.4.1 diffie-hellman-group1 ............................... 14
86       2.4.2 diffie-hellman-group2 ............................... 14
87   2.5 Key Exchange Status Types ................................. 15
88 3 SILC Connection Authentication Protocol ....................... 16
89   3.1 Connection Auth Payload ................................... 18
90   3.2 Connection Authentication Types ........................... 19
91       3.2.1 Passphrase Authentication ........................... 19
92       3.2.2 Public Key Authentication ........................... 20
93   3.3 Connection Authentication Status Types .................... 20
94 4 Security Considerations ....................................... 21
95 5 References .................................................... 21
96 6 Author's Address .............................................. 22
97
98
99 .ti 0
100 List of Figures
101
102 .nf
103 Figure 1:  Key Exchange Start Payload
104 Figure 2:  Key Exchange Payload
105 Figure 3:  Connection Auth Payload
106
107
108 .ti 0
109 1 Introduction
110
111 This memo describes two protocols used in the Secure Internet Live
112 Conferencing (SILC) protocol specified in the Secure Internet Live
113 Conferencing, Protocol Specification Internet-Draft [SILC1].  The
114 SILC Key Exchange (SKE) protocol provides secure key exchange between
115 two parties resulting into shared secret key material.  The protocol
116 is based on Diffie-Hellman key exchange algorithm and its functionality
117 is derived from several key exchange protocols.  SKE uses best parts
118 of the SSH2 Key Exchange protocol, Station-To-Station (STS) protocol
119 and the OAKLEY Key Determination protocol.
120
121 The SILC Connection Authentication protocol provides user level
122 authentication used when creating connections in SILC network.  The
123 protocol is transparent to the authentication data which means that it
124 can be used to authenticate the user with, for example, passphrase
125 (pre-shared- secret) or public key (and certificate).
126
127 The basis of secure SILC session requires strong and secure key exchange
128 protocol and authentication.  The authentication protocol is entirely
129 secured and no authentication data is ever sent in the network without
130 encrypting and authenticating it first.  Thus, authentication protocol
131 may be used only after the key exchange protocol has been successfully
132 completed.
133
134 This document refers constantly to other SILC protocol specification
135 Internet Drafts that are a must read for those who wants to understand
136 the function of these protocols.  The most important references are
137 the Secure Internet Live Conferencing, Protocol Specification [SILC1]
138 and the SILC Packet Protocol [SILC2] Internet Drafts.
139
140 The protocol is intended to be used with the SILC protocol thus it
141 does not define own framework that could be used.  The framework is
142 provided by the SILC protocol.
143
144
145 .ti 0
146 1.1 Requirements Terminology
147
148 The keywords MUST, MUST NOT, REQUIRED, SHOULD, SHOULD NOT, RECOMMENDED, 
149 MAY, and OPTIONAL, when they appear in this document, are to be
150 interpreted as described in [RFC2119].
151
152
153 .ti 0
154 2 SILC Key Exchange Protocol
155
156 SILC Key Exchange Protocol (SKE) is used to exchange shared secret
157 between connecting entities.  The result of this protocol is a key
158 material used to secure the communication channel.  The protocol uses
159 Diffie-Hellman key exchange algorithm and its functionality is derived
160 from several key exchange protocols.  SKE uses best parts of the SSH2
161 Key Exchange protocol, Station-To-Station (STS) protocol and the OAKLEY
162 Key Determination protocol.  The protocol does not claim any conformance
163 to any of these protocols, they were merely used as a reference when
164 designing this protocol.
165
166 The purpose of SILC Key Exchange protocol is to create session keys to
167 be used in current SILC session.  The keys are valid only for some period
168 of time (usually an hour) or at most until the session ends.  These keys
169 are used to protect packets like commands, command replies and other
170 communication between two entities.  If connection is server to router
171 connection, the keys are used to protect all traffic between those
172 servers.  In client connections usually all the packets are protected
173 with this key except channel messages; channels has their own keys and 
174 they are not exchanged with this protocol.
175
176 The Diffie-Hellman implementation used in the SILC SHOULD be compliant
177 to the PKCS #3.
178
179
180 .ti 0
181 2.1 Key Exchange Payloads
182
183 During the key exchange procedure public data is sent between initiator
184 and responder.  This data is later used in the key exchange procedure.
185 There are several payloads used in the key exchange.  As for all SILC
186 packets, SILC Packet Header, described in [SILC2], is at the start of
187 all packets. The same is done with these payloads as well.  All the
188 fields in the payloads are always in MSB (most significant byte first)
189 order.  Following descriptions of these payloads.
190
191
192 .ti 0
193 2.1.1 Key Exchange Start Payload
194
195 The key exchange between two entities MUST be started by sending the
196 SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE packet containing Key Exchange Start Payload.
197 Initiator sends the Key Exchange Start Payload to the responder filled
198 with all security properties it supports.  The responder then checks
199 whether it supports the security properties.
200
201 It then sends a Key Exchange Start Payload to the initiator filled with
202 security properties it selected from the original payload.  The payload
203 sent by responder MUST include only one chosen property per list.  The
204 character encoding for the security property values as defined in [SILC1] 
205 SHOULD be UTF-8 [RFC2279].
206
207 The Key Exchange Start Payload is used to tell connecting entities what
208 security properties and algorithms should be used in the communication.
209 The Key Exchange Start Payload is sent only once per session.  Even if
210 the PFS (Perfect Forward Secrecy) flag is set the Key Exchange Start
211 Payload is not re-sent.  When PFS is desired the Key Exchange Payloads
212 are sent to negotiate new key material.  The procedure is equivalent to
213 the very first negotiation except that the Key Exchange Start Payload
214 is not sent.
215
216 As this payload is used only with the very first key exchange the payload
217 is never encrypted, as there are no keys to encrypt it with.
218
219 A cookie is also sent in this payload.  A cookie is used to randomize the
220 payload so that none of the key exchange parties can determine this
221 payload before the key exchange procedure starts.  The cookie MUST be
222 returned to the original sender by the responder.
223
224 Following diagram represents the Key Exchange Start Payload.  The lists
225 mentioned below are always comma (`,') separated and the list MUST NOT
226 include white spaces (` ').
227
228
229 .in 5
230 .nf
231                      1                   2                   3
232  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
233 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
234 |   RESERVED    |     Flags     |         Payload Length        |
235 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
236 |                                                               |
237 +                                                               +  
238 |                                                               |
239 +                            Cookie                             +
240 |                                                               |
241 +                                                               +
242 |                                                               |
243 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
244 |     Version String Length     |                               |
245 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
246 |                                                               |
247 ~                         Version String                        ~
248 |                                                               |
249 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
250 |   Key Exchange Grp Length     |                               |
251 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
252 |                                                               |
253 ~                      Key Exchange Groups                      ~
254 |                                                               |
255 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
256 |        PKCS Alg Length        |                               |
257 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
258 |                                                               |
259 ~                         PKCS Algorithms                       ~
260 |                                                               |
261 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
262 |     Encryption Alg Length     |                               |
263 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
264 |                                                               |
265 ~                      Encryption Algorithms                    ~
266 |                                                               |
267 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
268 |       Hash Alg Length         |                               |
269 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
270 |                                                               |
271 ~                         Hash Algorithms                       ~
272 |                                                               |
273 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
274 |         HMAC Length           |                               |
275 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
276 |                                                               |
277 ~                             HMACs                             ~
278 |                                                               |
279 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
280 |    Compression Alg Length     |                               |
281 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
282 |                                                               |
283 ~                     Compression Algorithms                    ~
284 |                                                               |
285 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
286 .in 3
287
288 .ce
289 Figure 1:  Key Exchange Start Payload
290
291
292
293 .in 6
294 o RESERVED (1 byte) - Reserved field.  Sender fills this with
295   zero (0) value.
296
297 o Flags (1 byte) - Indicates flags to be used in the key
298   exchange.  Several flags can be set at once by ORing the
299   flags together.  The following flags are reserved for this
300   field:
301
302      No flags                 0x00
303
304        In this case the field is ignored.
305
306      No Reply                 0x01
307
308        If set the receiver of the payload does not reply to 
309        the packet.
310
311      PFS                      0x02
312
313        Perfect Forward Secrecy (PFS) to be used in the
314        key exchange protocol.  If not set, re-keying
315        is performed using the old key.  See the [SILC1]
316        for more information on this issue.  When PFS is
317        used, re-keying and creating new keys for any
318        particular purpose MUST cause new key exchange.
319        In this key exchange only the Key Exchange Payload
320        is sent and the Key Exchange Start Payload MUST
321        NOT be sent.  When doing PFS the Key Exchange
322        Payloads are encrypted with the old keys.
323
324      Mutual Authentication    0x04
325
326        Both of the parties will perform authentication
327        by providing signed data for the other party to
328        verify.  By default, only responder will provide
329        the signature data.  If this is set then the
330        initiator must also provide it.  Initiator MAY
331        set this but also responder MAY set this even if
332        initiator did not set it.
333
334      Rest of the flags are reserved for the future and
335      MUST NOT be set.
336
337 o Payload Length (2 bytes) - Length of the entire Key Exchange
338   Start payload, not including any other field.
339
340 o Cookie (16 bytes) - Cookie that randomize this payload so
341   that each of the party cannot determine the payload before
342   hand.  This field MUST be present.
343
344 o Version String Length (2 bytes) - The length of the Version
345   String field, not including any other field.
346
347 o Version String (variable length) - Indicates the version of
348   the sender of this payload.  Initiator sets this when sending
349   the payload and responder sets this when it replies by sending
350   this payload.  See [SILC1] for definition of the version
351   string format.  This field MUST be present and include valid
352   version string.
353
354 o Key Exchange Grp Length (2 bytes) - The length of the
355   key exchange group list, not including any other field.
356
357 o Key Exchange Group (variable length) - The list of
358   key exchange groups.  See the section 2.4 SILC Key Exchange
359   Groups for definitions of these groups.  This field MUST
360   be present.
361
362 o PKCS Alg Length (2 bytes) - The length of the PKCS algorithms
363   list, not including any other field.
364
365 o PKCS Algorithms (variable length) - The list of PKCS 
366   algorithms.  This field MUST be present.
367
368 o Encryption Alg Length (2 bytes) - The length of the encryption
369   algorithms list, not including any other field.
370
371 o Encryption Algorithms (variable length) - The list of
372   encryption algorithms.  This field MUST be present.
373
374 o Hash Alg Length (2 bytes) - The length of the Hash algorithm
375   list, not including any other field.
376
377 o Hash Algorithms (variable length) - The list of Hash
378   algorithms.  The hash algorithms are mainly used in the
379   SKE protocol.  This field MUST be present.
380
381 o HMAC Length (2 bytes) - The length of the HMAC list, not
382   including any other field.
383
384 o HMACs (variable length) - The list of HMACs.  The HMAC's
385   are used to compute the Message Authentication Codes (MAC)
386   of the SILC packets.  This field MUST be present.
387
388 o Compression Alg Length (2 bytes) - The length of the
389   compression algorithms list, not including any other field.
390
391 o Compression Algorithms (variable length) - The list of 
392   compression algorithms.  This field MAY be omitted.
393 .in 3
394
395
396 .ti 0
397 2.1.2 Key Exchange Payload
398
399 Key Exchange payload is used to deliver the public key (or certificate),
400 the computed Diffie-Hellman public value and possibly signature data
401 from one party to the other.  When initiator is using this payload
402 and the Mutual Authentication flag is not set then the initiator MUST
403 NOT provide the signature data.  If the flag is set then the initiator
404 MUST provide the signature data so that the responder can verify it.
405
406 The Mutual Authentication flag is usually used when a separate 
407 authentication protocol will not be executed for the initiator of the
408 protocol.  This is case for example when the SKE is performed between
409 two SILC clients.  In normal case, where client is connecting to a
410 server, or server is connecting to a router the Mutual Authentication
411 flag may be omitted.  However, if the connection authentication protocol 
412 for the connecting entity is not based on public key authentication (it
413 is based on passphrase) then the Mutual Authentication flag SHOULD be 
414 enabled.  This way the connecting entity has to provide proof of
415 possession of the private key for the public key it will provide in
416 SILC Key Exchange protocol.
417
418 When performing re-key with PFS selected this is the only payload that
419 is sent in the SKE protocol.  The Key Exchange Start Payload MUST NOT
420 be sent at all.  However, this payload does not have all the fields
421 present.  In the re-key with PFS the public key and a possible signature
422 data SHOULD NOT be present.  If they are present they MUST be ignored.
423 The only field that is present is the Public Data that is used to create
424 the new key material.  In the re-key the Mutual Authentication flag, that
425 may be set in the initial negotiation, MUST also be ignored.
426
427 This payload is sent inside SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_1 and inside
428 SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_2 packet types.  The initiator uses the 
429 SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_1 and the responder the latter.
430
431 The following diagram represent the Key Exchange Payload.
432
433
434 .in 5
435 .nf
436                      1                   2                   3
437  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
438 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
439 |       Public Key Length       |        Public Key Type        |
440 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
441 |                                                               |
442 ~            Public Key of the party (or certificate)           ~
443 |                                                               |
444 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
445 |       Public Data Length      |                               |
446 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
447 |                                                               |
448 ~                          Public Data                          ~
449 |                                                               |
450 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
451 |        Signature Length       |                               |
452 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
453 |                                                               |
454 ~                        Signature Data                         ~
455 |                                                               |
456 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
457 .in 3
458
459 .ce
460 Figure 2:  Key Exchange Payload
461
462
463 .in 6
464 o Public Key Length (2 bytes) - The length of the Public Key
465   (or certificate) field, not including any other field.
466
467 o Public Key Type (2 bytes) - The public key (or certificate) 
468   type.  This field indicates the type of the public key in 
469   the packet.  Following types are defined:
470
471      1    SILC style public key (mandatory)
472      2    SSH2 style public key (optional)
473      3    X.509 Version 3 certificate (optional)
474      4    OpenPGP certificate (optional)
475      5    SPKI certificate (optional)
476
477   The only required type to support is type number 1.  See 
478   [SILC1] for the SILC public key specification.  See
479   SSH public key specification in [SSH-TRANS].  See X.509v3
480   certificate specification in [PKIX-Part1].  See OpenPGP
481   certificate specification in [PGP].  See SPKI certificate
482   specification in [SPKI].  If this field includes zero (0)
483   or unsupported type number the protocol MUST be aborted
484   sending SILC_PACKET_FAILURE message and the connection SHOULD
485   be closed immediately.
486
487 o Public Key (or certificate) (variable length) - The
488   public key or certificate of the party.  This public key
489   is used to verify the digital signature.  The public key
490   or certificate in this field is encoded in the manner as
491   defined in their respective definitions; see previous field.
492
493 o Public Data Length (2 bytes) - The length of the Public Data
494   field, not including any other field.
495
496 o Public Data (variable length) - The public data to be
497   sent to the receiver (Diffie-Hellman public values).  See
498   section 2.2 Key Exchange Procedure for detailed description
499   how this field is computed.  This value is binary encoded.
500
501 o Signature Length (2 bytes) - The length of the signature,
502   not including any other field.
503
504 o Signature Data (variable length) - The signature signed
505   by the sender.  The receiver of this signature MUST
506   verify it.  The verification is done using the sender's
507   public key.  See section 2.2 Key Exchange Procedure for
508   detailed description how to produce the signature.  If
509   the Mutual Authentication flag is not set then initiator
510   MUST NOT provide this field and the Signature Length field
511   MUST be set to zero (0) value.  If the flag is set then
512   also the initiator MUST provide this field.  The responder
513   MUST always provide this field.
514 .in 3
515
516
517 .ti 0
518 2.2 Key Exchange Procedure
519
520 The key exchange begins by sending SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE packet with
521 Key Exchange Start Payload to select the security properties to be used
522 in the key exchange and later in the communication.
523
524 After Key Exchange Start Payload has been processed by both of the
525 parties the protocol proceeds as follows:
526
527
528 Setup:  p is a large and public safe prime.  This is one of the
529         Diffie Hellman groups.  q is order of subgroup (largest
530         prime factor of p).  g is a generator and is defined
531         along with the Diffie Hellman group.
532
533     1.  Initiator generates a random number x, where 1 < x < q, 
534         and computes e = g ^ x mod p.  The result e is then 
535         encoded into Key Exchange Payload, with the public key
536         (or certificate) and sent to the responder.
537
538         If the Mutual Authentication flag is set then initiator
539         MUST also produce signature data SIGN_i which the responder
540         will verify.  The initiator MUST compute a hash value
541         HASH_i = hash(Initiator's Key Exchange Start Payload |
542         public key (or certificate) | e).  It then signs the HASH_i
543         value with its private key resulting a signature SIGN_i.
544
545     2.  Responder generates a random number y, where 1 < y < q,
546         and computes f = g ^ y mod p.  It then computes the
547         shared secret KEY = e ^ y mod p, and, a hash value 
548         HASH = hash(Initiator's Key Exchange Start Payload |
549         public key (or certificate) | Initiator's public key
550         (or certificate) | e | f | KEY).  It then signs
551         the HASH value with its private key resulting a signature
552         SIGN.  
553
554         It then encodes its public key (or certificate), f and 
555         SIGN into Key Exchange Payload and sends it to the 
556         initiator.
557
558         If the Mutual Authentication flag is set then the responder
559         SHOULD verify that the public key provided in the payload
560         is authentic, or if certificates are used it verifies the
561         certificate.  The responder MAY accept the public key without
562         verifying it, however, doing so may result to insecure key
563         exchange (accepting the public key without verifying may be
564         desirable for practical reasons on many environments.  For
565         long term use this is never desirable, in which case
566         certificates would be the preferred method to use).  It then
567         computes the HASH_i value the same way initiator did in the
568         phase 1.  It then verifies the signature SIGN_i from the
569         payload with the hash value HASH_i using the received public
570         key.
571
572     3.  Initiator verifies that the public key provided in
573         the payload is authentic, or if certificates are used
574         it verifies the certificate.  The initiator MAY accept
575         the public key without verifying it, however, doing
576         so may result to insecure key exchange (accepting the
577         public key without verifying may be desirable for 
578         practical reasons on many environments.  For long term
579         use this is never desirable, in which case certificates
580         would be the preferred method to use).
581
582         Initiator then computes the shared secret KEY = 
583         f ^ x mod p, and, a hash value HASH in the same way as
584         responder did in phase 2.  It then verifies the 
585         signature SIGN from the payload with the hash value
586         HASH using the received public key.
587
588
589 If any of these phases is to fail the SILC_PACKET_FAILURE MUST be sent
590 to indicate that the key exchange protocol has failed, and the connection
591 SHOULD be closed immediately.  Any other packets MUST NOT be sent or
592 accepted during the key exchange except the SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_*,
593 SILC_PACKET_FAILURE and SILC_PACKET_SUCCESS packets.
594
595 The result of this protocol is a shared secret key material KEY and
596 a hash value HASH.  The key material itself is not fit to be used as 
597 a key, it needs to be processed further to derive the actual keys to be
598 used.  The key material is also used to produce other security parameters
599 later used in the communication.  See section 2.3 Processing the Key
600 Material for detailed description how to process the key material.
601
602 If the Mutual Authentication flag was set the protocol produces also
603 a hash value HASH_i.  This value, however, must be discarded.
604
605 After the keys are processed the protocol is ended by sending the
606 SILC_PACKET_SUCCESS packet.  Both entities send this packet to 
607 each other.  After this both parties will start using the new keys.
608
609
610 .ti 0
611 2.3 Processing the Key Material
612
613 Key Exchange protocol produces secret shared key material KEY.  This
614 key material is used to derive the actual keys used in the encryption
615 of the communication channel.  The key material is also used to derive
616 other security parameters used in the communication.  Key Exchange
617 protocol produces a hash value HASH as well.
618
619 The keys MUST be derived from the key material as follows:
620
621 .in 6
622 Sending Initial Vector (IV)     = hash(0x0 | KEY | HASH)
623 Receiving Initial Vector (IV)   = hash(0x1 | KEY | HASH)
624 Sending Encryption Key          = hash(0x2 | KEY | HASH)
625 Receiving Encryption Key        = hash(0x3 | KEY | HASH)
626 Sending HMAC Key                = hash(0x4 | KEY | HASH)
627 Receiving HMAC Key              = hash(0x5 | KEY | HASH)
628 .in 3
629
630
631 The Initial Vector (IV) is used in the encryption when doing for
632 example CBC mode.  As many bytes as needed are taken from the start of
633 the hash output for IV.  Sending IV is for sending key and receiving IV
634 is for receiving key.  For receiving party, the receiving IV is actually
635 sender's sending IV, and, the sending IV is actually sender's receiving
636 IV.  Initiator uses IV's as they are (sending IV for sending and
637 receiving IV for receiving).
638
639 The Encryption Keys are derived as well from the hash().  If the hash()
640 output is too short for the encryption algorithm more key material MUST
641 be produced in the following manner:
642
643 .in 6
644 K1 = hash(0x2 | KEY | HASH)
645 K2 = hash(KEY | HASH | K1)
646 K3 = hash(KEY | HASH | K1 | K2)  ...
647
648 Sending Encryption Key = K1 | K2 | K3 ...
649
650
651 K1 = hash(0x3 | KEY | HASH)
652 K2 = hash(KEY | HASH | K1)
653 K3 = hash(KEY | HASH | K1 | K2)  ...
654
655 Receiving Encryption Key = K1 | K2 | K3 ...
656 .in 3
657
658
659 The key is distributed by hashing the previous hash with the original
660 key material.  The final key is a concatenation of the hash values.
661 For Receiving Encryption Key the procedure is equivalent.  Sending key
662 is used only for encrypting data to be sent.  The receiving key is used
663 only to decrypt received data.  For receiving party, the receive key is
664 actually sender's sending key, and, the sending key is actually sender's
665 receiving key.  Initiator uses generated keys as they are (sending key
666 for sending and receiving key for receiving).
667
668 The HMAC keys are used to create MAC values to packets in the
669 communication channel.  As many bytes as needed are taken from the start
670 of the hash output to generate the MAC keys.
671
672 These procedures are performed by all parties of the key exchange
673 protocol.  This MUST be done before the protocol has been ended by
674 sending the SILC_PACKET_SUCCESS packet.
675
676 This same procedure is used in the SILC in some other circumstances
677 as well.  Any changes to this procedure is mentioned separately when
678 this procedure is needed.  See the [SILC1] and the [SILC2] for these
679 circumstances.
680
681
682 .ti 0
683 2.4 SILC Key Exchange Groups
684
685 The Following groups may be used in the SILC Key Exchange protocol.
686 The first group diffie-hellman-group1 is REQUIRED, other groups MAY be 
687 negotiated to be used in the connection with Key Exchange Start Payload
688 and SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE packet.  However, the first group MUST be
689 proposed in the Key Exchange Start Payload regardless of any other
690 requested group (however, it does not have to be the first in the list).
691
692
693 .ti 0
694 2.4.1 diffie-hellman-group1
695
696 The length of this group is 1024 bits.  This is REQUIRED group.
697 The prime is 2^1024 - 2^960 - 1 + 2^64 * { [2^894 pi] + 129093 }.
698
699 Its decimal value is
700
701 .in 6
702 179769313486231590770839156793787453197860296048756011706444
703 423684197180216158519368947833795864925541502180565485980503
704 646440548199239100050792877003355816639229553136239076508735
705 759914822574862575007425302077447712589550957937778424442426
706 617334727629299387668709205606050270810842907692932019128194
707 467627007
708 .in 3
709
710 Its hexadecimal value is
711
712 .in 6
713 FFFFFFFF FFFFFFFF C90FDAA2 2168C234 C4C6628B 80DC1CD1
714 29024E08 8A67CC74 020BBEA6 3B139B22 514A0879 8E3404DD
715 EF9519B3 CD3A431B 302B0A6D F25F1437 4FE1356D 6D51C245
716 E485B576 625E7EC6 F44C42E9 A637ED6B 0BFF5CB6 F406B7ED
717 EE386BFB 5A899FA5 AE9F2411 7C4B1FE6 49286651 ECE65381
718 FFFFFFFF FFFFFFFF
719 .in 3
720
721
722 The generator used with this prime is g = 2.  The group order q is
723 (p - 1) / 2.
724
725 This group was taken from the OAKLEY specification.
726
727
728 .ti 0
729 2.4.2 diffie-hellman-group2
730
731 The length of this group is 1536 bits.  This is OPTIONAL group.
732 The prime is 2^1536 - 2^1472 - 1 + 2^64 * { [2^1406 pi] + 741804 }.
733
734
735
736
737 Its decimal value is
738
739 .in 6
740 241031242692103258855207602219756607485695054850245994265411
741 694195810883168261222889009385826134161467322714147790401219
742 650364895705058263194273070680500922306273474534107340669624
743 601458936165977404102716924945320037872943417032584377865919
744 814376319377685986952408894019557734611984354530154704374720
745 774996976375008430892633929555996888245787241299381012913029
746 459299994792636526405928464720973038494721168143446471443848
747 8520940127459844288859336526896320919633919
748 .in 3
749
750 Its hexadecimal value is
751
752 .in 6
753 FFFFFFFF FFFFFFFF C90FDAA2 2168C234 C4C6628B 80DC1CD1
754 29024E08 8A67CC74 020BBEA6 3B139B22 514A0879 8E3404DD
755 EF9519B3 CD3A431B 302B0A6D F25F1437 4FE1356D 6D51C245
756 E485B576 625E7EC6 F44C42E9 A637ED6B 0BFF5CB6 F406B7ED
757 EE386BFB 5A899FA5 AE9F2411 7C4B1FE6 49286651 ECE45B3D
758 C2007CB8 A163BF05 98DA4836 1C55D39A 69163FA8 FD24CF5F
759 83655D23 DCA3AD96 1C62F356 208552BB 9ED52907 7096966D
760 670C354E 4ABC9804 F1746C08 CA237327 FFFFFFFF FFFFFFFF
761 .in 3
762
763 The generator used with this prime is g = 2.  The group order q is
764 (p - 1) / 2.
765
766 This group was taken from the OAKLEY specification.
767
768
769 .ti 0
770 2.5 Key Exchange Status Types
771
772 This section defines all key exchange protocol status types that may
773 be returned in the SILC_PACKET_SUCCESS or SILC_PACKET_FAILURE packets
774 to indicate the status of the protocol.  Implementations may map the
775 status types to human readable error message.  All types except the
776 SILC_SKE_STATUS_OK type MUST be sent in SILC_PACKET_FAILURE packet.
777 The length of status is 32 bits (4 bytes).  The following status types
778 are defined:
779
780 .in 6
781 0   SILC_SKE_STATUS_OK
782
783     Protocol were executed successfully.
784
785
786 1   SILC_SKE_STATUS_ERROR
787
788     Unknown error occurred.  No specific error type is defined.
789
790
791 2   SILC_SKE_STATUS_BAD_PAYLOAD
792
793     Provided KE payload were malformed or included bad fields.
794
795
796 3   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_GROUP
797
798     None of the provided groups were supported.
799
800
801 4   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_CIPHER
802
803     None of the provided ciphers were supported.
804
805
806 5   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_PKCS
807
808     None of the provided public key algorithms were supported.
809
810
811 6   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_HASH_FUNCTION
812
813     None of the provided hash functions were supported.
814
815
816 7   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_HMAC
817
818     None of the provided HMACs were supported.
819
820
821 8   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_PUBLIC_KEY
822
823     Provided public key type is not supported.
824
825
826 9   SILC_SKE_STATUS_INCORRECT_SIGNATURE
827
828     Provided signature was incorrect.
829
830
831 10  SILC_SKE_STATUS_BAD_VERSION
832
833     Provided version string was not acceptable.
834
835
836 11  SILC_SKE_STATUS_INVALID_COOKIE
837
838     The cookie in the Key Exchange Start Payload was malformed,
839     because responder modified the cookie.
840 .in 3
841
842
843 .ti 0
844 3 SILC Connection Authentication Protocol
845
846 Purpose of Connection Authentication protocol is to authenticate the
847 connecting party with server.  Usually connecting party is client but
848 server may connect to router server as well.  Its other purpose is to
849 provide information for the server about which type of connection this
850 is.  The type defines whether this is client, server or router
851 connection.  Server uses this information to create the ID for the
852 connection.
853
854 Server MUST verify the authentication data received and if it is to fail
855 the authentication MUST be failed by sending SILC_PACKET_FAILURE packet.
856 If everything checks out fine the protocol is ended by server by sending
857 SILC_PACKET_SUCCESS packet.
858
859 The protocol is executed after the SILC Key Exchange protocol.  It MUST
860 NOT be executed in any other time.  As it is performed after key exchange
861 protocol all traffic in the connection authentication protocol is
862 encrypted with the exchanged keys.
863
864 The protocol MUST be started by the connecting party by sending the
865 SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH packet with Connection Auth Payload,
866 described in the next section.  This payload MUST include the
867 authentication data.  The authentication data is set according
868 authentication method that MUST be known by both parties.  If connecting
869 party does not know what is the mandatory authentication method it MAY
870 request it from the server by sending SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH_REQUEST
871 packet.  This packet is not part of this protocol and is described in
872 section Connection Auth Request Payload in [SILC2].  However, if
873 connecting party already knows the mandatory authentication method
874 sending the request is not necessary.
875
876 See [SILC1] and section Connection Auth Request Payload in [SILC2] also
877 for the list of different authentication methods.  Authentication method
878 MAY also be NONE, in which case the server does not require
879 authentication at all.  However, in this case the protocol still MUST be
880 executed; the authentication data just is empty indicating no
881 authentication is required.
882
883 If authentication method is passphrase the authentication data is
884 plaintext passphrase.  As the payload is entirely encrypted it is safe
885 to have plaintext passphrase.  It is also provided as plaintext passphrase
886 because the receiver may need to pass the entire passphrase into a
887 passphrase checker, and hash digest of the passphrase would prevent this.
888 See the section 3.2.1 Passphrase Authentication for more information.
889
890 If authentication method is public key authentication the authentication
891 data is a signature of the hash value of hash HASH plus Key Exchange
892 Start Payload, established by the SILC Key Exchange protocol.  This
893 signature MUST then be verified by the server.  See the section 3.2.2
894 Public Key Authentication for more information.
895
896 See the section 4 SILC Procedures in [SILC1] for more information about
897 client creating connection to server, and server creating connection
898 to router, and how to register the session in the SILC Network after
899 successful Connection Authentication protocol.
900
901
902 .ti 0
903 3.1 Connection Auth Payload
904
905 Client sends this payload to authenticate itself to the server.  Server
906 connecting to another server also sends this payload.  Server receiving
907 this payload MUST verify all the data in it and if something is to fail
908 the authentication MUST be failed by sending SILC_PACKET_FAILURE packet.
909
910 The payload may only be sent with SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH packet.
911 It MUST NOT be sent in any other packet type.  The following diagram 
912 represent the Connection Auth Payload.
913
914
915 .in 5
916 .nf
917                      1                   2                   3
918  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
919 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
920 |        Payload Length         |        Connection Type        |
921 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
922 |                                                               |
923 ~                     Authentication Data                       ~
924 |                                                               |
925 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
926 .in 3
927  
928 .ce
929 Figure 3:  Connection Auth Payload
930
931
932 .in 6
933 o Payload Length (2 bytes) - Length of the entire Connection 
934   Auth Payload.
935
936 o Connection Type (2 bytes) - Indicates the type of the 
937   connection.  See section Connection Auth Request Payload
938   in [SILC2] for the list of connection types.  This field MUST
939   include valid connection type or the packet MUST be discarded
940   and authentication MUST be failed. 
941
942 o Authentication Data (variable length) - The actual 
943   authentication data.  Contents of this depends on the 
944   authentication method known by both parties.  If no
945   authentication is required this field does not exist.
946 .in 3
947
948
949
950
951 .ti 0
952 3.2 Connection Authentication Types
953
954 SILC supports two authentication types to be used in the connection
955 authentication protocol; passphrase or public key based authentication.
956 The following sections defines the authentication methods.  See [SILC2]
957 for defined numerical authentication method types.
958
959
960 .ti 0
961 3.2.1 Passphrase Authentication
962
963 Passphrase authentication or pre-shared-key based authentication is 
964 simply an authentication where the party that wants to authenticate 
965 itself to the other end sends the passphrase that is required by
966 the other end, for example server.  The plaintext passphrase is put
967 to the payload, that is then encrypted.  The plaintext passphrase
968 MUST be in UTF-8 [RFC2279] encoding.  If the passphrase is in the
969 sender's system in some other encoding it MUST be UTF-8 encoded 
970 before transmitted.  The receiver MAY change the encoding of the
971 passphrase to its system's default character encoding before verifying
972 the passphrase.
973
974 If the passphrase matches with the one in the server's end the
975 authentication is successful.  Otherwise SILC_PACKET_FAILURE MUST be
976 sent to the sender and the protocol execution fails.
977
978 This is REQUIRED authentication method to be supported by all SILC
979 implementations.
980
981 When password authentication is used it is RECOMMENDED that maximum
982 amount of padding is applied to the SILC packet.  This way it is not
983 possible to approximate the length of the password from the encrypted
984 packet.
985
986
987
988 .ti 0
989 3.2.2 Public Key Authentication
990
991 Public key authentication may be used if passphrase based authentication
992 is not desired.  The public key authentication works by sending a
993 signature as authentication data to the other end, say, server.  The
994 server MUST then verify the signature by the public key of the sender,
995 which the server has received earlier in SKE protocol.
996
997 The signature is computed using the private key of the sender by signing
998 the HASH value provided by the SKE protocol previously, and the Key
999 Exchange Start Payload from SKE protocol that was sent to the server.
1000 These are concatenated and hash function is used to compute a hash value
1001 which is then signed.
1002
1003   auth_hash = hash(HASH | Key Exchange Start Payload);
1004   signature = sign(auth_hash);
1005
1006 The hash() function used to compute the value is the hash function
1007 negotiated in the SKE protocol.  The server MUST verify the data, thus
1008 it must keep the HASH and the Key Exchange Start Payload saved during
1009 SKE and authentication protocols.
1010
1011 If the verified signature matches the sent signature, the authentication
1012 were successful and SILC_PACKET_SUCCESS is sent.  If it failed the
1013 protocol execution is stopped and SILC_PACKET_FAILURE is sent.
1014
1015 This is REQUIRED authentication method to be supported by all SILC
1016 implementations.
1017
1018
1019 .ti 0
1020 3.3 Connection Authentication Status Types
1021
1022 This section defines all connection authentication status types that
1023 may be returned in the SILC_PACKET_SUCCESS or SILC_PACKET_FAILURE packets
1024 to indicate the status of the protocol.  Implementations may map the
1025 status types to human readable error message.  All types except the
1026 SILC_AUTH_STATUS_OK type MUST be sent in SILC_PACKET_FAILURE packet.
1027 The length of status is 32 bits (4 bytes).  The following status types
1028 are defined:
1029
1030 0   SILC_AUTH_OK
1031
1032     Protocol was executed successfully.
1033
1034
1035 1   SILC_AUTH_FAILED
1036
1037     Authentication failed.
1038
1039
1040
1041
1042 .ti 0
1043 4 Security Considerations
1044
1045 Security is central to the design of this protocol, and these security
1046 considerations permeate the specification.  Common security considerations
1047 such as keeping private keys truly private and using adequate lengths for 
1048 symmetric and asymmetric keys must be followed in order to maintain the   
1049 security of this protocol.
1050
1051
1052
1053 .ti 0
1054 5 References
1055
1056 [SILC1]      Riikonen, P., "Secure Internet Live Conferencing (SILC),
1057              Protocol Specification", Internet Draft, May 2002.
1058
1059 [SILC2]      Riikonen, P., "SILC Packet Protocol", Internet Draft,
1060              May 2002.
1061
1062 [SILC4]      Riikonen, P., "SILC Commands", Internet Draft, May 2002.
1063
1064 [IRC]        Oikarinen, J., and Reed D., "Internet Relay Chat Protocol",
1065              RFC 1459, May 1993.
1066
1067 [IRC-ARCH]   Kalt, C., "Internet Relay Chat: Architecture", RFC 2810,
1068              April 2000.
1069
1070 [IRC-CHAN]   Kalt, C., "Internet Relay Chat: Channel Management", RFC
1071              2811, April 2000.
1072
1073 [IRC-CLIENT] Kalt, C., "Internet Relay Chat: Client Protocol", RFC
1074              2812, April 2000.
1075
1076 [IRC-SERVER] Kalt, C., "Internet Relay Chat: Server Protocol", RFC
1077              2813, April 2000.
1078
1079 [SSH-TRANS]  Ylonen, T., et al, "SSH Transport Layer Protocol", 
1080              Internet Draft.
1081
1082 [PGP]        Callas, J., et al, "OpenPGP Message Format", RFC 2440,
1083              November 1998.
1084
1085 [SPKI]       Ellison C., et al, "SPKI Certificate Theory", RFC 2693,
1086              September 1999.
1087
1088 [PKIX-Part1] Housley, R., et al, "Internet X.509 Public Key 
1089              Infrastructure, Certificate and CRL Profile", RFC 2459,
1090              January 1999.
1091
1092 [Schneier]   Schneier, B., "Applied Cryptography Second Edition",
1093              John Wiley & Sons, New York, NY, 1996.
1094
1095 [Menezes]    Menezes, A., et al, "Handbook of Applied Cryptography",
1096              CRC Press 1997.
1097
1098 [OAKLEY]     Orman, H., "The OAKLEY Key Determination Protocol",
1099              RFC 2412, November 1998.
1100
1101 [ISAKMP]     Maughan D., et al, "Internet Security Association and
1102              Key Management Protocol (ISAKMP)", RFC 2408, November
1103              1998.
1104
1105 [IKE]        Harkins D., and Carrel D., "The Internet Key Exchange
1106              (IKE)", RFC 2409, November 1998.
1107
1108 [HMAC]       Krawczyk, H., "HMAC: Keyed-Hashing for Message
1109              Authentication", RFC 2104, February 1997.
1110
1111 [PKCS1]      Kalinski, B., and Staddon, J., "PKCS #1 RSA Cryptography
1112              Specifications, Version 2.0", RFC 2437, October 1998.
1113
1114 [RFC2119]    Bradner, S., "Key Words for use in RFCs to Indicate
1115              Requirement Levels", BCP 14, RFC 2119, March 1997.
1116
1117 [RFC2279]    Yergeau, F., "UTF-8, a transformation format of ISO
1118              10646", RFC 2279, January 1998.
1119
1120
1121 .ti 0
1122 6 Author's Address
1123
1124 .nf
1125 Pekka Riikonen
1126 Snellmaninkatu 34 A 15
1127 70100 Kuopio
1128 Finland
1129
1130 EMail: priikone@iki.fi
1131
1132 This Internet-Draft expires 15 November 2002