0a63644baaccef54a6b2a35b1d572b2d1622bb6c
[silc.git] / doc / draft-riikonen-silc-ke-auth-02.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 6 October 2000
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-02.txt                      XXXXXXXXXXXXXX
20 Expires: XXX
21
22 .in 3
23
24 .ce 2
25 SILC Key Exchange and Authentication Protocols
26 <draft-riikonen-silc-ke-auth-02.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 2 SILC Key Exchange Protocol ....................................  3
78   2.1 Key Exchange Payloads .....................................  3
79       2.1.1 Key Exchange Start Payload ..........................  4
80       2.1.2 Key Exchange Payload ................................  7
81   2.2 Key Exchange Procedure .................................... 10
82   2.3 Processing the Key Material ............................... 12
83   2.4 SILC Key Exchange Groups .................................. 13
84       2.4.1 diffie-hellman-group1 ............................... 13
85       2.4.2 diffie-hellman-group2 ............................... 14
86   2.5 Key Exchange Status Types ................................. 14
87 3 SILC Connection Authentication Protocol ....................... 16
88   3.1 Connection Auth Payload ................................... 17
89   3.2 Connection Authentication Types ........................... 18
90       3.2.1 Passphrase Authentication ........................... 18
91       3.2.2 Public Key Authentication ........................... 18
92   3.3 Connection Authentication Status Types .................... 19
93 4 Security Considerations ....................................... 19
94 5 References .................................................... 19
95 6 Author's Address .............................................. 20
96
97
98 .ti 0
99 List of Figures
100
101 .nf
102 Figure 1:  Key Exchange Start Payload
103 Figure 2:  Key Exchange Payload
104 Figure 3:  Connection Auth Payload
105
106
107 .ti 0
108 1 Introduction
109
110 This memo describes two protocols used in the Secure Internet Live
111 Conferencing (SILC) protocol specified in the Secure Internet Live
112 Conferencing, Protocol Specification Internet-Draft [SILC1].  The
113 SILC Key Exchange (SKE) protocol provides secure key exchange between
114 two parties resulting into shared secret key material.  The protocol
115 is based on Diffie Hellman key exchange algorithm and its functionality
116 is derived from several key exchange protocols.  SKE uses best parts
117 of the SSH2 Key Exchange protocol, Station-To-Station (STS) protocol
118 and the OAKLEY Key Determination protocol.
119
120 The SILC Connection Authentication protocol provides user level
121 authentication used when creating connections in SILC network.  The
122 protocol is transparent to the authentication data which means that it
123 can be used to authenticate the user with, for example, passphrase
124 (pre-shared- secret) or public key (and certificate).
125
126 The basis of secure SILC session requires strong and secure key exchange
127 protocol and authentication.  The authentication protocol is entirely
128 secured and no authentication data is ever sent in the network without
129 encrypting and authenticating it first.  Thus, authentication protocol
130 may be used only after the key exchange protocol has been successfully
131 completed.
132
133 This document refers constantly to other SILC protocol specification
134 Internet Drafts that are a must read for those who wants to understand
135 the function of these protocols.  The most important references are
136 the Secure Internet Live Conferencing, Protocol Specification [SILC1]
137 and the SILC Packet Protocol [SILC2] Internet Drafts.
138
139 The protocol is intended to be used with the SILC protocol thus it
140 does not define own framework that could be used.  The framework is
141 provided by the SILC protocol.
142
143
144 .ti 0
145 2 SILC Key Exchange Protocol
146
147 SILC Key Exchange Protocol (SKE) is used to exchange shared secret
148 between connecting entities.  The result of this protocol is a key
149 material used to secure the communication channel.  The protocol uses
150 Diffie-Hellman key exchange algorithm and its functionality is derived
151 from several key exchange protocols.  SKE uses best parts of the SSH2
152 Key Exchange protocol, Station-To-Station (STS) protocol and the OAKLEY
153 Key Determination protocol.  The protocol does not claim any conformance
154 to any of these protocols, they were merely used as a reference when
155 designing this protocol.
156
157 The purpose of SILC Key Exchange protocol is to create session keys to
158 be used in current SILC session.  The keys are valid only for some period
159 of time (usually an hour) or at most until the session ends.  These keys
160 are used to protect packets like commands, command replies and other
161 communication between two entities.  If connection is server to router
162 connection, the keys are used to protect all traffic between those
163 servers.  In client connections usually all the packets are protected
164 with this key except channel messages; channels has their own keys and 
165 they are not exchanged with this protocol.
166
167 The Diffie-Hellman implementation used in the SILC should be compliant
168 to the PKCS #3.
169
170
171 .ti 0
172 2.1 Key Exchange Payloads
173
174 During the key exchange procedure public data is sent between initiator
175 and responder.  This data is later used in the key exchange procedure.
176 There are several payloads used in the key exchange.  As for all SILC
177 packets, SILC Packet Header, described in [SILC2], is at the start of all
178 packets, the same is done with these payloads as well.  All fields in
179 all payloads are always in MSB (most significant byte first) order.
180 Following descriptions of these payloads.
181
182
183 .ti 0
184 2.1.1 Key Exchange Start Payload
185
186 Key exchange between two entities always begins with the
187 SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE packet containing Key Exchange Start Payload.
188 Initiator sends the Key Exchange Start Payload to the responder filled with
189 all security properties it supports.  The responders then checks whether
190 it supports the security properties.
191
192 It then sends a Key Exchange Start Payload to the initiator filled with
193 security properties it selected from the original payload.  The payload sent
194 by responder must include only one chosen property per list.
195
196 The Key Exchange Start Payload is used to tell connecting entities what
197 security properties and algorithms should be used in the communication.
198 The Key Exchange Start Payload is sent only once per session.  Even if
199 the PFS (Perfect Forward Secrecy) flag is se the Key Exchange Start Payload
200 is not re-sent.   When PFS is desired the Key Exchange Payloads are sent
201 to negotiate new key material.  The procedure is equivalent to the very
202 first negotiation except that the Key Exchange Start Payload is not sent.
203
204 As this payload is used only with the very first key exchnage the payload
205 is never encrypted, as there are no keys to encrypt it with.
206
207 A cookie is also sent in this payload.  A cookie is used to uniform the
208 payload so that none of the key exchange parties can determine this
209 payload before hand.  The cookie must be returned to the original sender
210 by the responder.
211
212 Following diagram represents the Key Exchange Start Payload.  The lists
213 mentioned below are always comma (`,') separated and the list must
214 not include spaces (` ').
215
216
217
218
219
220
221
222
223 .in 5
224 .nf
225                      1                   2                   3
226  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
227 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
228 |   RESERVED    |     Flags     |         Payload Length        |
229 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
230 |                                                               |
231 +                                                               +  
232 |                                                               |
233 +                            Cookie                             +
234 |                                                               |
235 +                                                               +
236 |                                                               |
237 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
238 |     Version String Length     |                               |
239 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
240 |                                                               |
241 ~                         Version String                        ~
242 |                                                               |
243 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
244 |   Key Exchange Grp Length     |                               |
245 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
246 |                                                               |
247 ~                      Key Exchange Groups                      ~
248 |                                                               |
249 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
250 |        PKCS Alg Length        |                               |
251 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
252 |                                                               |
253 ~                         PKCS Algorithms                       ~
254 |                                                               |
255 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
256 |     Encryption Alg Length     |                               |
257 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
258 |                                                               |
259 ~                      Encryption Algorithms                    ~
260 |                                                               |
261 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
262 |       Hash Alg Length         |                               |
263 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
264 |                                                               |
265 ~                         Hash Algorithms                       ~
266 |                                                               |
267 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
268 |         HMAC Length           |                               |
269 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
270 |                                                               |
271 ~                             HMACs                             ~
272 |                                                               |
273 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
274 |    Compression Alg Length     |                               |
275 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
276 |                                                               |
277 ~                     Compression Algorithms                    ~
278 |                                                               |
279 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
280 .in 3
281
282 .ce
283 Figure 1:  Key Exchange Start Payload
284
285
286
287 .in 6
288 o RESERVED (1 byte) - Reserved field.  Sender fills this with
289   zeroes (0).
290
291 o Flags (1 byte) - Indicates flags to be used in the key
292   exchange.  Several flags can be set at once by ORing the
293   flags together.  Following flags are reserved for this field.
294
295      No flags                 0x00
296
297        In this case the field is ignored.
298
299      No Reply                 0x01
300
301        If set the receiver of the payload does not reply to 
302        the packet.
303
304      PFS                      0x02
305
306        Perfect Forward Secrecy (PFS) to be used in the
307        key exchange protocol.  If not set, re-keying
308        is performed using the old key.  See the [SILC1]
309        for more information on this issue.  When PFS is used, 
310        re-keying and creating new keys for any particular 
311        purpose will cause new key exchange.  In this key
312        exchange only the Key Exchange Payload is sent and
313        the Key Exchange Start Payload must not be sent.
314        When doing PFS the Key Exchange Payloads are 
315        encrypted with the old keys.  With the PFS, the
316        Mutual Authentication flag must be ignored.
317
318      Mutual Authentication    0x04
319
320        Both of the parties will perform authenetication
321        by providing signed data for the other party to
322        verify.  By default, only responder will provide
323        the signature data.  If this is set then the
324        inititator must also provide it.  Initiator may
325        set this but also responder may set this even if
326        initiator did not set it.
327
328      Rest of the flags are reserved for the future and
329      must not be set.
330
331 o Payload Length (2 bytes) - Length of the entire Key Exchange
332   Start payload, not including any other field.
333
334 o Cookie (16 bytes) - Cookie that uniforms this payload so
335   that each of the party cannot determine the payload before
336   hand.
337
338 o Version String Length (2 bytes) - The length of the Version
339   String field, not including any other field.
340
341 o Version String (variable length) - Indicates the version of
342   the sender of this payload.  Initiator sets this when sending
343   the payload and responder sets this when it replies by sending
344   this payload.  See [SILC1] for definition of the version
345   string format.
346
347 o Key Exchange Grp Length (2 bytes) - The length of the
348   key exchange group list, not including any other field.
349
350 o Key Exchange Group (variable length) - The list of
351   key exchange groups.  See the section 2.1.2 SILC Key Exchange
352   Groups for definitions of these groups.
353
354 o PKCS Alg Length (2 bytes) - The length of the PKCS algorithms
355   list, not including any other field.
356
357 o PKCS Algorithms (variable length) - The list of PKCS 
358   algorithms.
359
360 o Encryption Alg Length (2 bytes) - The length of the encryption
361   algorithms list, not including any other field.
362
363 o Encryption Algorithms (variable length) - The list of
364   encryption algorithms.
365
366 o Hash Alg Length (2 bytes) - The length of the Hash algorithm
367   list, not including any other field.
368
369 o Hash Algorithms (variable length) - The list of Hash
370   algorithms.  The hash algorithms are mainly used in the
371   SKE protocol.
372
373 o HMAC Length (2 bytes) - The length of the HMAC list, not
374   including any other field.
375
376 o HMACs (variable length) - The list of HMACs.  The HMAC's
377   are used to compute the Message Authentication Codes (MAC)
378   of the SILC packets.
379
380 o Compression Alg Length (2 bytes) - The length of the
381   compression algorithms list, not including any other field.
382
383 o Compression Algorithms (variable length) - The list of 
384   compression algorithms.
385 .in 3
386
387
388 .ti 0
389 2.1.2 Key Exchange Payload
390
391 Key Exchange payload is used to deliver the public key (or certificate),
392 the computed Diffie-Hellman public value and possibly signature data
393 from one party to the other.  When initiator is using this payload
394 and the Mutual Authentication flag is not set then the initiator must
395 not provide the signature data.  If the flag is set then the initiator
396 must provide the signature data so that the responder may verify it.
397
398 The Mutual Authentication flag is usually used only if a separate
399 authentication protocol will not be executed for the initiator of the
400 prtocool.  This is case for example when the SKE is performed between
401 two SILC clients.  In normal case, where client is connecting to the
402 server or server is connecting to the router the Mutual Authentication
403 flag is not necessary.
404
405 This payload is sent inside SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_1 and inside
406 SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_2 packet types.  The initiator uses the 
407 SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_1 and the responder the latter.
408
409 The following diagram represent the Key Exchange 1 Payload.
410
411
412 .in 5
413 .nf
414                      1                   2                   3
415  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
416 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
417 |       Public Key Length       |        Public Key Type        |
418 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
419 |                                                               |
420 ~            Public Key of the party (or certificate)           ~
421 |                                                               |
422 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
423 |       Public Data Length      |                               |
424 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
425 |                                                               |
426 ~                          Public Data                          ~
427 |                                                               |
428 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
429 |        Signature Length       |                               |
430 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
431 |                                                               |
432 ~                        Signature Data                         ~
433 |                                                               |
434 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
435 .in 3
436
437 .ce
438 Figure 2:  Key Exchange Payload
439
440
441 .in 6
442 o Public Key Length (2 bytes) - The length of the Public Key
443   (or certificate) field, not including any other field.
444
445 o Public Key Type (2 bytes) - The public key (or certificate) 
446   type.  This field indicates the type of the public key in 
447   the packet.  Following types are defined:
448
449      1    SILC style public key (mandatory)
450      2    SSH2 style public key (optional)
451      3    X.509 Version 3 certificate (optional)
452      4    OpenPGP certificate (optional)
453      5    SPKI certificate (optional)
454
455   The only required type to support is type number 1.  See 
456   [SILC1] for the SILC public key specification.  See
457   SSH public key specification in [SSH-TRANS].  See X.509v3
458   certificate specification in [PKIX-Part1].  See OpenPGP
459   certificate specification in [PGP].  See SPKI certificate
460   specification in [SPKI].  If this field includes zero (0)
461   or unsupported type number the protocol must be aborted
462   sending SILC_PACKET_FAILURE message and the connection should
463   be closed immediately.
464
465 o Public Data Length (2 bytes) - The length of the Public Data
466   field, not including any other field.
467
468 o Public Data (variable length) - The public data to be
469   sent to the receiver.  See section 2.2 Key Exchange 
470   Procedure for detailed description how this field is
471   computed.  This value is binary encoded.
472
473 o Signature Length (2 bytes) - The length of the signature,
474   not including any other field.
475
476 o Signature Data (variable length) - The signature signed
477   by the sender.  The receiver of this signature must
478   verify it.  The verification is done using the public
479   key received in this same payload.  See section 2.2
480   Key Exchange Procedure for detailed description how
481   to produce the signature.  If the Mutual Authentication
482   flag is not set then initiator must not provide this
483   field and the Signature Length field must be set to zero (0)
484   value.  If the flag is set then also the initiator must
485   provide this field.  The responder always provides this
486   field.
487 .in 3
488
489
490 .ti 0
491 2.2 Key Exchange Procedure
492
493 The key exchange begins by sending SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE packet with
494 Key Exchange Start Payload to select the security properties to be used
495 in the key exchange and later in the communication.
496
497 After Key Exchange Start Payload has been processed by both of the
498 parties the protocol proceeds as follows:
499
500
501 Setup:  p is a large and public safe prime.  This is one of the
502         Diffie Hellman groups.  q is order of subgroup (largest
503         prime factor of p).  g is a generator and is defined
504         along with the Diffie Hellman group.
505
506     1.  Initiator generates a random number x, where 1 < x < q, 
507         and computes e = g ^ x mod p.  The result e is then 
508         encoded into Key Exchange Payload and sent to the
509         responder.
510
511         If the Mutual Authentication flag is set then initiator
512         must also produce signature data SIGN_i which the responder
513         will verify.  The initiator must compute a hash value
514         HASH_i = hash(Key Exchange Start Payload | public key
515         (or certificate) | e).  It then signs the HASH_i value with
516         its private key resulting a signature SIGN_i.
517
518     2.  Responder generates a random number y, where 1 < y < q,
519         and computes f = g ^ y mod p.  It then computes the
520         shared secret KEY = e ^ y mod p, and, a hash value 
521         HASH = hash(Key Exchange Start Payload data | public 
522         key (or certificate) | e | f | KEY).  It then signs
523         the HASH value with its private key resulting a signature
524         SIGN.  
525
526         It then encodes its public key (or certificate), f and 
527         SIGN into Key Exchange Payload and sends it to the 
528         initiator.
529
530         If the Mutual Authentication flag is set then the responder
531         should verify that the public key provided in the payload
532         is authentic, or if certificates are used it verifies the
533         certificate.  The responder may accept the public key without
534         verifying it, however, doing so may result to insecure key
535         exchange (accepting the public key without verifying may be
536         desirable for practical reasons on many environments.  For
537         long term use this is never desirable, in which case
538         certificates would be the preferred method to use).  It then
539         computes the HASH_i value the same way initiator did in the
540         phase 1.  It then verifies the signature SIGN_i from the
541         payload with the hash value HASH_i using the received public
542         key.
543
544     3.  Initiator verifies that the public key provided in
545         the payload is authentic, or if certificates are used
546         it verifies the certificate.  The initiator may accept
547         the public key without verifying it, however, doing
548         so may result to insecure key exchange (accepting the
549         public key without verifying may be desirable for 
550         practical reasons on many environments.  For long term
551         use this is never desirable, in which case certificates
552         would be the preferred method to use).
553
554         Initiator then computes the shared secret KEY = 
555         f ^ x mod p, and, a hash value HASH in the same way as
556         responder did in phase 2.  It then verifies the 
557         signature SIGN from the payload with the hash value
558         HASH using the received public key.
559
560
561 If any of these phases is to fail SILC_PACKET_FAILURE is sent to
562 indicate that the key exchange protocol has failed, and the connection
563 should be closed immediately.  Any other packets must not be sent or
564 accepted during the key exchange except the SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_*,
565 SILC_PACKET_FAILURE and SILC_PACKET_SUCCESS packets.
566
567 The result of this protocol is a shared secret key material KEY and
568 a hash value HASH.  The key material itself is not fit to be used as 
569 a key, it needs to be processed further to derive the actual keys to be
570 used.  The key material is also used to produce other security parameters
571 later used in the communication.  See section 2.3 Processing the Key
572 Material for detailed description how to process the key material.
573
574 If the Mutual Authentication flag was set the protocol produces also
575 a hash value HASH_i.  This value, however, must be discarded.
576
577 After the keys are processed the protocol is ended by sending the
578 SILC_PACKET_SUCCESS packet.  Both entities send this packet to 
579 each other.  After this both parties will start using the new keys.
580
581
582
583
584 .ti 0
585 2.3 Processing the Key Material
586
587 Key Exchange protocol produces secret shared key material KEY.  This
588 key material is used to derive the actual keys used in the encryption
589 of the communication channel.  The key material is also used to derive
590 other security parameters used in the communication.  Key Exchange
591 protocol produces a hash value HASH as well.
592
593 Keys are derived from the key material as follows:
594
595 .in 6
596 Sending Initial Vector (IV)     = hash(0 | KEY | HASH)
597 Receiving Initial Vector (IV)   = hash(1 | KEY | HASH)
598 Sending Encryption Key          = hash(2 | KEY | HASH)
599 Receiving Encryption Key        = hash(3 | KEY | HASH)
600 HMAC Key                        = hash(4 | KEY | HASH)
601 .in 3
602
603
604 The Initial Vector (IV) is used in the encryption when doing for
605 example CBC mode.  As many bytes as needed are taken from the start of
606 the hash output for IV.  Sending IV is for sending key and receiving IV
607 is for receiving key.  For receiving party, the receiving IV is actually
608 sender's sending IV, and, the sending IV is actually sender's receiving
609 IV.  Initiator uses IV's as they are (sending IV for sending and
610 receiving IV for receiving).
611
612 The Encryption Keys are derived as well from the hash().  If the hash()
613 output is too short for the encryption algorithm more key material is
614 produced in following manner:
615
616 .in 6
617 K1 = hash(2 | KEY | HASH)
618 K2 = hash(KEY | K1)
619 K3 = hash(KEY | K1 | K2)  ...
620
621 Sending Encryption Key = K1 | K2 | K3 ...
622
623
624 K1 = hash(3 | KEY | HASH)
625 K2 = hash(KEY | K1)
626 K3 = hash(KEY | K1 | K2)  ...
627
628 Receiving Encryption Key = K1 | K2 | K3 ...
629 .in 3
630
631
632 The key is distributed by hashing the previous hash with the original
633 key material.  The final key is a concatenation of the hash values.
634 For Receiving Encryption Key the procedure is equivalent.  Sending key
635 is used only for encrypting data to be sent.  The receiving key is used
636 only to decrypt received data.  For receiving party, the receive key is
637 actually sender's sending key, and, the sending key is actually sender's
638 receiving key.  Initiator uses generated keys as they are (sending key
639 for sending and receiving key for sending).
640
641 The HMAC key is used to create MAC values to packets in the communication
642 channel.  As many bytes as needed are taken from the start of the hash
643 output.
644
645 These procedures are performed by all parties of the key exchange
646 protocol.  This must be done before the protocol has been ended by
647 sending the SILC_PACKET_SUCCESS packet.
648
649
650 .ti 0
651 2.4 SILC Key Exchange Groups
652
653 Following groups may be used in the SILC Key Exchange protocol.  The 
654 first group diffie-hellman-group1 is mandatory, other groups maybe 
655 negotiated to be used in the connection with Key Exchange Start Payload
656 and SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE packet.  However, the first group must be
657 proposed in the Key Exchange Start Payload regardless of any other
658 requested group (however, it does not have to be the first in the list).
659
660
661 .ti 0
662 2.4.1 diffie-hellman-group1
663
664 The length of this group is 1024 bits.  This is mandatory group.
665 The prime is 2^1024 - 2^960 - 1 + 2^64 * { [2^894 pi] + 129093 }.
666
667 Its decimal value is
668
669 .in 6
670 179769313486231590770839156793787453197860296048756011706444
671 423684197180216158519368947833795864925541502180565485980503
672 646440548199239100050792877003355816639229553136239076508735
673 759914822574862575007425302077447712589550957937778424442426
674 617334727629299387668709205606050270810842907692932019128194
675 467627007
676 .in 3
677
678 Its hexadecimal value is
679
680 .in 6
681 FFFFFFFF FFFFFFFF C90FDAA2 2168C234 C4C6628B 80DC1CD1
682 29024E08 8A67CC74 020BBEA6 3B139B22 514A0879 8E3404DD
683 EF9519B3 CD3A431B 302B0A6D F25F1437 4FE1356D 6D51C245
684 E485B576 625E7EC6 F44C42E9 A637ED6B 0BFF5CB6 F406B7ED
685 EE386BFB 5A899FA5 AE9F2411 7C4B1FE6 49286651 ECE65381
686 FFFFFFFF FFFFFFFF
687 .in 3
688
689
690 The generator used with this prime is g = 2.  The group order q is
691 (p - 1) / 2.
692
693 This group was taken from the OAKLEY specification.
694
695
696 .ti 0
697 2.4.2 diffie-hellman-group2
698
699 The length of this group is 1536 bits.  This is optional group.
700 The prime is 2^1536 - 2^1472 - 1 + 2^64 * { [2^1406 pi] + 741804 }.
701
702 Its decimal value is
703
704 .in 6
705 241031242692103258855207602219756607485695054850245994265411
706 694195810883168261222889009385826134161467322714147790401219
707 650364895705058263194273070680500922306273474534107340669624
708 601458936165977404102716924945320037872943417032584377865919
709 814376319377685986952408894019557734611984354530154704374720
710 774996976375008430892633929555996888245787241299381012913029
711 459299994792636526405928464720973038494721168143446471443848
712 8520940127459844288859336526896320919633919
713 .in 3
714
715 Its hexadecimal value is
716
717 .in 6
718 FFFFFFFF FFFFFFFF C90FDAA2 2168C234 C4C6628B 80DC1CD1
719 29024E08 8A67CC74 020BBEA6 3B139B22 514A0879 8E3404DD
720 EF9519B3 CD3A431B 302B0A6D F25F1437 4FE1356D 6D51C245
721 E485B576 625E7EC6 F44C42E9 A637ED6B 0BFF5CB6 F406B7ED
722 EE386BFB 5A899FA5 AE9F2411 7C4B1FE6 49286651 ECE45B3D
723 C2007CB8 A163BF05 98DA4836 1C55D39A 69163FA8 FD24CF5F
724 83655D23 DCA3AD96 1C62F356 208552BB 9ED52907 7096966D
725 670C354E 4ABC9804 F1746C08 CA237327 FFFFFFFF FFFFFFFF
726 .in 3
727
728 The generator used with this prime is g = 2.  The group order q is
729 (p - 1) / 2.
730
731 This group was taken from the OAKLEY specification.
732
733
734 .ti 0
735 2.5 Key Exchange Status Types
736
737 This section defines all key exchange protocol status types that may be
738 returned in the SILC_PACKET_SUCCESS or SILC_PACKET_FAILURE packets to
739 indicate the status of the protocol.  Implementations may map the
740 status types to human readable error message.  All types except the
741 SILC_SKE_STATUS_OK type must be sent in SILC_PACKET_FAILURE packet.
742 The length of status is 32 bits (4 bytes).  Following status types are 
743 defined:
744
745 .in 6
746 0   SILC_SKE_STATUS_OK
747
748     Protocol were executed successfully.
749
750
751 1   SILC_SKE_STATUS_ERROR
752
753     Unknown error occured.  No specific error type is defined.
754
755
756 2   SILC_SKE_STATUS_BAD_PAYLOAD
757
758     Provided KE payload were malformed or included bad fields.
759
760
761 3   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_GROUP
762
763     None of the provided groups were supported.
764
765
766 4   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_CIPHER
767
768     None of the provided ciphers were supported.
769
770
771 5   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_PKCS
772
773     None of the provided public key algorithms were supported.
774
775
776 6   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_HASH_FUNCTION
777
778     None of the provided hash functions were supported.
779
780
781 7   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_HMAC
782
783     None of the provided HMACs were supported.
784
785
786 8   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_PUBLIC_KEY
787
788     Provided public key type is not supported.
789
790
791 9   SILC_SKE_STATUS_INCORRECT_SIGNATURE
792
793     Provided signature was incorrect.
794
795
796 10  SILC_SKE_STATUS_BAD_VERSION
797
798     Provided version string was not acceptable.
799 .in 3
800
801
802
803
804
805 .ti 0
806 3 SILC Connection Authentication Protocol
807
808 Purpose of Connection Authentication protocol is to authenticate the
809 connecting party with server.  Usually connecting party is client but
810 server may connect to server as well.  Its other purpose is to provide
811 information for the server about which type of connection this is.
812 The type defines whether this is client, server or router connection.
813 Server uses this information to create the ID for the connection.  After
814 the authentication protocol has been successfully completed 
815 SILC_PACKET_NEW_ID must be sent to the connecting party by the server.
816 See section New ID Payload in [SILC2] for detailed description for this
817 packet's payload.
818
819 Server must verify the authentication data received and if it is to fail
820 the authentication must be failed by sending SILC_PACKET_FAILURE packet.
821 If everything checks out fine the protocol is ended by server by sending
822 SILC_PACKET_SUCCESS packet.
823
824 The protocol is executed after the SILC Key Exchange protocol.  It must
825 not be executed in any other time.  As it is performed after key exchange
826 protocol all traffic in the connection authentication protocol is
827 encrypted with the exchanged keys.
828
829 The protocol is started by the connecting party by sending
830 SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH packet with Connection Auth Payload,
831 described in the next section.  This payload must include the
832 authentication data.  Authentication data is set according
833 authentication method that must be known by both parties.  If connecting
834 party does not know what is the mandatory authentication method it may
835 request it from the server by sending SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH_REQUEST
836 packet.  This packet is not part of this protocol and is described in
837 section Connection Auth Request Payload in [SILC2].  However, if
838 connecting party already knows the mandatory authentication method
839 sending the request is not necessary.
840
841 See [SILC1] and section Connection Auth Request Payload in [SILC2] also
842 for the list of different authentication methods.  Authentication method
843 may also be NONE, in which case the server does not require
844 authentication at all.  However, in this case the protocol still must be
845 executed; the authentication data just is empty indicating no
846 authentication is required.
847
848 If authentication method is passphrase the authentication data is
849 plaintext passphrase.  As the payload is entirely encrypted it is safe
850 to have plaintext passphrase.  3.2.1 Passphrase Authentication for
851 more information.
852
853
854 If authentication method is public key authentication the authentication
855 data is signature of the hash value HASH plus Key Exchange Start Payload,
856 established by the SILC Key Exchange protocol.  This signature must then
857 be verified by the server.  See section 3.2.2 Public Key Authentication
858 for more information.
859
860 The connecting party of this protocol must wait after successful execution
861 of this protocol for the SILC_PACKET_NEW_ID packet where it will receive
862 the ID it will be using in the SILC network.  Connecting party cannot
863 start normal SILC session (sending messages or commands) until it has
864 received its ID.  The ID's are always created by the server except
865 for server to server connection where servers create their own ID's.
866
867
868
869 .ti 0
870 3.1 Connection Auth Payload
871
872 Client sends this payload to authenticate itself to the server.  Server
873 connecting to another server also sends this payload.  Server receiving
874 this payload must verify all the data in it and if something is to fail
875 the authentication must be failed by sending SILC_PACKET_FAILURE packet.
876
877 The payload may only be sent with SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH packet.
878 It must not be sent in any other packet type.  Following diagram 
879 represent the Connection Auth Payload.
880
881
882 .in 5
883 .nf
884                      1                   2                   3
885  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
886 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
887 |        Payload Length         |        Connection Type        |
888 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
889 |                                                               |
890 ~                     Authentication Data                       ~
891 |                                                               |
892 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
893 .in 3
894  
895 .ce
896 Figure 3:  Connection Auth Payload
897
898
899 .in 6
900 o Payload Length (2 bytes) - Length of the entire Connection 
901   Auth Payload.
902
903 o Connection Type (2 bytes) - Indicates the type of the 
904   connection.  See section Connection Auth Request Payload
905   in [SILC2] for the list of connection types.  This field must 
906   include valid connection type or the packet must be discarded 
907   and authentication must be failed. 
908
909 o Authentication Data (variable length) - The actual 
910   authentication data.  Contents of this depends on the 
911   authentication method known by both parties.  If no
912   authentication is required this field does not exist.
913 .in 3
914
915
916 .ti 0
917 3.2 Connection Authentication Types
918
919 SILC supports two authentication types to be used in the connection
920 authentication protocol; passphrase or public key based authentication.
921 Following sections defines the authentication methods.  See [SILC2]
922 for defined numerical authentication method types.
923
924
925 .ti 0
926 3.2.1 Passphrase Authentication
927
928 Passphrase authentication or pre-shared-key base authentication is 
929 simply an authentication where the party that wants to authenticate 
930 itself to the other end sends the passphrase that is required by
931 the other end, for example server.
932
933 If the passphrase matches with the one in the server's end the
934 authentication is successful.  Otherwise SILC_PACKET_FAILURE must be
935 sent to the sender and the protocol execution fails.
936
937 This is required authentication method to be supported by all SILC
938 implementations.
939
940
941 .ti 0
942 3.2.2 Public Key Authentication
943
944 Public key authentication may be used if passphrase based authentication
945 is not desired.  The public key authentication works by sending a
946 signature as authentication data to the other end, say, server.  The
947 server must then verify the signature by the public key of the sender,
948 which the server has received earlier in SKE protocol.
949
950 The signature is computed using the private key of the sender by signing
951 the HASH value provided by the SKE protocol previously, and the Key
952 Exchange Start Payload from SKE protocol that was sent to the server.
953 The server must verify the data, thus it must keep the HASH and the
954 Key Exchange Start Payload saved during SKE and authentication protocols.
955
956 If the verified signature matches the sent signature, the authentication
957 were successful and SILC_PACKET_SUCCESS is sent.  If it failed the protocol
958 execution is stopped and SILC_PACKET_FAILURE is sent.
959
960 This is required authentication method to be supported by all SILC
961 implementations.
962
963
964 .ti 0
965 3.3 Connection Authentication Status Types
966
967 This section defines all connection authentication status types that
968 may be returned in the SILC_PACKET_SUCCESS or SILC_PACKET_FAILURE packets
969 to indicate the status of the protocol.  Implementations may map the
970 status types to human readable error message.  All types except the
971 SILC_AUTH_STATUS_OK type must be sent in SILC_PACKET_FAILURE packet.
972 The length of status is 32 bits (4 bytes). Following status types are 
973 defined:
974
975 0   SILC_AUTH_OK
976
977     Protocol was executed successfully.
978
979
980 1   SILC_AUTH_FAILED
981
982     Authentication failed.
983
984
985 .ti 0
986 4 Security Considerations
987
988 Security is central to the design of this protocol, and these security
989 considerations permeate the specification.  Common security considerations
990 such as keeping private keys truly private and using adequate lengths for 
991 symmetric and asymmetric keys must be followed in order to maintain the   
992 security of this protocol.
993
994
995 .ti 0
996 5 References
997
998 [SILC1]      Riikonen, P., "Secure Internet Live Conferencing (SILC),
999              Protocol Specification", Internet Draft, June 2000.
1000
1001 [SILC2]      Riikonen, P., "SILC Packet Protocol", Internet Draft,
1002              June 2000.
1003
1004 [IRC]        Oikarinen, J., and Reed D., "Internet Relay Chat Protocol",
1005              RFC 1459, May 1993.
1006
1007 [IRC-ARCH]   Kalt, C., "Internet Relay Chat: Architecture", RFC 2810,
1008              April 2000.
1009
1010 [IRC-CHAN]   Kalt, C., "Internet Relay Chat: Channel Management", RFC
1011              2811, April 2000.
1012
1013 [IRC-CLIENT] Kalt, C., "Internet Relay Chat: Client Protocol", RFC
1014              2812, April 2000.
1015
1016 [IRC-SERVER] Kalt, C., "Internet Relay Chat: Server Protocol", RFC
1017              2813, April 2000.
1018
1019 [SSH-TRANS]  Ylonen, T., et al, "SSH Transport Layer Protocol", 
1020              Internet Draft.
1021
1022 [PGP]        Callas, J., et al, "OpenPGP Message Format", RFC 2440,
1023              November 1998.
1024
1025 [SPKI]       Ellison C., et al, "SPKI Certificate Theory", RFC 2693,
1026              September 1999.
1027
1028 [PKIX-Part1] Housley, R., et al, "Internet X.509 Public Key 
1029              Infrastructure, Certificate and CRL Profile", RFC 2459,
1030              January 1999.
1031
1032 [Schneier]   Schneier, B., "Applied Cryptography Second Edition",
1033              John Wiley & Sons, New York, NY, 1996.
1034
1035 [Menezes]    Menezes, A., et al, "Handbook of Applied Cryptography",
1036              CRC Press 1997.
1037
1038 [OAKLEY]     Orman, H., "The OAKLEY Key Determination Protocol",
1039              RFC 2412, November 1998.
1040
1041 [ISAKMP]     Maughan D., et al, "Internet Security Association and
1042              Key Management Protocol (ISAKMP)", RFC 2408, November
1043              1998.
1044
1045 [IKE]        Harkins D., and Carrel D., "The Internet Key Exchange
1046              (IKE)", RFC 2409, November 1998.
1047
1048 [HMAC]       Krawczyk, H., "HMAC: Keyed-Hashing for Message
1049              Authentication", RFC 2104, February 1997.
1050
1051 [PKCS1]      Kalinski, B., and Staddon, J., "PKCS #1 RSA Cryptography
1052              Specifications, Version 2.0", RFC 2437, October 1998.
1053
1054
1055 .ti 0
1056 6 Author's Address
1057
1058 .nf
1059 Pekka Riikonen
1060 Kasarmikatu 11 A4
1061 70110 Kuopio
1062 Finland
1063
1064 EMail: priikone@poseidon.pspt.fi
1065
1066 This Internet-Draft expires 6 Jun 2001