315a91ba6d5f85ad7e7b088b23127e09463bd8dc
[silc.git] / doc / draft-riikonen-silc-ke-auth-04.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 XXX
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-04.txt                      XXX
20 Expires: XXX
21
22 .in 3
23
24 .ce 2
25 SILC Key Exchange and Authentication Protocols
26 <draft-riikonen-silc-ke-auth-04.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 .................................. 13
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 ........................... 18
91       3.2.1 Passphrase Authentication ........................... 19
92       3.2.2 Public Key Authentication ........................... 19
93   3.3 Connection Authentication Status Types .................... 19
94 4 Security Considerations ....................................... 20
95 5 References .................................................... 20
96 6 Author's Address .............................................. 21
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, pass phrase
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.
204
205 The Key Exchange Start Payload is used to tell connecting entities what
206 security properties and algorithms should be used in the communication.
207 The Key Exchange Start Payload is sent only once per session.  Even if
208 the PFS (Perfect Forward Secrecy) flag is set the Key Exchange Start
209 Payload is not re-sent.  When PFS is desired the Key Exchange Payloads
210 are sent to negotiate new key material.  The procedure is equivalent to
211 the very first negotiation except that the Key Exchange Start Payload
212 is not sent.
213
214 As this payload is used only with the very first key exchange the payload
215 is never encrypted, as there are no keys to encrypt it with.
216
217 A cookie is also sent in this payload.  A cookie is used to randomize the
218 payload so that none of the key exchange parties can determine this
219 payload before the key exchange procedure starts.  The cookie MUST be
220 returned to the original sender by the responder.
221
222 Following diagram represents the Key Exchange Start Payload.  The lists
223 mentioned below are always comma (`,') separated and the list MUST NOT
224 include spaces (` ').
225
226
227 .in 5
228 .nf
229                      1                   2                   3
230  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
231 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
232 |   RESERVED    |     Flags     |         Payload Length        |
233 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
234 |                                                               |
235 +                                                               +  
236 |                                                               |
237 +                            Cookie                             +
238 |                                                               |
239 +                                                               +
240 |                                                               |
241 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
242 |     Version String Length     |                               |
243 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
244 |                                                               |
245 ~                         Version String                        ~
246 |                                                               |
247 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
248 |   Key Exchange Grp Length     |                               |
249 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
250 |                                                               |
251 ~                      Key Exchange Groups                      ~
252 |                                                               |
253 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
254 |        PKCS Alg Length        |                               |
255 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
256 |                                                               |
257 ~                         PKCS Algorithms                       ~
258 |                                                               |
259 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
260 |     Encryption Alg Length     |                               |
261 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
262 |                                                               |
263 ~                      Encryption Algorithms                    ~
264 |                                                               |
265 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
266 |       Hash Alg Length         |                               |
267 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
268 |                                                               |
269 ~                         Hash Algorithms                       ~
270 |                                                               |
271 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
272 |         HMAC Length           |                               |
273 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
274 |                                                               |
275 ~                             HMACs                             ~
276 |                                                               |
277 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
278 |    Compression Alg Length     |                               |
279 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
280 |                                                               |
281 ~                     Compression Algorithms                    ~
282 |                                                               |
283 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
284 .in 3
285
286 .ce
287 Figure 1:  Key Exchange Start Payload
288
289
290
291 .in 6
292 o RESERVED (1 byte) - Reserved field.  Sender fills this with
293   zero (0) value.
294
295 o Flags (1 byte) - Indicates flags to be used in the key
296   exchange.  Several flags can be set at once by ORing the
297   flags together.  The following flags are reserved for this
298   field:
299
300      No flags                 0x00
301
302        In this case the field is ignored.
303
304      No Reply                 0x01
305
306        If set the receiver of the payload does not reply to 
307        the packet.
308
309      PFS                      0x02
310
311        Perfect Forward Secrecy (PFS) to be used in the
312        key exchange protocol.  If not set, re-keying
313        is performed using the old key.  See the [SILC1]
314        for more information on this issue.  When PFS is
315        used, re-keying and creating new keys for any
316        particular purpose MUST cause new key exchange.
317        In this key exchange only the Key Exchange Payload
318        is sent and the Key Exchange Start Payload MUST
319        NOT be sent.  When doing PFS the Key Exchange
320        Payloads are encrypted with the old keys.
321
322      Mutual Authentication    0x04
323
324        Both of the parties will perform authentication
325        by providing signed data for the other party to
326        verify.  By default, only responder will provide
327        the signature data.  If this is set then the
328        initiator must also provide it.  Initiator MAY
329        set this but also responder MAY set this even if
330        initiator did not set it.
331
332      Rest of the flags are reserved for the future and
333      MUST NOT be set.
334
335 o Payload Length (2 bytes) - Length of the entire Key Exchange
336   Start payload, not including any other field.
337
338 o Cookie (16 bytes) - Cookie that randomize this payload so
339   that each of the party cannot determine the payload before
340   hand.
341
342 o Version String Length (2 bytes) - The length of the Version
343   String field, not including any other field.
344
345 o Version String (variable length) - Indicates the version of
346   the sender of this payload.  Initiator sets this when sending
347   the payload and responder sets this when it replies by sending
348   this payload.  See [SILC1] for definition of the version
349   string format.
350
351 o Key Exchange Grp Length (2 bytes) - The length of the
352   key exchange group list, not including any other field.
353
354 o Key Exchange Group (variable length) - The list of
355   key exchange groups.  See the section 2.4 SILC Key Exchange
356   Groups for definitions of these groups.
357
358 o PKCS Alg Length (2 bytes) - The length of the PKCS algorithms
359   list, not including any other field.
360
361 o PKCS Algorithms (variable length) - The list of PKCS 
362   algorithms.
363
364 o Encryption Alg Length (2 bytes) - The length of the encryption
365   algorithms list, not including any other field.
366
367 o Encryption Algorithms (variable length) - The list of
368   encryption algorithms.
369
370 o Hash Alg Length (2 bytes) - The length of the Hash algorithm
371   list, not including any other field.
372
373 o Hash Algorithms (variable length) - The list of Hash
374   algorithms.  The hash algorithms are mainly used in the
375   SKE protocol.
376
377 o HMAC Length (2 bytes) - The length of the HMAC list, not
378   including any other field.
379
380 o HMACs (variable length) - The list of HMACs.  The HMAC's
381   are used to compute the Message Authentication Codes (MAC)
382   of the SILC packets.
383
384 o Compression Alg Length (2 bytes) - The length of the
385   compression algorithms list, not including any other field.
386
387 o Compression Algorithms (variable length) - The list of 
388   compression algorithms.
389 .in 3
390
391
392 .ti 0
393 2.1.2 Key Exchange Payload
394
395 Key Exchange payload is used to deliver the public key (or certificate),
396 the computed Diffie-Hellman public value and possibly signature data
397 from one party to the other.  When initiator is using this payload
398 and the Mutual Authentication flag is not set then the initiator MUST
399 NOT provide the signature data.  If the flag is set then the initiator
400 MUST provide the signature data so that the responder can verify it.
401
402 The Mutual Authentication flag is usually used when a separate 
403 authentication protocol will not be executed for the initiator of the
404 protocol.  This is case for example when the SKE is performed between
405 two SILC clients.  In normal case, where client is connecting to a
406 server, or server is connecting to a router the Mutual Authentication
407 flag may be omitted.  However, if the connection authentication protocol 
408 for the connecting entity is not based on public key authentication (it
409 is based on passphrase) then it is RECOMMENDED that Mutual Authentication 
410 flag is enabled.  This way the connecting entity has to provide proof
411 of posession of the private key for the public key it will provide in
412 SILC Key Exchange protocol.
413
414 When performing re-key with PFS selected this is the only payload that
415 is sent in the SKE protocol.  The Key Exchange Start Payload MUST NOT
416 be sent at all.  However, this payload does not have all the fields
417 present.  In the re-key with PFS the public key and a possible signature
418 data SHOULD NOT be present.  If they are present they MUST be ignored.
419 The only field that is present is the Public Data that is used to create
420 the new key material.  In the re-key the Mutual Authentication flag, that
421 may be set in the initial negotiation, MUST also be ignored.
422
423 This payload is sent inside SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_1 and inside
424 SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_2 packet types.  The initiator uses the 
425 SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_1 and the responder the latter.
426
427 The following diagram represent the Key Exchange Payload.
428
429
430 .in 5
431 .nf
432                      1                   2                   3
433  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
434 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
435 |       Public Key Length       |        Public Key Type        |
436 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
437 |                                                               |
438 ~            Public Key of the party (or certificate)           ~
439 |                                                               |
440 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
441 |       Public Data Length      |                               |
442 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
443 |                                                               |
444 ~                          Public Data                          ~
445 |                                                               |
446 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
447 |        Signature Length       |                               |
448 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
449 |                                                               |
450 ~                        Signature Data                         ~
451 |                                                               |
452 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
453 .in 3
454
455 .ce
456 Figure 2:  Key Exchange Payload
457
458
459 .in 6
460 o Public Key Length (2 bytes) - The length of the Public Key
461   (or certificate) field, not including any other field.
462
463 o Public Key Type (2 bytes) - The public key (or certificate) 
464   type.  This field indicates the type of the public key in 
465   the packet.  Following types are defined:
466
467      1    SILC style public key (mandatory)
468      2    SSH2 style public key (optional)
469      3    X.509 Version 3 certificate (optional)
470      4    OpenPGP certificate (optional)
471      5    SPKI certificate (optional)
472
473   The only required type to support is type number 1.  See 
474   [SILC1] for the SILC public key specification.  See
475   SSH public key specification in [SSH-TRANS].  See X.509v3
476   certificate specification in [PKIX-Part1].  See OpenPGP
477   certificate specification in [PGP].  See SPKI certificate
478   specification in [SPKI].  If this field includes zero (0)
479   or unsupported type number the protocol MUST be aborted
480   sending SILC_PACKET_FAILURE message and the connection SHOULD
481   be closed immediately.
482
483 o Public Key (or certificate) (variable length) - The
484   public key or certificate.
485
486 o Public Data Length (2 bytes) - The length of the Public Data
487   field, not including any other field.
488
489 o Public Data (variable length) - The public data to be
490   sent to the receiver.  See section 2.2 Key Exchange 
491   Procedure for detailed description how this field is
492   computed.  This value is binary encoded.
493
494 o Signature Length (2 bytes) - The length of the signature,
495   not including any other field.
496
497 o Signature Data (variable length) - The signature signed
498   by the sender.  The receiver of this signature MUST
499   verify it.  The verification is done using the sender's
500   public key.  See section 2.2 Key Exchange Procedure for
501   detailed description how to produce the signature.  If
502   the Mutual Authentication flag is not set then initiator
503   MUST NOT provide this field and the Signature Length field
504   MUST be set to zero (0) value.  If the flag is set then
505   also the initiator MUST provide this field.  The responder
506   MUST always provide this field.
507 .in 3
508
509
510 .ti 0
511 2.2 Key Exchange Procedure
512
513 The key exchange begins by sending SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE packet with
514 Key Exchange Start Payload to select the security properties to be used
515 in the key exchange and later in the communication.
516
517 After Key Exchange Start Payload has been processed by both of the
518 parties the protocol proceeds as follows:
519
520
521 Setup:  p is a large and public safe prime.  This is one of the
522         Diffie Hellman groups.  q is order of subgroup (largest
523         prime factor of p).  g is a generator and is defined
524         along with the Diffie Hellman group.
525
526     1.  Initiator generates a random number x, where 1 < x < q, 
527         and computes e = g ^ x mod p.  The result e is then 
528         encoded into Key Exchange Payload and sent to the
529         responder.
530
531         If the Mutual Authentication flag is set then initiator
532         MUST also produce signature data SIGN_i which the responder
533         will verify.  The initiator MUST compute a hash value
534         HASH_i = hash(Key Exchange Start Payload | public key
535         (or certificate) | e).  It then signs the HASH_i value with
536         its private key resulting a signature SIGN_i.
537
538     2.  Responder generates a random number y, where 1 < y < q,
539         and computes f = g ^ y mod p.  It then computes the
540         shared secret KEY = e ^ y mod p, and, a hash value 
541         HASH = hash(Key Exchange Start Payload data | public 
542         key (or certificate) | e | f | KEY).  It then signs
543         the HASH value with its private key resulting a signature
544         SIGN.  
545
546         It then encodes its public key (or certificate), f and 
547         SIGN into Key Exchange Payload and sends it to the 
548         initiator.
549
550         If the Mutual Authentication flag is set then the responder
551         SHOULD verify that the public key provided in the payload
552         is authentic, or if certificates are used it verifies the
553         certificate.  The responder MAY accept the public key without
554         verifying it, however, doing so may result to insecure key
555         exchange (accepting the public key without verifying may be
556         desirable for practical reasons on many environments.  For
557         long term use this is never desirable, in which case
558         certificates would be the preferred method to use).  It then
559         computes the HASH_i value the same way initiator did in the
560         phase 1.  It then verifies the signature SIGN_i from the
561         payload with the hash value HASH_i using the received public
562         key.
563
564     3.  Initiator verifies that the public key provided in
565         the payload is authentic, or if certificates are used
566         it verifies the certificate.  The initiator MAY accept
567         the public key without verifying it, however, doing
568         so may result to insecure key exchange (accepting the
569         public key without verifying may be desirable for 
570         practical reasons on many environments.  For long term
571         use this is never desirable, in which case certificates
572         would be the preferred method to use).
573
574         Initiator then computes the shared secret KEY = 
575         f ^ x mod p, and, a hash value HASH in the same way as
576         responder did in phase 2.  It then verifies the 
577         signature SIGN from the payload with the hash value
578         HASH using the received public key.
579
580
581 If any of these phases is to fail the SILC_PACKET_FAILURE MUST be sent
582 to indicate that the key exchange protocol has failed, and the connection
583 SHOULD be closed immediately.  Any other packets MUST NOT be sent or
584 accepted during the key exchange except the SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE_*,
585 SILC_PACKET_FAILURE and SILC_PACKET_SUCCESS packets.
586
587 The result of this protocol is a shared secret key material KEY and
588 a hash value HASH.  The key material itself is not fit to be used as 
589 a key, it needs to be processed further to derive the actual keys to be
590 used.  The key material is also used to produce other security parameters
591 later used in the communication.  See section 2.3 Processing the Key
592 Material for detailed description how to process the key material.
593
594 If the Mutual Authentication flag was set the protocol produces also
595 a hash value HASH_i.  This value, however, must be discarded.
596
597 After the keys are processed the protocol is ended by sending the
598 SILC_PACKET_SUCCESS packet.  Both entities send this packet to 
599 each other.  After this both parties will start using the new keys.
600
601
602 .ti 0
603 2.3 Processing the Key Material
604
605 Key Exchange protocol produces secret shared key material KEY.  This
606 key material is used to derive the actual keys used in the encryption
607 of the communication channel.  The key material is also used to derive
608 other security parameters used in the communication.  Key Exchange
609 protocol produces a hash value HASH as well.
610
611 The keys MUST be derived from the key material as follows:
612
613 .in 6
614 Sending Initial Vector (IV)     = hash(0 | KEY | HASH)
615 Receiving Initial Vector (IV)   = hash(1 | KEY | HASH)
616 Sending Encryption Key          = hash(2 | KEY | HASH)
617 Receiving Encryption Key        = hash(3 | KEY | HASH)
618 Sending HMAC Key                = hash(4 | KEY | HASH)
619 Receiving HMAC Key              = hash(5 | KEY | HASH)
620 .in 3
621
622
623 The Initial Vector (IV) is used in the encryption when doing for
624 example CBC mode.  As many bytes as needed are taken from the start of
625 the hash output for IV.  Sending IV is for sending key and receiving IV
626 is for receiving key.  For receiving party, the receiving IV is actually
627 sender's sending IV, and, the sending IV is actually sender's receiving
628 IV.  Initiator uses IV's as they are (sending IV for sending and
629 receiving IV for receiving).
630
631 The Encryption Keys are derived as well from the hash().  If the hash()
632 output is too short for the encryption algorithm more key material MUST
633 be produced in the following manner:
634
635 .in 6
636 K1 = hash(2 | KEY | HASH)
637 K2 = hash(KEY | HASH | K1)
638 K3 = hash(KEY | HASH | K1 | K2)  ...
639
640 Sending Encryption Key = K1 | K2 | K3 ...
641
642
643 K1 = hash(3 | KEY | HASH)
644 K2 = hash(KEY | HASH | K1)
645 K3 = hash(KEY | HASH | K1 | K2)  ...
646
647 Receiving Encryption Key = K1 | K2 | K3 ...
648 .in 3
649
650
651 The key is distributed by hashing the previous hash with the original
652 key material.  The final key is a concatenation of the hash values.
653 For Receiving Encryption Key the procedure is equivalent.  Sending key
654 is used only for encrypting data to be sent.  The receiving key is used
655 only to decrypt received data.  For receiving party, the receive key is
656 actually sender's sending key, and, the sending key is actually sender's
657 receiving key.  Initiator uses generated keys as they are (sending key
658 for sending and receiving key for receiving).
659
660 The HMAC keys are used to create MAC values to packets in the
661 communication channel.  As many bytes as needed are taken from the start
662 of the hash output to generate the MAC keys.
663
664 These procedures are performed by all parties of the key exchange
665 protocol.  This MUST be done before the protocol has been ended by
666 sending the SILC_PACKET_SUCCESS packet.
667
668 This same procedure is used in the SILC in some other circumstances
669 as well.  Any changes to this procedure is mentioned separately when
670 this procedure is needed.  See the [SILC1] and the [SILC2] for these
671 circumstances.
672
673
674 .ti 0
675 2.4 SILC Key Exchange Groups
676
677 The Following groups may be used in the SILC Key Exchange protocol.
678 The first group diffie-hellman-group1 is REQUIRED, other groups MAY be 
679 negotiated to be used in the connection with Key Exchange Start Payload
680 and SILC_PACKET_KEY_EXCHANGE packet.  However, the first group MUST be
681 proposed in the Key Exchange Start Payload regardless of any other
682 requested group (however, it does not have to be the first in the list).
683
684
685 .ti 0
686 2.4.1 diffie-hellman-group1
687
688 The length of this group is 1024 bits.  This is REQUIRED group.
689 The prime is 2^1024 - 2^960 - 1 + 2^64 * { [2^894 pi] + 129093 }.
690
691 Its decimal value is
692
693 .in 6
694 179769313486231590770839156793787453197860296048756011706444
695 423684197180216158519368947833795864925541502180565485980503
696 646440548199239100050792877003355816639229553136239076508735
697 759914822574862575007425302077447712589550957937778424442426
698 617334727629299387668709205606050270810842907692932019128194
699 467627007
700 .in 3
701
702 Its hexadecimal value is
703
704 .in 6
705 FFFFFFFF FFFFFFFF C90FDAA2 2168C234 C4C6628B 80DC1CD1
706 29024E08 8A67CC74 020BBEA6 3B139B22 514A0879 8E3404DD
707 EF9519B3 CD3A431B 302B0A6D F25F1437 4FE1356D 6D51C245
708 E485B576 625E7EC6 F44C42E9 A637ED6B 0BFF5CB6 F406B7ED
709 EE386BFB 5A899FA5 AE9F2411 7C4B1FE6 49286651 ECE65381
710 FFFFFFFF FFFFFFFF
711 .in 3
712
713
714 The generator used with this prime is g = 2.  The group order q is
715 (p - 1) / 2.
716
717 This group was taken from the OAKLEY specification.
718
719
720 .ti 0
721 2.4.2 diffie-hellman-group2
722
723 The length of this group is 1536 bits.  This is OPTIONAL group.
724 The prime is 2^1536 - 2^1472 - 1 + 2^64 * { [2^1406 pi] + 741804 }.
725
726 Its decimal value is
727
728 .in 6
729 241031242692103258855207602219756607485695054850245994265411
730 694195810883168261222889009385826134161467322714147790401219
731 650364895705058263194273070680500922306273474534107340669624
732 601458936165977404102716924945320037872943417032584377865919
733 814376319377685986952408894019557734611984354530154704374720
734 774996976375008430892633929555996888245787241299381012913029
735 459299994792636526405928464720973038494721168143446471443848
736 8520940127459844288859336526896320919633919
737 .in 3
738
739 Its hexadecimal value is
740
741 .in 6
742 FFFFFFFF FFFFFFFF C90FDAA2 2168C234 C4C6628B 80DC1CD1
743 29024E08 8A67CC74 020BBEA6 3B139B22 514A0879 8E3404DD
744 EF9519B3 CD3A431B 302B0A6D F25F1437 4FE1356D 6D51C245
745 E485B576 625E7EC6 F44C42E9 A637ED6B 0BFF5CB6 F406B7ED
746 EE386BFB 5A899FA5 AE9F2411 7C4B1FE6 49286651 ECE45B3D
747 C2007CB8 A163BF05 98DA4836 1C55D39A 69163FA8 FD24CF5F
748 83655D23 DCA3AD96 1C62F356 208552BB 9ED52907 7096966D
749 670C354E 4ABC9804 F1746C08 CA237327 FFFFFFFF FFFFFFFF
750 .in 3
751
752 The generator used with this prime is g = 2.  The group order q is
753 (p - 1) / 2.
754
755 This group was taken from the OAKLEY specification.
756
757
758 .ti 0
759 2.5 Key Exchange Status Types
760
761 This section defines all key exchange protocol status types that may
762 be returned in the SILC_PACKET_SUCCESS or SILC_PACKET_FAILURE packets
763 to indicate the status of the protocol.  Implementations may map the
764 status types to human readable error message.  All types except the
765 SILC_SKE_STATUS_OK type MUST be sent in SILC_PACKET_FAILURE packet.
766 The length of status is 32 bits (4 bytes).  The following status types
767 are defined:
768
769 .in 6
770 0   SILC_SKE_STATUS_OK
771
772     Protocol were executed successfully.
773
774
775 1   SILC_SKE_STATUS_ERROR
776
777     Unknown error occurred.  No specific error type is defined.
778
779
780 2   SILC_SKE_STATUS_BAD_PAYLOAD
781
782     Provided KE payload were malformed or included bad fields.
783
784
785 3   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_GROUP
786
787     None of the provided groups were supported.
788
789
790 4   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_CIPHER
791
792     None of the provided ciphers were supported.
793
794
795 5   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_PKCS
796
797     None of the provided public key algorithms were supported.
798
799
800 6   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_HASH_FUNCTION
801
802     None of the provided hash functions were supported.
803
804
805 7   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_HMAC
806
807     None of the provided HMACs were supported.
808
809
810 8   SILC_SKE_STATUS_UNSUPPORTED_PUBLIC_KEY
811
812     Provided public key type is not supported.
813
814
815 9   SILC_SKE_STATUS_INCORRECT_SIGNATURE
816
817     Provided signature was incorrect.
818
819
820 10  SILC_SKE_STATUS_BAD_VERSION
821
822     Provided version string was not acceptable.
823
824 11  SILC_SKE_STATUS_INVALID_COOKIE
825
826     The cookie in the Key Exchange Start Payload was malformed,
827     because responder modified the cookie.
828 .in 3
829
830
831 .ti 0
832 3 SILC Connection Authentication Protocol
833
834 Purpose of Connection Authentication protocol is to authenticate the
835 connecting party with server.  Usually connecting party is client but
836 server may connect to router server as well.  Its other purpose is to
837 provide information for the server about which type of connection this
838 is.  The type defines whether this is client, server or router
839 connection.  Server uses this information to create the ID for the
840 connection.
841
842 After the authentication protocol has been successfully completed
843 SILC_PACKET_NEW_ID must be sent to the connecting client by the server.
844 See the [SILC1] for the details of the connecting procedure.
845
846 Server MUST verify the authentication data received and if it is to fail
847 the authentication MUST be failed by sending SILC_PACKET_FAILURE packet.
848 If everything checks out fine the protocol is ended by server by sending
849 SILC_PACKET_SUCCESS packet.
850
851 The protocol is executed after the SILC Key Exchange protocol.  It MUST
852 NOT be executed in any other time.  As it is performed after key exchange
853 protocol all traffic in the connection authentication protocol is
854 encrypted with the exchanged keys.
855
856 The protocol MUST be started by the connecting party by sending the
857 SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH packet with Connection Auth Payload,
858 described in the next section.  This payload MUST include the
859 authentication data.  The authentication data is set according
860 authentication method that MUST be known by both parties.  If connecting
861 party does not know what is the mandatory authentication method it MAY
862 request it from the server by sending SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH_REQUEST
863 packet.  This packet is not part of this protocol and is described in
864 section Connection Auth Request Payload in [SILC2].  However, if
865 connecting party already knows the mandatory authentication method
866 sending the request is not necessary.
867
868 See [SILC1] and section Connection Auth Request Payload in [SILC2] also
869 for the list of different authentication methods.  Authentication method
870 MAY also be NONE, in which case the server does not require
871 authentication at all.  However, in this case the protocol still MUST be
872 executed; the authentication data just is empty indicating no
873 authentication is required.
874
875 If authentication method is passphrase the authentication data is
876 plaintext passphrase.  As the payload is entirely encrypted it is safe
877 to have plaintext passphrase.  See the section 3.2.1 Passphrase
878 Authentication for more information.
879
880 If authentication method is public key authentication the authentication
881 data is a signature of the hash value of hash HASH plus Key Exchange
882 Start Payload, established by the SILC Key Exchange protocol.  This
883 signature MUST then be verified by the server.  See the section 3.2.2
884 Public Key Authentication for more information.
885
886 The connecting client of this protocol MUST wait after successful execution
887 of this protocol for the SILC_PACKET_NEW_ID packet where it will receive
888 the ID it will be using in the SILC network.  The connecting client cannot
889 start normal SILC session (sending messages or commands) until it has
890 received its ID.  The ID's are always created by the server except
891 for server to router connection where servers create their own ID's.
892
893
894 .ti 0
895 3.1 Connection Auth Payload
896
897 Client sends this payload to authenticate itself to the server.  Server
898 connecting to another server also sends this payload.  Server receiving
899 this payload MUST verify all the data in it and if something is to fail
900 the authentication MUST be failed by sending SILC_PACKET_FAILURE packet.
901
902 The payload may only be sent with SILC_PACKET_CONNECTION_AUTH packet.
903 It MUST NOT be sent in any other packet type.  The following diagram 
904 represent the Connection Auth Payload.
905
906
907 .in 5
908 .nf
909                      1                   2                   3
910  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
911 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
912 |        Payload Length         |        Connection Type        |
913 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
914 |                                                               |
915 ~                     Authentication Data                       ~
916 |                                                               |
917 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
918 .in 3
919  
920 .ce
921 Figure 3:  Connection Auth Payload
922
923
924 .in 6
925 o Payload Length (2 bytes) - Length of the entire Connection 
926   Auth Payload.
927
928 o Connection Type (2 bytes) - Indicates the type of the 
929   connection.  See section Connection Auth Request Payload
930   in [SILC2] for the list of connection types.  This field MUST
931   include valid connection type or the packet MUST be discarded
932   and authentication MUST be failed. 
933
934 o Authentication Data (variable length) - The actual 
935   authentication data.  Contents of this depends on the 
936   authentication method known by both parties.  If no
937   authentication is required this field does not exist.
938 .in 3
939
940
941 .ti 0
942 3.2 Connection Authentication Types
943
944 SILC supports two authentication types to be used in the connection
945 authentication protocol; passphrase or public key based authentication.
946 The following sections defines the authentication methods.  See [SILC2]
947 for defined numerical authentication method types.
948
949
950 .ti 0
951 3.2.1 Passphrase Authentication
952
953 Passphrase authentication or pre-shared-key based authentication is 
954 simply an authentication where the party that wants to authenticate 
955 itself to the other end sends the passphrase that is required by
956 the other end, for example server.
957
958 If the passphrase matches with the one in the server's end the
959 authentication is successful.  Otherwise SILC_PACKET_FAILURE MUST be
960 sent to the sender and the protocol execution fails.
961
962 This is REQUIRED authentication method to be supported by all SILC
963 implementations.
964
965 When password authentication is used it is RECOMMENDED that maximum
966 amount of padding is applied to the SILC packet.  This way it is not
967 possible to approximate the length of the password from the encrypted
968 packet.
969
970
971 .ti 0
972 3.2.2 Public Key Authentication
973
974 Public key authentication may be used if passphrase based authentication
975 is not desired.  The public key authentication works by sending a
976 signature as authentication data to the other end, say, server.  The
977 server MUST then verify the signature by the public key of the sender,
978 which the server has received earlier in SKE protocol.
979
980 The signature is computed using the private key of the sender by signing
981 the HASH value provided by the SKE protocol previously, and the Key
982 Exchange Start Payload from SKE protocol that was sent to the server.
983 These are concatenated and hash function is used to compute a hash value
984 which is then signed.
985
986   auth_hash = hash(HASH | Key Exchange Start Payload);
987   signature = sign(auth_hash);
988
989 The hash() function used to compute the value is the hash function negotiated
990 in the SKE protocol.  The server MUST verify the data, thus it must keep
991 the HASH and the Key Exchange Start Payload saved during SKE and
992 authentication protocols.
993
994 If the verified signature matches the sent signature, the authentication
995 were successful and SILC_PACKET_SUCCESS is sent.  If it failed the protocol
996 execution is stopped and SILC_PACKET_FAILURE is sent.
997
998 This is REQUIRED authentication method to be supported by all SILC
999 implementations.
1000
1001
1002 .ti 0
1003 3.3 Connection Authentication Status Types
1004
1005 This section defines all connection authentication status types that
1006 may be returned in the SILC_PACKET_SUCCESS or SILC_PACKET_FAILURE packets
1007 to indicate the status of the protocol.  Implementations may map the
1008 status types to human readable error message.  All types except the
1009 SILC_AUTH_STATUS_OK type MUST be sent in SILC_PACKET_FAILURE packet.
1010 The length of status is 32 bits (4 bytes).  The following status types
1011 are defined:
1012
1013
1014
1015 0   SILC_AUTH_OK
1016
1017     Protocol was executed successfully.
1018
1019
1020 1   SILC_AUTH_FAILED
1021
1022     Authentication failed.
1023
1024
1025 .ti 0
1026 4 Security Considerations
1027
1028 Security is central to the design of this protocol, and these security
1029 considerations permeate the specification.  Common security considerations
1030 such as keeping private keys truly private and using adequate lengths for 
1031 symmetric and asymmetric keys must be followed in order to maintain the   
1032 security of this protocol.
1033
1034
1035 .ti 0
1036 5 References
1037
1038 [SILC1]      Riikonen, P., "Secure Internet Live Conferencing (SILC),
1039              Protocol Specification", Internet Draft, April 2001.
1040
1041 [SILC2]      Riikonen, P., "SILC Packet Protocol", Internet Draft,
1042              April 2001.
1043
1044 [SILC4]      Riikonen, P., "SILC Commands", Internet Draft, April 2001.
1045
1046 [IRC]        Oikarinen, J., and Reed D., "Internet Relay Chat Protocol",
1047              RFC 1459, May 1993.
1048
1049 [IRC-ARCH]   Kalt, C., "Internet Relay Chat: Architecture", RFC 2810,
1050              April 2000.
1051
1052 [IRC-CHAN]   Kalt, C., "Internet Relay Chat: Channel Management", RFC
1053              2811, April 2000.
1054
1055 [IRC-CLIENT] Kalt, C., "Internet Relay Chat: Client Protocol", RFC
1056              2812, April 2000.
1057
1058 [IRC-SERVER] Kalt, C., "Internet Relay Chat: Server Protocol", RFC
1059              2813, April 2000.
1060
1061 [SSH-TRANS]  Ylonen, T., et al, "SSH Transport Layer Protocol", 
1062              Internet Draft.
1063
1064 [PGP]        Callas, J., et al, "OpenPGP Message Format", RFC 2440,
1065              November 1998.
1066
1067 [SPKI]       Ellison C., et al, "SPKI Certificate Theory", RFC 2693,
1068              September 1999.
1069
1070 [PKIX-Part1] Housley, R., et al, "Internet X.509 Public Key 
1071              Infrastructure, Certificate and CRL Profile", RFC 2459,
1072              January 1999.
1073
1074 [Schneier]   Schneier, B., "Applied Cryptography Second Edition",
1075              John Wiley & Sons, New York, NY, 1996.
1076
1077 [Menezes]    Menezes, A., et al, "Handbook of Applied Cryptography",
1078              CRC Press 1997.
1079
1080 [OAKLEY]     Orman, H., "The OAKLEY Key Determination Protocol",
1081              RFC 2412, November 1998.
1082
1083 [ISAKMP]     Maughan D., et al, "Internet Security Association and
1084              Key Management Protocol (ISAKMP)", RFC 2408, November
1085              1998.
1086
1087 [IKE]        Harkins D., and Carrel D., "The Internet Key Exchange
1088              (IKE)", RFC 2409, November 1998.
1089
1090 [HMAC]       Krawczyk, H., "HMAC: Keyed-Hashing for Message
1091              Authentication", RFC 2104, February 1997.
1092
1093 [PKCS1]      Kalinski, B., and Staddon, J., "PKCS #1 RSA Cryptography
1094              Specifications, Version 2.0", RFC 2437, October 1998.
1095
1096 [RFC2119]    Bradner, S., "Key Words for use in RFCs to Indicate
1097              Requirement Levels", BCP 14, RFC 2119, March 1997.
1098
1099
1100 .ti 0
1101 6 Author's Address
1102
1103 .nf
1104 Pekka Riikonen
1105 Snellmanninkatu 34 A 15
1106 70100 Kuopio
1107 Finland
1108
1109 EMail: priikone@silcnet.org
1110
1111 This Internet-Draft expires XXX