زنجیره رمزنگاری‌شده اعتماد: مراجع صدور گواهی ریشه آفلاین چگونه میلیاردها اتصال روزانه وب را تایید می‌کنند

در ۱ سپتامبر ۲۰۲۰، اپل و گوگل با اعمال یک محدودیت سخت‌گیرانه ۳۹۸ روزه برای حداکثر طول عمر تمام گواهی‌های برگ جدید، ریتم عملیاتی اینترنت را اساسا تغییر دادند. این الزام، اپراتورهای وب‌سایت‌ها را مجبور کرد تا تمدید رمزنگاری خود را خودکار کنند، اما معماری زیربنایی اعتماد را کاملا دست‌نخورده باقی گذاشت. این معماری برای تایید هویت یک وب‌سایت به یک امضای دیجیتال واحد متکی نیست. در عوض، از یک سلسله‌مراتب دقیق سه‌لایه برای پر کردن شکاف بین مخزن اعتماد محلی مرورگر و یک سرور راه دور استفاده می‌کند.[5]

مشکل اصلی که این معماری حل می‌کند، هویت دیجیتال است. وقتی کاربری به یک پورتال بانکی مراجعه می‌کند، مرورگر به اثبات ریاضی نیاز دارد که سرور طرف مقابل مشروع و واقعی است. طبق گفته بخش مدیریت هویت، اعتبارنامه و دسترسی دولت ایالات متحده: «زیرساخت کلید عمومی چارچوبی است که گواهی‌های دیجیتال را ایجاد، صادر، مدیریت، توزیع، استفاده، ذخیره و باطل می‌کند.» این چارچوب با جلوگیری از ارائه هویت جعلی، مانع از رهگیری ترافیک توسط مهاجمان می‌شود.[2]

پیاده‌سازی مدرن این چارچوب توسط کارگروه مهندسی اینترنت در سند RFC 5280 که در می ۲۰۰۸ منتشر شد، تعریف شده است. این مشخصات، فرمت گواهی X.509 نسخه ۳ را ترسیم می‌کند که بر یک زنجیره اعتماد استوار است. به جای اینکه یک نهاد واحد وب‌سایتی را تایید کند، این اعتماد در طول یک زنجیره به‌شدت ساختاریافته واگذار می‌شود و حیاتی‌ترین کلیدهای رمزنگاری را از اینترنت عمومی ایزوله می‌کند.[1]

در بالاترین نقطه این سلسله‌مراتب، مرجع صدور گواهی ریشه قرار دارد. ریشه، لنگر نهایی اعتماد است و کاملا خود-امضا است؛ به این معنی که امضای رمزنگاری آن، اصالت خودش را تایید می‌کند. از آنجا که یک گواهی ریشه در معرض خطر به مهاجم اجازه می‌دهد تا هویت هر وب‌سایتی در اینترنت را جعل کند، این کلیدها هرگز به هیچ شبکه‌ای متصل نمی‌شوند.[4]

فروشندگان امنیتی اغلب روی عبارت پرطمطراق «رمزنگاری در سطح نظامی» مانور می‌دهند، اما امنیت واقعی یک مرجع صدور گواهی ریشه به ایزوله بودن فیزیکی آن بستگی دارد. کلیدهای خصوصی در داخل ماژول‌های امنیتی سخت‌افزاری - کامپیوترهای مقاوم در برابر دستکاری که در دیتاسنترهای به‌شدت محافظت‌شده قفل شده‌اند - تولید و ذخیره می‌شوند. یک مرجع صدور گواهی ریشه معمولی با یک کلید ۴۰۹۶ بیتی RSA تولید می‌شود و طول عمری بین ۲۰ تا ۲۵ سال به آن اختصاص می‌یابد تا دفعات باز شدن این گاوصندوق فیزیکی به حداقل برسد.[2][4]

از آنجا که ریشه به‌صورت آفلاین نگهداری می‌شود، نمی‌توان از آن برای امضای میلیون‌ها گواهی درخواستی روزانه وب‌سایت‌ها استفاده کرد. این گلوگاه عملیاتی، لایه دوم را ضروری می‌سازد: مرجع صدور گواهی میانی. برای ایجاد یک گواهی میانی، مدیران باید به‌صورت فیزیکی به ریشه آفلاین دسترسی پیدا کنند، از آن برای امضای گواهی میانی استفاده کنند و سپس ریشه را به ذخیره‌سازی سرد بازگردانند.[4]

مرجع صدور گواهی میانی به‌عنوان واسطه عملیاتی عمل می‌کند. این گواهی روی سرورهای متصل به شبکه قرار دارد و حجم روزانه امضاهای رمزنگاری را مدیریت می‌کند. این گواهی‌ها معمولا طول عمری بین پنج تا ده سال دارند.

با واگذاری اختیار، معماری زیرساخت کلید عمومی یک فایروال ایجاد می‌کند: اگر یک گواهی میانی توسط نفوذ به شبکه به خطر بیفتد، ریشه امن باقی می‌ماند. ریشه می‌تواند به‌سادگی گواهی میانی در معرض خطر را باطل کرده و گواهی جدیدی صادر کند، بدون اینکه نیاز باشد تک‌تک دستگاه‌های روی زمین مخزن اعتماد خود را به‌روزرسانی کنند.[3][4]

لایه نهایی، گواهی برگ است که به عنوان گواهی نهاد-نهایی نیز شناخته می‌شود. این همان فایلی است که روی یک وب‌سرور نصب می‌شود تا یک دامنه خاص را ایمن کند. برخلاف ریشه یا میانی، گواهی برگ هیچ اختیاری برای امضای سایر گواهی‌ها ندارد. تنها هدف آن اثبات هویت یک سرور واحد به کلاینت متصل‌شونده است.[5]

در همین لایه برگ است که محدودیت ۳۹۸ روزه اعمال‌شده در سال ۲۰۲۰ خودنمایی می‌کند. فروشندگان مرورگرها با اجباری کردن انقضای سریع، تضمین می‌کنند که اگر کلید خصوصی یک گواهی برگ به سرقت برود، پنجره آسیب‌پذیری کوتاه خواهد بود. صادرکنندگان خودکاری مانند Let's Encrypt این پنجره را حتی تنگ‌تر کرده‌اند و با پیش‌فرض قرار دادن طول عمر ۹۰ روزه، صنعت را مجبور به پذیرش پروتکل‌های تمدید خودکار کرده‌اند.[5]

هنگامی که یک مرورگر به یک سرور امن متصل می‌شود، هم گواهی برگ و هم گواهی میانی را دریافت می‌کند. سپس مرورگر باید فرآیندی به نام مسیرسازی را انجام دهد که در سند RFC 4158 منتشرشده در سپتامبر ۲۰۰۵ به تفصیل شرح داده شده است. این الگوریتم به صورت معکوس عمل می‌کند و امضای رمزنگاری گواهی برگ را با گواهی میانی، و گواهی میانی را با ریشه تطبیق می‌دهد.[6]

مرورگر گواهی ریشه را از سرور دانلود نمی‌کند. در عوض، امضای گواهی میانی را با یک مخزن اعتماد محلی بررسی می‌کند - پایگاه داده‌ای شامل حدود ۱۵۰ تا ۲۰۰ مرجع صدور گواهی ریشه معتبر که از پیش توسط سیستم‌عامل یا فروشنده مرورگر نصب شده است. اگر زنجیره به ریشه‌ای در آن مخزن محلی ختم شود، اتصال تایید می‌شود. اگر زنجیره شکسته شود یا به یک ریشه ناشناخته برسد، مرورگر یک هشدار امنیتی جدی صادر می‌کند.[3][5]

شکنندگی این سیستم در ابطال نهفته است. اگر گواهی قبل از انقضا به خطر بیفتد، باید به لیست ابطال گواهی اضافه شود یا از طریق پروتکل وضعیت گواهی آنلاین علامت‌گذاری شود. با این حال، مرورگرها اغلب در بررسی‌های ابطال از رویکرد «شکست نرم» استفاده می‌کنند تا در صورت آفلاین شدن سرور بررسی وضعیت، اینترنت از کار نیفتد؛ این یعنی یک گواهی باطل‌شده گاهی اوقات همچنان می‌تواند پذیرفته شود.[1][5]

در حالی که انجمن CA/Browser در حال بحث برای کاهش بیشتر طول عمر گواهی‌های برگ به ۹۰ روز برای همه است، بار عملیاتی کاملا به دوش پروتکل‌های تمدید خودکار خواهد افتاد. ریاضیات رمزنگاری بدون تغییر باقی می‌ماند، اما پنجره زمانی برای یک مهاجم جهت سوءاستفاده از گواهی برگِ سرقت‌شده به‌سرعت در حال بسته شدن است. معماری سه‌لایه تضمین می‌کند که در حالی که لبه‌های شبکه به‌سرعت در حال تکرار و تغییر هستند، لنگرهای اصلی اعتماد اینترنت در گاوصندوق‌های خاموش و آفلاین قفل می‌مانند.[5][7]